由于人口不斷增長和能耗的增加,能源危機(jī)仍然是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)重大問題。目前化石燃料在全球能源市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位,預(yù)計(jì)到2030年,化石燃料將繼續(xù)為世界提供70%~80%的一次能源。因此,由化石燃料引起的環(huán)境問題,包括全球變暖、冰山融化和自然災(zāi)害頻發(fā),將變得更加嚴(yán)重。利用相變材料儲(chǔ)熱是解決能源與環(huán)境問題的方法之一,儲(chǔ)熱可以提高能源系統(tǒng)能源效率和可再生能源利用率。儲(chǔ)熱方式主要有潛熱儲(chǔ)熱、顯熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)三種。與其他儲(chǔ)熱方式相比,潛熱儲(chǔ)熱具有簡單、可靠性高、儲(chǔ)能密度高、功耗低、相變過程近似等溫等優(yōu)點(diǎn)。因此,在建筑采暖、熱管理、服裝等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和研究。
十水硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)是目前研究較為廣泛的一種無機(jī)水合鹽相變材料,它是一種白色或無色透明晶體,單斜晶系、易風(fēng)化、味苦咸、溶于水,不溶于乙醇,呈芒狀或顆粒狀小晶體的集合體,或呈硬殼狀和微密鹽塊狀,其熱物性見表1。
表1 SSD的熱物性參數(shù)
在低溫相變材料中,十水硫酸鈉具有較高的潛熱值,大于200 J/g,化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒、價(jià)格低廉、來源廣,是許多化工產(chǎn)品的副產(chǎn)品。因?yàn)橄嘧儨囟冗m宜,與其他無機(jī)鹽(如NaCl、KCl)形成的低共熔鹽的相變溫度可控制在20~30 ℃范圍內(nèi),因此能用于建筑節(jié)能、溫室、太陽能貯存等領(lǐng)域中。但十水硫酸鈉晶體在加熱融化后,極易脫水,產(chǎn)生沉淀,其相分離現(xiàn)象嚴(yán)重,同時(shí)還存在過冷、泄漏等缺點(diǎn),這嚴(yán)重限制了其在儲(chǔ)能領(lǐng)域中的運(yùn)用。因此,必須添加合適的添加劑,解決其過冷、相分離和泄漏問題。本文綜述了Na2SO4·10H2O過冷、相分離、共晶鹽相變材料制備和應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀,并對(duì)其今后的研究方向及應(yīng)用進(jìn)行了展望。
1 過冷問題
無機(jī)水合鹽以晶體狀態(tài)從蒸氣、溶液或熔融物中析出的過程,稱為結(jié)晶。由于結(jié)晶過程,一定會(huì)形成晶核并且不斷生長,當(dāng)溫度降到凝固點(diǎn)后,結(jié)晶過程不再進(jìn)行,需冷卻到凝固點(diǎn)以下一定溫度時(shí)才開始結(jié)晶,稱之為過冷。無機(jī)水合鹽在融化過程中吸收熱量,凝固過程中釋放熱量。通過減小過冷度,可以提高潛熱值。
根據(jù)非均勻成核機(jī)理,通過加入成核劑可以解決十水硫酸鈉過冷問題。成核劑可以為晶體的生長提供結(jié)晶位點(diǎn),減少結(jié)晶過冷度。成核劑的選擇主要有兩種方法:一是科學(xué)法,根據(jù)成核劑和無機(jī)水合鹽的晶格參數(shù)相近,即具有相同的晶型、相似的原子排列和晶格間隔、兩者的晶體數(shù)據(jù)相差15%以內(nèi),利用它們之間晶型相似,Na2SO4·10H2O可以沿著成核劑的晶面生長并長大,從而越過結(jié)晶過程中最困難的初步成核過程;二是愛迪生法,該方法是通過對(duì)大量的材料進(jìn)行測(cè)試來尋找最佳成核劑。
