摘 要

太阳能是一种可再生清洁能源，但是由于太阳能本身的间断性和受天气影响等特点无法稳定持续的供能使其应用受到限制，相变储热材料可以将这种不稳定的能量形式收集并储存，在需要时将其释放，实现稳定持续的供能。本文主要介绍十八醇（OD）/泡沫碳复合相变储热材料的结构及性能，该材料通过真空吸附法制备得到。并对所得复合材料的微观结构及储热性能进行研究。扫描电镜（SEM）图显示，泡沫碳内部呈连通的三维网状结构，这些连通的结构为热量的传递提供了通道，可以有效改善十八醇的热导率；红外光谱（FTIR）和拉曼图谱显示，所得复合材料的衍射峰只是十八醇和泡沫碳各自衍射峰的简单叠加，并未出现新的衍射峰，这表明二者只是简单的物理复合，并未发生任何化学反应；差式扫描量热分析（DSC）和激光导热分析的研究结果显示，所得复合材料的DSC曲线与十八醇的DSC曲线基本一致，该复合材料的热扩散系数与比热与十八醇相比有了明显的提升，这表明泡沫碳的引入几乎不影响十八醇的相变潜热，但是却显著提高了十八醇的热导率，在本次实验的几组样品中，OD-800表现出最优异的性能，其热导率约为纯十八醇的2.6倍。

关键词：十八醇；相变储热；泡沫碳；热导率

Abstract

Solar energy is a renewable and clean energy source, but due to the discontinuity and weathering of solar energy itself, the stable and continuous energy supply limits its application. Phase change heat storage materials can collect this unstable energy form. Store and release it when needed to achieve a steady and continuous supply of energy. This paper mainly introduces the structure and properties of 1-octadecanol /foam carbon composite phase change heat storage material. The material is prepared by vacuum adsorption method. The microstructure and heat storage properties of the obtained composites were studied. Scanning electron microscopy (SEM) shows that the foamed carbon has a three-dimensional network structure inside. These connected structures provide a channel for heat transfer, which can effectively improve the thermal conductivity of 1-octadecanol; Infrared spectroscopy (FTIR) and Raman spectra show that the diffraction peak of the obtained composite is only a simple superposition of the diffraction peaks of 1-octadecanol and foamed carbon, and no new diffraction peaks appear. This shows that the two are simply physical complexes without any chemical reaction; The results of differential scanning calorimetry (DSC) and laser thermal conductivity analysis show that the DSC curve of the obtained composite is basically consistent with the DSC curve of 1-octadecanol. The thermal diffusivity of the composite material is significantly improved compared with the specific heat and 1-octadecanol, which indicates that the introduction of foamed carbon hardly affects the latent heat of phase change of 1-octadecanol, but significantly improves the thermal conductivity of 1-octadecanol. In the samples of this experiment, OD-800 showed the most excellent performance, and its thermal conductivity was about 2.6 times that of pure 1-octadecanol.

Key Words：1-octadecanol; Phase change heat storage; foam carbon; thermal conductivity

