CN103059816A - 一种高效相变储能材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效相变储能材料及其制备方法，该高效相变储能材料包括复合无机水合盐和添加剂，所述复合无机水合盐由40 ~55重量份的Na₂HPO₄·12H₂O、24 ~35重量份的Na₂SO₄·10H₂O以及4~30重量份的Na₂CO₃·10H₂O组成，添加剂为去离子水、硼砂、高吸水性树脂（SAP）、硝酸铵或氯化钠等。本发明提供的高效相变储能材料针对基料中几种无机水合盐之间不同的配比可分别加入不同的助剂以提升其效果，助剂种类少且添加量低，提高了相变储能材料良好性能，具有原料丰富，价格低廉，相变潜热大，腐蚀性小，储能密度大等优点，且相变温度在0~23℃之间，在储冷保鲜和建筑环保节能领域具有广泛的应用前景。

Description

一种高效相变储能材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及相变储能材料，具体的说是一种高效相变储能材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的物质基础，储能技术作为能源科学技术的重要分支是提高能源利用率的有效手段之一。其中，相变储能技术是以相变储能材料为基础的高新技术，由于其良好的储热性能而被广泛地应用于工业、农业、电子、建筑、航天等各个领域。

广义上的相变材料是指能被利用其在物态变化时所吸收（放出）的大量热能用于能量储存的材料，可分为固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液气相变材料，但狭义上相变材料通常是指固-液相变材料。相变材料按其物质类型可分为有机相变材料和无机相变材料。有机相变材料无过冷和相分离、材料腐蚀性小、稳定性好，但由于其储能密度小、导热性差以及高成本等缺点，使其尽停留于实验研究阶段；相比而言，无机相变材料潜热高、储能密度大、导热性好、原料丰富、价格低廉而被广泛应用于实际生产中。

Na₂HPO₄·12H₂O是低温相变材料中储热密度较大的无机水合盐之一，但它存在严重的过冷现象，又属于非协调性融解，存在相分离现象。经实验测定，纯Na₂HPO₄·12H₂O相变温度为36.34℃，过冷度高达11.2℃，从而阻碍了其实际应用。对于改善相分离现象，美国专利US 4252 661所述，在Na₂HPO₄·12H₂O体系中添加了0.5% ~ 5%的水，但对于改性后的热性能，文献并没有叙述，只提及与未添加水的体系相比，添加额外水后的体系在经过一系列循环后依然可以保持和好的可逆性。可见只单纯地添加额外水并不能很好的解决过冷和相分离现象。

Na₂SO₄·10H₂O对于室温储能具有储热密度高，相变温度适宜等优点，此外，原料丰富，是无机水合盐中最为廉价的物质之一。但Na₂SO₄·10H₂O的融解过程属于非协调性融解，存在严重的相分离现象。经实验测定，纯Na₂SO₄·10H₂O在经过3~4次热循环后，体系中出现明显的相分离现象，且相变焓从原先的241 kJ/kg衰减到20~30 kJ/kg，从而失去了其应用价值。

通过检索发现相关专利有：一种定形复合相变材料及其制备方法（CN101560376A），其实施步骤为：步骤一，按质量比将配方中的原料Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O、硼砂和羧甲基纤维素钠混合，成为无机相变混合材料；步骤二，将无机相变混合材料加热到70℃，加热过程中充分搅拌，使得无机相变混合材料变成液态的饱和溶液；步骤三，利用液体包装机将液态的饱和溶液用聚乙烯材料按照不同的建筑空心砌块的空腔大小封装。

经过对比，上述专利公开文献与本专利申请不相同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足之处，提供一种性能稳定、过冷度小、重复性好且成本低廉、易于实施的、高效相变储能材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高效相变储能材料，所述复合无机水合盐，包括复合无机水合盐，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各自的重量份数分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：40 ~55份，