目前,國內(nèi)外學(xué)者研究最多的成核劑是硼砂。Telkes研究發(fā)現(xiàn)與SSD晶格參數(shù)相近的十水四硼酸鈉(硼砂)、十水鉻酸鈉、十水鉑酸鈉、十水鎢酸鈉和十水硒酸鈉中,大多數(shù)易溶于水,顯著降低混合晶體的相變溫度,不能作為成核劑。但硼砂在水中的溶解有限,與十水硫酸鈉混合其相變溫度下降1 ℃以下,實(shí)驗(yàn)證明是一種很好的成核劑。Feng等實(shí)驗(yàn)測(cè)試了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%和4.5%的硼砂對(duì)相變材料過冷度的影響,發(fā)現(xiàn)添加硼砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與SSD的過冷度成反比,但硼砂過量會(huì)縮短釋放和吸收的時(shí)間,添加3%最佳。丁益民等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3%的硼砂可以使 SSD 的過冷度減小到2 ℃。Hou 等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在Na2SO4·10H2O-5%KCl體系中加入5%硼砂可以使過冷度降低到0.4 ℃。Dong等研究了五種成核劑Na2B4O7·10H2O、(NH4)2S2O8、Na2HPO4·12H2O、Na2SiO3·9H2O、Na2CO3·10H2O對(duì)Na2SO4·10H2O相變材料性能的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%Na2B4O7·10H2O、5%Na2SiO3·9H2O使過冷度從10 ℃左右分別降到1.5 ℃、1 ℃。
在不同體系中,硼砂做成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所不同,都能有效降低SSD的過冷度,但循環(huán)穩(wěn)定性差,長期重復(fù)使用使其過冷度增大。而無機(jī)納米材料自身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、粒徑小且比表面積大,是十水硫酸鈉成核劑的有效選擇。李鳳艷等以十水硫酸鈉作為相變材料,對(duì)其各輔助成分采用全排列法進(jìn)行均勻設(shè)計(jì),建立了回歸方程,并優(yōu)化實(shí)驗(yàn),得到相變材料輔助成分的最佳配方為:硼砂1.15%,納米二氧化硅1.54%,羧甲基纖維素鈉1.53%,十六烷基三甲基溴苯磺酸鈉0.91%。依照此配方得到的十水硫酸鈉復(fù)合相變材料無過冷并且儲(chǔ)熱性能良好。柳馨等[23]制備了Cu-Na2SO4·10H2O,Al-Na2SO4·10H2O和C-Na2SO4·10H2O納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料,過冷度分別降低至1.8 ℃、2.1 ℃和1.2 ℃,經(jīng)過相變循環(huán)后,納米Cu和Al與體系發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致Cu-Na2SO4·10H2O、Al-Na2SO4·10H2O復(fù)合相變儲(chǔ)能材料失效。
以上研究結(jié)果表明,十水硫酸鈉成核劑有硼砂、九水硅酸鈉、納米C粉等,其中硼砂應(yīng)用最多。另外,可添加多種助劑,利用全排列法進(jìn)行均勻設(shè)計(jì),消除十水硫酸鈉過冷現(xiàn)象,但在一定程度上會(huì)降低潛熱值,后續(xù)針對(duì)此方面可以進(jìn)行研究。
2 相分離問題
硫酸鈉和水體系的相圖(圖1)表明,十水硫酸鈉的相變溫度為32.4 ℃,高于此溫度,會(huì)產(chǎn)生無水硫酸鈉和其飽和溶液,低于此溫度,無水硫酸鈉被水化合生成Na2SO4·10H2O,但不完全溶解,導(dǎo)致分層,并有白色沉淀物析出,發(fā)生相分離[24-25]。
圖1 硫酸鈉和水體系二元相圖
在無機(jī)水合鹽中,十水硫酸鈉的相分離現(xiàn)象極其嚴(yán)重,因此解決相分離問題是其研究的首要工作。Na2SO4·10H2O相分離的解決方案主要有兩種:一是添加增稠劑,如羧甲基纖維素鈉、活性黏土等,這些增稠劑可以增大溶液的黏度,使Na2SO4·10H2O熔化后的固體物質(zhì)懸浮于溶液中而不與溶液分離,而且不影響結(jié)晶和相變的進(jìn)行,從而阻止相分離的發(fā)生;二是制備定型相變材料,Na2SO4·10H2O分散在聚合物的三維結(jié)構(gòu)中而形成宏觀上呈固態(tài)并具有一定支撐和力學(xué)性能的新型相變材料,有效地消除相分離現(xiàn)象。
2.1 添加增稠劑
劉欣等制備了以SSD為主相變材料的相變體系,發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺/丙烯酸共聚物體系、羧甲基纖維素體系、明膠體系的穩(wěn)定性依次減弱,即對(duì)于SSD相變材料而言,丙烯酰胺/丙烯酸共聚物是一種具有較好增稠效果的增稠劑。此外,劉欣探討了不同增稠劑對(duì)SSD相變體系儲(chǔ)熱能力的影響,如表2所示,發(fā)現(xiàn)丙烯酸系、聚丙烯酸系、丙烯酰胺系、聚丙烯酸/丙烯酰胺系、丙烯酸/丙烯酰胺系、聚丙烯酸/聚丙烯酰胺系、明膠系、CMC系、聚丙烯酰胺系、可溶性淀粉系、蔗糖系、活性白土系中,活性白土系和聚丙烯酰胺系比較均勻穩(wěn)定,CMC系和可溶性淀粉系經(jīng)熔凍循環(huán)后出現(xiàn)輕微分層,可在此基礎(chǔ)上添加一些其他助劑,提高相變體系的相變蓄熱能力和使用壽命。