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2储热（TES）方式 1

1.2.1显热储热 1

1.2.2潜热储热 2

1.2.3热化学储热 2

1.3相变储热材料 2

1.3.1固-液相变材料 3

1.4国内外研究现状 4

1.4.1国内研究现状 4

1.4.2国外研究现状 5

1.5选题意义及主要内容 6

1.5.1选题意义 6

1.3.2固-固相变储热材料 6

1.5.2主要内容 7

第2章 实验部分 8

2.1实验材料和仪器 8

2.2十八醇/泡沫碳复合材料的制备 8

2.2.1泡沫碳的制备 8

2.2.2十八醇/泡沫碳复合材料的制备 9

2.3材料性能测试与表征 9

第3章 材料的表征与性能研究 10

3.1十八醇/泡沫碳的形貌分析 10

3.2十八醇/泡沫碳的物相结构及分子组成 10

3.3十八醇/泡沫碳的储热性能分析 12

3.4本章小结 14

第4章 结论与展望 15

4.1结论 15

4.2展望 15

致谢 16

参考文献 17

附录1 19

附录2 20

第1章 绪论

1.1前言

随着社会经济的发展，人类对能源的需求越来越大。目前的能源供应主要依靠化石能源，而化石能源的消耗与环境污染促进了人们对清洁可再生能源的研究，清洁能源的利用将有助于解决能源危机问题。但是自然界的能源存在时间和空间不匹配的问题，能源的收集和存储变得十分困难。以太阳能为例，太阳能是一种清洁，且几乎不会枯竭的可再生能源。但是由于太阳能受天气、地域等条件影响，使其不能稳定供能，无法满足日常生活的需要。为了更好的利用太阳能，我们需要找到一种能够像电池储存电能那样将太阳能储存起来的材料，从而满足生产生活的需要。

热能存储是指储热介质吸收太阳辐射或其他载体的热量蓄存于介质内部，环境温度低于介质温度时热量即释放。热量以显热、潜热或者二者并存的形式储存。显热是靠储热介质的温度升高来储存，而潜热则是利用材料由固态熔化为时需要液态吸收大量的热这一特性来储存热量。再次凝固时会将所储存的热量释放，这种相变的反复循环形成储存、释放热量的过程。储热技术可以合理的利用自然界的能源，解决能源供给和需求不匹配的问题，有利于提高能源的利用效率并且对保护环境也有一定的帮助^[1]。因而储热技术的开发是解决能源危机与环境污染的有效途径，近年来国内外许多科研人员都致力于储热材料的开发。

随着对储热材料及其技术的研究深入，储热材料已在社会生产与生活的多方面得到了应用，解决了能源供需矛盾问题，提高了能源利用率。基于其开发制备技术逐渐成熟，使用便捷，节能效果明显，在控制温室气体排放、太阳能的应用、工业节能、余热废热回收等领域起到了显著效果。本文致力于研究与解决目前储热材料存在的相关性能问题，使储热材料投入到更广泛的生产与生活中，促进节能减排和社会可持续发展。

1.2储热（TES）方式

热能存储可通过介质的加热、熔化或气化来实现，当上述流程颠倒时，可将能量转化为热量。一般来说，储热方式可分为显热储热（SHTES）和潜热储热（LHTES）两种。显热储热是指物质储存热量的过程中伴随着自身温度的改变，其储热密度取决于所用材料的比热容。潜热储热又称相变储热，其储热密度主要取决于在相变过程中吸收（放出）的热量^[1]。这种相变储热系统具有许多其他系统不具备的优点，其中最显著的是其储热和放热循环之间温差很小，易于反应、装置尺寸小和储能密度高等。

1.2.1显热储热

显热储热（SHS）通过提高固体或液体的温度来储存热量。其原理是基于材料在充放热过程中热容和温度会产生变化。其蓄热量是介质比热的函数，同时也是温度和介质质量的函数。蓄热量与温度及比热的关系如式1.1所示：

式1.1

其中Q表示存储的总热量（J）、Ti为初始温度（℃）、Tf为终止温度（℃）、m表示储热介质质量（kg）、Cp表示比热（J/kg·K）、Cap表示Ti和Tf之间的平均比热（J/kg·K）。储热材料通过常规的辐射、传导和对流换热机制来吸热。当材料在夜间或阴天冷却时，储存的热量以相同的方式释放出来。有源空间加热系统通常使用水箱或岩石箱作为容器。一般来说，水是最理想的显热储热（SHS）液体，因为它具有低成本和高比热等优点。

1.2.2潜热储热

潜热蓄热是目前最有效的蓄热方法之一。潜热储热主要依靠材料在相变过程中吸收或释放热量，与显热储热（SHS）相比，潜热储热（LHS）具有更高的储热密度，同时储存和释放热量的温度范围更窄^[2]。潜热储热（LHS）系统的存储容量与各参数之间的关系如式1.2所示：

式1.2

其中a_m表示熔化部分占比、ΔH_m表示单位质量的熔化热。理想的潜热储热材料应具有高的储热密度、较小的相变体积转变、较高的比热（提供显著的附加SHS）、较高的导热系数等优点。

1.2.3热化学储热

热化学储热的原理是利用某些在发生化学反应过程中会吸收或释放热量的可逆反应来进行化学能与热能的相互转换，通过控制反应的发生来达到储热或放热的目的，一般来说，热化学储热储热密度较高，且可以长期储存，但是其发展受到反应原料的限制。

