生物质基复合储能材料的可调控相变行为研究

生物质基复合储能材料的可调控相变行为研究

摘要:本研究以十水硫酸钠为相变主剂，先通过对其相变行为进行调控，获得了适宜人类居住温度范围 的多元共晶体;再利用自然界中大量存在的农作物（玉米）秸秆纤维的自组装行为，对相变材料进行封装设 计，构建了具有三维微纳多级孔道结构的生物质基复合储能材料，解决了相变材料在固-液转化过程中的相 分离问题。采用差式扫描量热仪（DSC）、扫描电镜（SEM）、能量色散X射线光谱仪（EDX）、红外热成像仪和 冻融循环实验等对复合材料的热性能、形貌结构、元素组成及分布、蓄放热行为和热循环稳定性进行了研 究。结果表明，经过合理调控，生物质基复合储能材料的相变温度变化区间能够达到人类适宜居住的环境 温度范围，熔化和凝固时的相变潜热分别为167.5 J/g和92.4 J/g,过冷度为3.9 C。纤维素纤维自组装形成 的三维网络骨架为相变材料提供了优异的支撑能力和限域作用。复合材料中的各元素分布相对较为均匀，保证了其充分发挥蓄热和传热能力。复合材料的三维多级孔道结构为热量提供了连续的传输路径并增加 了声子传输的平均自由程，减小了纤维与相变材料间的界面热阻，实现了相变材料与外界环境间的能量传递。冻融循环实验表明复合材料具有良好的热循环稳定性，该材料在节能建筑物领域展现出优异的应用 前景。

关键词：生物质;农作物秸秆;储能材料;相变行为

Abstract: In this study, sodium sulfate decahydrate was chosen as the main phase change agent, and the multicomponent eutectics with a suitable temperature range for human living were obtained by adjusting its phase change behavior.Based on the self-assembly behavior of crop(corn)straw fibers, the packaging design of phase change materials was carried out, and the biomass based composite energy storage material with three-dimensional micro and nano multi-stage pore structure was constructed, which solved the phase separation problem in the solid­liquid conversion process of phase change materials.The thermal properties, morphology, element composition and distribution, heat storage and release behavior and thermal cycle stability of the material were studied by differential scanning calorimetry(DSC), scanning electron microscopy(SEM), energy dispersive X—ay spectrometer(EDX), infrared thermal imager and freeze-thaw cycle experiment, respectively.The results show that the change of phase change temperature of biomass based composite energy storage material is suitable for human habitation.The latent heat of phase change during melting and solidification of the composite material is 167.5 J/g and 92.4 J/g, respectively, and the super-cooling is 3.9 C.The three-dimensional network framework self-assembled by cellulose fiber provides excellent support and confinement for phase change materials.The distribution of the elements in the material is relatively uniform，which ensures that the phase change material can fully exert its heat storage capacity.The three-dimensional multi-stage pore structure of the composite material provides a continuous heat transfer path and increases the average free path of phonon transmission.The thermal resistance of the interface between the fiber and the phase change material was reduced，and the energy transfer between the phase change material and the external environment was realized.The freeze-thaw cycle experiments indicate that the composite materials have good thermal cycle stability and show excellent application prospects in the field of building energy-saving.Key words: iomass: crop straw: energy storage materials: phase change behavior

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提升，人们对办公、居住环境内热舒 适性的要求越来越高，造成建筑物能耗（空 调、采暖、通风等）和温室气体（二氧化碳）排 放量不断增加。据估计，全球建筑能耗约占 人类总能耗的30%-40% 1。为了解决这些 问题,人们加快开发各类清洁能源，广泛探索 新型高效节能技术。热能储存技术主要通过 显热、潜热和化学热三种方式储存热量。相 比于显热和化学储热，相变材料因其储能容 量大、相变温度恒定和体积变化小等优势，在 相变过程中以潜热的形式储存和释放热量，一定程度上解决了能源利用时空不匹配的矛 盾，可以有效提高储热系统50%左右的储能 密度，同时减少40%左右的投资成本，被认 为是最有前途的被动式储能方法之一，在可 持续能源的利用领域（如节能建筑2、太阳 能储存3、电子/电池热管理4、空调系 统5、生活供暖6和余热回收7等）获得了 飞速的发展。

相变材料根据组成不同，通常可以分为 有机相变材料、无机相变材料和复合相变材 料（相变材料的大致分类及其主要相变参数 如图1所示m。有机相变材料主要包括石 蜡、烷烃、脂肪酸和醇类等，大多数情况下性 能稳定、成型性好、腐蚀性低、毒性低、成本 低。但由于有机相变材料的导热系数相对较 小，且固-液相变过程中易出现泄露问题，在 一定程度上制约了其实际应用。无机相变材 料主要包括结晶水合盐、熔融盐和碱金属的 卤化物等，在相变过程中一般通过结晶水的 脱出和吸收进行能量的储存与释放。其优点 是使用广泛、价格便宜、导热系数大、熔解热 大、单位体积储热密度大,在航空、航天、微电子等高科技系统以及房屋节能等各个领域得 到了广泛应用&"10］。但其存在两方面的致命 缺陷：一是过冷现象，即物质冷凝到“冷凝 点”时并不结晶，而是到“冷凝点”以下一定 温度时才开始结晶，这影响了热量的及时释 放和利用。二是“相分离”，即相变材料在逆 相变（降温重结晶）过程中，沉降到底部的脱 水盐无法与结晶水再次结合重新结晶，使得 相变过程不可逆，造成分层现象。过冷和相 分离现象会造成相变材料的蓄能效率下降, 并缩短其使用寿命。