表2 不同增稠劑對(duì)十水硫酸鈉相變體系儲(chǔ)熱能力的影響
Hou等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在Na2SO4·10H2O-5%KCl體系中加入5%聚丙烯酰胺(PAM),幾乎沒有發(fā)生相分離。李鳳艷等發(fā)現(xiàn)在Na2SO4·10H2O中添加增稠劑羧甲基纖維素鈉(CMC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),增稠效果最好,相分離現(xiàn)象消失。Dong等研究了三種增稠劑[CMC、活性黏土、聚丙烯酰胺(PAM)]對(duì)SSD相變材料性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%CMC時(shí)可以消除相分離。
盧鐵梅等發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸鈉(PAA)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制SSD的相分離,形成均勻穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。Oh等研究了納米纖維素、化纖維素等纖維素的增稠效果,結(jié)果表明與CMC相比,添加1%納米纖維素的十水硫酸鈉,消除了無水硫酸鈉的沉淀,增加了水和硫酸鈉之間的結(jié)合,且提高了相變潛熱值。
2.2 制備定型相變材料
Li等選取在SSD中加入2%CMC、3%硼砂和5%OP-10(2:3:5:90)形成的復(fù)合材料SSD-CBO為基材,不同質(zhì)量比膨脹石墨(EG)為支撐材料,通過真空浸漬法制備了定型相變材料SSD-CBO/EG。發(fā)現(xiàn)添加7%EG,SSD-CBO/EG體系過冷度降低了19 ℃以上,其熱導(dǎo)率高達(dá)SSD-CBO的3.6倍。由于EG的多孔結(jié)構(gòu)具有良好的傳熱能力,使SSD在冷凍期可更有效地傳遞熱量,從而克服再冷卻現(xiàn)象。
Wu等采用浸漬法制備了一種新型的形狀穩(wěn)定的相變材料,采用水合鹽Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O作為相變材料,EG作為支撐材料,并進(jìn)一步涂覆石蠟。DSC分析表明,SSD水合鹽相分離被抑制,并在很大程度上降低了過冷度。在100次熱循環(huán)后,其熱焓損失可以忽略不計(jì),表明其具有良好的熱可靠性。湯瑜鳳利用多孔氣相SiO2和高分子吸水性樹脂(SAP)為載體,采用熔融-浸漬法制備了Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O/SiO2和Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O/SAP定型復(fù)合相變材料,消除了體系相分離。Fang等應(yīng)用浸漬法,用20%Na2SO4·10H2O-80%Na2HPO4·12H2O為基材,以多孔氣相SiO2為載體,制備了新型形態(tài)穩(wěn)定的復(fù)合相變材料,該復(fù)合材料無相分離,且200次循環(huán)后,F(xiàn)T-IR光譜中沒有出現(xiàn)新的峰值,具有良好的熱可靠性。
Zhang等應(yīng)用原位逆向微型乳液聚合法,以SiO2為殼層材料,對(duì)SSD進(jìn)行包覆制備了微膠囊相變材料。DSC結(jié)果表明,SSD的相分離受到抑制。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過100次加熱-冷卻循環(huán)后,微膠囊化的相變材料保持100.9 J/g的熔化焓。TGA和DTG分析表明,樣品在適用溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。Wang等利用液相法將聚氯乙烯(PVC)和SSD制備成微膠囊,潛熱值為194.6 J/g,消除了相分離。