1.3相变储热材料

在过去的几十年中，包括水合无机盐、石蜡、脂肪酸、有机和无机物的共晶以及聚合物等多种材料都被看作是潜在的相变储热材料^[3]。根据相变发生的温度范围，可粗略将相变材料分为三大类：（1）低温相变材料—相变温度低于15℃，常用于空调应用和食品工业^[3]。（2）中温相变材料—理想相变温度介于15-90℃之间，常用于配置有太阳能设备的建筑或医疗、纺织行业及其它节能应用。（3）高温相变材料—相变温度高于90℃，主要应用于航空航天方面。此外，相变材料按其相变方式可分为：气-液、固-气、固-液和固-固相变材料^[4]。

由于固-液和液-气相变材料在相变时的体积变化较大，使其应用受到诸多限制。相对来说，固-固和固-液相变材料在相变时的体积变化就小得多，体积变化率通常小于10%，这使得它们非常适合作为相变储热材料，尽管其相变潜热较小。

1.3.1固-液相变材料

目前有许多不同类型的固-液相变材料已经被应用于储热行业，例如水、水合无机盐、石蜡、聚合物及金属合金等。自然界的各种无机物、共晶体和混合物一直被看作是潜在的相变储热材料，表1.1中列举了该类材料的一些热物理性质。

表1.1 可用作相变储热材料的无机化合物

（1）水合无机盐：一般水合无机盐的分子式表示为AB_nH₂O。在相变过程中脱水，生成含水分子较少的水合无机盐或不含水的无机盐。水合无机盐一直被看做是非常有潜力的相变储热材料，虽然其在脱水过程中会产生相分离和沉淀且成核能力较差，但由于其具有较高的储热密度、合适的反应温度及价格低廉等优点仍然被认为是相变储热技术的热门材料，成为研究热点。

（2）合金：金属合金由于具有热稳定性且可以反复使用经常被用作高温相变材料。研究发现Al、Cu、Mg或Zn元素含量较高的二元或三元合金具有较大的相变潜热，但并非所有这些合金都适合做相变储热材料。与其他几种合金相比，共晶铝合金具有较高的相变潜热和更合适的相变温度等优点，被广泛应用于高温TES系统作为相变储热材料。

此外，还有部分有机物也具有固-液相变的特性，发生固-液相变的有机相变储热材料由许多物质共同组成，包括石蜡、脂肪酸及其共晶混合物、酯类和其他有机化合物。表1.2列举了一些有机相变材料的物理性质：

表1.2 部分有机相变材料的物理性质

1.4国内外研究现状

相变储热材料可以更有效的利用自然界的清洁能源，可以有效地解决自然界能源时间和空间不匹配的问题，不论是在降低污染或是缓解能源危机方面都具有非凡价值。

1.4.1国内研究现状

我国对相变材料的研究相比于国际社会开始较晚，经历了从无机相变材料研究为主到有机相变材料研究为主再到复合相变材料为主的转变。相变储热材料能有效的解决能源时间和空间不匹配的问题，提高能量利用效率，同时能极大促进清洁能源的开发^[5]。不仅能有效的缓解能源危机，而且对防治污染也能起到一定作用，符合当今社会环保和可持续发展的理念。

近几年来，相变储热材料的研究热点主要集中在固-固相变和固-液相变材料，其中固-固相变的相变潜热较固-液相变要小，因此发展的较晚。但是固-固相变材料拥有在相变时体积转变小、不会发生相分离、且形状可以随意设计等优点，逐渐成为研究热点。相对来说，固-液相变材料拥有较大的相变潜热，发展得较早，技术也较为成熟。但固-液相变材料在发生相变时体积变化较大，且液态下易泄露，其中易泄露这一缺点对其限制最大。为了解决这一问题，研究人员采用多孔性物质作为基体来装载相变材料，即使在液态下由于多孔性基体会通过毛细作用将液体状态下的相变材料牢牢吸附在其三维网状结构中。除此之外，选用热导率高的基体材料，还可以有效提高热导率。多年来，科研工作者们在这方面做了许多尝试，留下了许多有价值的成果。