Takai-Yamashita等采用W/O乳液技術(shù),添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%聚乙二醇(PEG),合成微膠囊Na2SO4·10H2O,抑制了十水硫酸鈉相分離現(xiàn)象發(fā)生。Purohit等將Na2SO4·10H2O無機(jī)相變材料加入到聚氨酯(PU)泡沫的開孔中,制備了PU-PCM定型復(fù)合相變材料,有效解決Na2SO4·10H2O相分離問題。Wang等制備了海藻酸鈉(SA)和聚丙烯酰胺(PAAm)復(fù)合水凝膠,將Na2SO4·10H2O加入到水凝膠網(wǎng)絡(luò)中消除相分離。
Xie等通過真空吸附法將50%Na2SO4·10H2O-50%Na2CO3·10H2O水合鹽與膨脹蛭石(EV)相結(jié)合,原理如圖2所示,解決了液體PCM的相分離和泄漏問題,確定水合鹽/EV復(fù)合相變材料的最大水合物百分比為60%。掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射結(jié)果表明,復(fù)合相變材料僅通過物理相互作用完全浸漬到EV的多層結(jié)構(gòu)中。熱重和熱循環(huán)試驗(yàn)表明,復(fù)合PCM具有良好的熱穩(wěn)定性和可靠性。
圖2 真空浸漬法制備水合鹽/EV復(fù)合相變材料示意圖
以上研究結(jié)果表明,Na2SO4?10H2O的增稠劑有聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、可溶性淀粉、聚丙烯酸鈉、纖維素等,其中應(yīng)用最多的是纖維素類增稠劑。對(duì)于制備定型相變材料,主要是利用SiO2和膨脹石墨為支撐材料/殼層材料,采用真空浸漬法、微膠囊化進(jìn)行定型解決相分離問題,由于微膠囊化后的復(fù)合相變材料潛熱值顯著降低,熱穩(wěn)定性差,因此應(yīng)用最多的是真空浸漬法。
3 SSD共晶鹽相變材料的性能研究
共晶鹽相變材料是指兩種或兩種以上物質(zhì)組成的具有最低熔點(diǎn)的混合物。共晶鹽相變材料具有和純凈物一樣明顯的熔點(diǎn),在可逆的固-液相變中始終保持相同的組分。在相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用中,共晶鹽相變材料是比較理想的相變材料。目前,與Na2SO4·10H2O共晶的材料研究主要集中在無機(jī)相變材料中,包括Zn(NO3)2·6H2O、Na2CO3·10H2O、Na2HPO4·12H2O、MgSO4·7H2O、KAl(SO4)2·12H2O。
Karthick等研究發(fā)現(xiàn)70%的Na2SO4⋅10H2O和30%的Zn(NO3)2⋅6H2O復(fù)合是太陽能應(yīng)用的最佳共晶混合物,相變溫度為30 ℃,相變潛熱為242 J/g。Xie等制備了新型二元共晶鹽水合物PCM和形狀穩(wěn)定復(fù)合PCM作為建筑儲(chǔ)能和絕緣材料,以2%硼砂為成核劑的二元50%Na2SO4⋅10H2O-50%Na2CO3⋅10H2O共晶,相變溫度25.41 ℃,潛熱值195.3 J/g。
Xiao等將Na2SO4⋅10H2O和Na2HPO4⋅12H2O按比例從9:1到1:9混合,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比例為8:2時(shí),過冷度最小,相變溫度為31 ℃,加入4%CMC可以消除體系相分離,將硅藻土研磨后覆蓋后,體系無泄漏,相變潛熱值為168 J/g。Zheng等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O體系質(zhì)量比為1:9時(shí),相變溫度為28.2 ℃,過冷度為4.8 ℃,無相分離,200次循環(huán)后,差熱分析(DTA)曲線基本不變,循環(huán)穩(wěn)定性較好。湯瑜鳳將20%Na2SO4·10H2O與80% Na2HPO4·12H2O結(jié)合形成穩(wěn)定的室溫共晶鹽。添加2.5%硅酸(Na2SiO3·9H2O)作為成核劑、2.0%蔗糖作為輔助成核劑,過冷度降至 0.26 ℃,相變溫度為25.86 ℃,熔化焓為210.0 J/g,具有較好的熱穩(wěn)定性。
路麗婷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MgSO4·7H2O-Na2SO4·10H2O復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的質(zhì)量比為 9.35:0.65 時(shí),材料的儲(chǔ)熱性能最優(yōu),其相變溫度為64 ℃左右、放熱平臺(tái)時(shí)長為7 min左右、無過冷、熱穩(wěn)定性好,相變潛熱值為259.734 J/g,該材料經(jīng)過360次加熱-冷卻循環(huán)后,相變潛熱值為174.074 J/g,熱能釋放量保持在 67.02%。羅建文研究發(fā)現(xiàn)MgSO4·7H2O-Na2SO4·10H2O體系質(zhì)量比為8.75:1.25、相變溫度在62 ℃左右,熱穩(wěn)定性良好,經(jīng)過200次的冷熱循環(huán),相變潛熱值由196.4 J/g減少為150 J/g,熱能釋放量保持在76.37%;
此外,羅建文研究發(fā)現(xiàn)KAl(SO4)2·12H2O-Na2SO4·10H2O體系質(zhì)量比為9:1,相變溫度在64 ℃左右,經(jīng)200次的冷熱循環(huán),相變潛熱值為160.6 J/g,熱能釋放量保持在80.87%;KAl(SO4)2·12H2O-Na2SO4·10H2O質(zhì)量比為8.5:1.5,相變溫度在52 ℃左右,經(jīng)過200次的冷熱循環(huán)試驗(yàn),相變潛熱值為165 J/g,熱能釋放量保持在75.07%。Zheng等采用共熔法制備了Na2SO4·10H2O-KAl(SO4)2·12H2O復(fù)合相變材料,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比從1:9到3:7時(shí),體系無相分離,最佳比例為2:8,潛熱值高,熱量釋放平臺(tái)最長。Liu等制備了一種新型納米顆?;旌蟽?chǔ)熱材料CMN,在質(zhì)量比為6.5:3.5的KAl(SO4)2·12H2O-Na2SO4·10H2O體系中,加入1%納米顆粒碳為導(dǎo)熱劑。PCM的過冷度降低了33.7%,導(dǎo)熱系數(shù)提高了77%,相變溫度為65.68 ℃,相變潛熱值為132.2 J/g,經(jīng)過100次循環(huán)實(shí)驗(yàn),相變潛熱值為84.36 J/g,熱循環(huán)穩(wěn)定性滿足應(yīng)用要求。
除上述無機(jī)鹽共晶鹽體系外,還有研究較少的無機(jī)水合鹽CH3COONa?3H2O和有機(jī)相變材料共晶體系。孫相宇制備了Na2SO4·10H2O-CH3COONa·3H2O共晶鹽,研究發(fā)現(xiàn)其配比為5:5時(shí),潛熱值高達(dá)297.9 J/g,但其穩(wěn)定性差且存在泄露現(xiàn)象。Tayeb研究發(fā)現(xiàn)十水硫酸鈉和硬脂酸共晶時(shí),其比例為6:4時(shí),儲(chǔ)熱量最高。
4 SSD相關(guān)應(yīng)用
由于SSD相變溫度適宜,與其他材料共晶之后其相變溫度接近人體舒適溫度,用于太陽能干燥和溫室等領(lǐng)域中。Ndukwu等采用Na2SO4·10H2O和NaCl作為儲(chǔ)熱介質(zhì),置于太陽能干燥器中,提升干燥效率并降低能耗。羅建文采用MgSO4·7H2O-Na2SO4·10H2O共晶鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì),置于太陽能空氣集熱-干燥裝置中,調(diào)節(jié)溫度并延長了干燥時(shí)間。Karthick等將70%Na2SO4·10H2O-30%Zn(NO3)2·6H2O復(fù)合相變材料加入到半透明光伏建筑一體化系統(tǒng)(building-integrated semi-transparent photovoltaic,BISTPV)中,如圖3和4所示,發(fā)現(xiàn)相變材料性能與季節(jié)相關(guān)。
圖3 (a) 裝有PCM的半透明光伏建筑一體化系統(tǒng)(b) 沒有PCM的半透明光伏建筑一體化系統(tǒng)
圖4 (a) 裝有PCM的半透明光伏建筑一體化系統(tǒng)背面(b) 沒有PCM的半透明光伏建筑一體化系統(tǒng)背面
Xie等將50%Na2SO4·10H2O-50%Na2CO3·10H2O/膨脹蛭石的定型相變材料嵌入到墻體中,能將室溫較長時(shí)間的保持在舒適范圍內(nèi)。蔣自鵬等將Na2SO4·10H2O復(fù)合相變材料置于溫室中,降低溫室室溫變化。徐燕等用塑料袋包裝十水硫酸鈉儲(chǔ)熱材料,置于農(nóng)業(yè)大棚中,提高了日夜平均氣溫。韓麗蓉用塑料盒封裝十水硫酸鈉復(fù)合相變材料,置于溫室中,降低了溫度變化幅度。
劉欣將SSD復(fù)合相變材料應(yīng)用于通信基站模擬機(jī)房中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)熱功率達(dá)到4~9 W時(shí),可有效延長模擬機(jī)房溫控時(shí)間,節(jié)約能耗。魯義等利用SSD復(fù)合相變材料改善消防服的熱舒適性,進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,十水硫酸鈉/碳酸鉀配比為3:1時(shí),材料降溫效果最好。徐笑峰等利用SSD做儲(chǔ)熱材料,用聚乙烯蓄冷板封裝后用于蓄冷保溫。Alkan等發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇-十水硫酸鈉可用于溫室和食品冷凍過熱保護(hù)被動(dòng)式熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中。
5 結(jié)語
十水硫酸鈉作為一種高儲(chǔ)能密度的低溫?zé)o機(jī)水合鹽相變材料,具有安全無毒、相變溫度適宜和相變潛熱值高等優(yōu)點(diǎn)。因此,科研工作者越來越重視十水硫酸鈉在低溫節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用研究,如溫室、建筑墻體、空調(diào)蓄冷,但目前在應(yīng)用研究推廣方面還存在許多問題有待解決。
(1)過冷問題的解決方法為添加有效的成核劑、定型和共晶。對(duì)于Na2SO4·10H2O來講,硼砂和納米C材料都具有一定的成核效果。多孔材料因其具有較大的表面積,可以為無機(jī)水合物提供結(jié)晶位點(diǎn),吸附Na2SO4·10H2O定型后,一定程度上抑制材料的過冷。另外,Na2SO4·10H2O通過與其他材料共晶,過冷度可以減小甚至無過冷。后續(xù)可以研究采用超聲波震蕩、電場(chǎng)等外加擾動(dòng)的方式降低過冷度。
(2)解決十水硫酸鈉的相分離問題是其研究的首要工作,其解決方案主要是添加增稠劑和制備定型相變材料。增稠劑主要是羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺和納米纖維素,其中羧甲基纖維素鈉效果最好,納米纖維素復(fù)合相變材料熱物性有待研究。另外,利用二氧化硅和膨脹石墨等多孔材料,通過真空浸漬法和微膠囊化制備定型復(fù)合相變材料,改善相分離現(xiàn)象同時(shí)可以防止材料泄露,但微膠囊化后其熱穩(wěn)定性差,后續(xù)可以研究碳納米管、碳纖維等高導(dǎo)熱的多孔材料吸附相變材料,或者添加高導(dǎo)熱的金屬材料、碳材料或其他導(dǎo)熱系數(shù)大的無機(jī)材料,利用真空浸漬法制備定型復(fù)合相變材料。
(3)十水硫酸鈉共晶鹽相變材料主要是無機(jī)共晶鹽,主要包括Na2SO4·10H2O-Zn(NO3)2·6H2O、Na2SO4·10H2O-Na2CO3·10H2O、Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O、Na2SO4·10H2O-MgSO4·7H2O和Na2SO4·10H2O-KAl(SO4)2·12H2O體系,共晶后可以降低過冷度、改善相分離,但循環(huán)過后相變潛熱值都降低,其衰減率過高,因此共晶鹽材料在循環(huán)使用過程中其熱穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。目前,與CH3COONa·3H2O共晶體系穩(wěn)定性有待解決,與有機(jī)相變材料共晶的體系僅硬脂酸-十水硫酸鈉,其余有機(jī)共晶鹽有待研究。后續(xù)工作可以通過繪制二元相圖,尋找新的共晶鹽材料進(jìn)行研究。針對(duì)同樣兩種材料共晶,不同研究人員研究結(jié)果不同,和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件、樣品量、所盛樣品容器等相關(guān),所以實(shí)際應(yīng)用中必須針對(duì)樣品的特定條件進(jìn)行實(shí)測(cè)。
(4)在相變儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)應(yīng)用中,由于十水硫酸鈉相變溫度適宜,主要用于太陽能干燥、溫室和蓄冷保溫等領(lǐng)域中,后續(xù)可拓寬其應(yīng)用范圍,如路面、芯片、電力調(diào)峰、醫(yī)療等。在研究過程中,可以對(duì)復(fù)合定型相變材料進(jìn)行二次封裝,優(yōu)化性能后應(yīng)用。
原標(biāo)題:十水硫酸鈉相變儲(chǔ)能材料研究進(jìn)展