Na₂SO₄·10H₂O：24 ~35份，

Na₂CO₃·10H₂O：4~30份。

而且，所述高效相变储能材料还包括添加剂，添加剂所包括的组分及其各自的重量份数分别为：

去离子水：3~5份，

硼砂：0~5份，

高吸水性树脂：0~1份，

硝酸铵：0~3份，

氯化钠：0~3份。

而且，所述辅料所包括的组分及其各自的重量份数分别为：去离子水3~5份，其余辅料为0份。

而且，所述辅料所包括的组分及其各自的重量份数分别为：辅料为去离子水3~5份，硼砂4~5份，高吸水性树脂0.1~1份，其余为0。

而且，所述辅料所包括的组分及其各自的重量份数分别为：辅料为去离子水3~5份，硝酸铵1~3份，氯化钠1~3份，其余为0份。

一种高效相变储能材料的制备方法，其步骤为：

⑴ 将主原料Na₂HPO₄·12H₂O，Na₂SO₄·10H₂O和Na₂CO₃·10H₂O及辅料按比例混合，得到相变混合材料；

⑵ 将相变混合材料在65~70℃下加热至完全融化，加热过程中，充分搅拌，混合均匀，即得产品，密封封装。

而且，所述高性能相变储能材料的相变温度在0~23℃，相变潜热值在170 ~215kJ/kg。

⑶ 将利用封装设备对相变材料进行封装。

本发明制备的相变材料具有如下优点：

1、本发明提供的高效相变储能材料以Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O三种结晶水合盐作为基料，具有较大的密度、溶解热以及导热系数，过冷度小于3℃，放热过程稳定、无相分离现象，重复性好。

2、本发明提供的高效相变储能材料通过不同的配比可生产出不同相变温度和相变潜热值的储能材料，相变潜热较大（在175~215 kJ/kg之间），相变温度在0~23℃之间，适用范围较大，是低温至室温范围内的性能良好的储能材料，在储冷保鲜和建筑环保节能领域具有广泛的应用前景。

3、本发明提供的高效相变储能材料针对基料中几种无机水合盐之间不同的配比可分别加入不同的助剂以提升其效果，助剂种类少且添加量低，在提升了相变储能材料良好性能的同时，并不增加经济成本，具有较高的经济效益。

4、本发明通过图表可知，通过加入氯化钠和硝酸铵之后，使相变储能材料的相变温度急剧下降（可达0℃），同时相变潜热值为178kJ/kg，由此在储冷保鲜和建筑节能领域具有广阔的应用前景。

5、本发明制备相变储能材料所涉及的原料丰富、无毒且无腐蚀无腐蚀，制备工艺简单，在将几种无机水合盐熔融成均匀的无机水合盐溶液，易于封装。

具体实施方式

下对本发明的实施例做进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1：

一种高效相变储能材料，包括复合无机水合盐以及混合添加剂，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各组分重量分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：54Kg，

Na₂SO₄·10H₂O：33Kg，

Na₂CO₃·10H₂O：4.5Kg，

混合添加剂的成分及重量分别为：

去离子水：4Kg，

硼砂：4.5Kg。

本实施例采用的各化学组分需密封保存，特别是Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O和Na₂CO₃·10H₂O，常温下暴露在空气中易风化失去结晶水，严重影响其使用性能。本发明所选用的材料在出厂时采用的包装均能满足密封要求，因此只要注意运输过程中不损坏外包装即可。

其制备方法，包括以下步骤：按配料组成，将主原料及添加剂按比例混合，成为相变混合材料；将相变混合材料在65~70℃下加热直至完全融化，加热过程中充分搅拌，使其混合均匀；然后将利用封装设备对相变材料进行封装。

生产过程中应注意以下事项：

⑴ 封装容器可采用塑料或金属容器，形状选择可以是球形、长方形、立方体或圆柱形，但不论采用哪种封装方式，都应保证其与外界的密闭性。

⑵ 由于材料中的主要成分均为无机水合盐，制备过程中温度过高容易脱水变性，因此材料加热温度不能超过70℃。

依照上述配方及工艺制出的相变储能材料呈无色，液态时成透明状。此材料性能稳定，多次循环后相变潜热大于205 kJ/kg，相变温度约22℃，可作为室温相变材料。

实施例2：

一种高效相变储能材料，包括复合无机水合盐以及混合添加剂，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各组分重量分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：53.4Kg，

Na₂SO₄·10H₂O：32.8Kg，

Na₂CO₃·10H₂O：4.3Kg，

混合添加剂的成分及重量分别为：

去离子水：4.3Kg，

硼砂：4.3Kg，

聚丙烯酸钠：0.9Kg，

其制备方法及注意事项同实例1。

依照上述配方及工艺制出的相变储能材料呈无色透明胶状。此材料多次循环后性能稳定，相变潜热大于190 kJ/kg，相变温度在23℃左右，可作为室温相变材料。

实施例3：

一种高效相变储能材料，包括复合无机水合盐和去离子水，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各组分重量分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：49.6Kg，

Na₂SO₄·10H₂O：30.4Kg，

Na₂CO₃·10H₂O：16Kg，

去离子水：4Kg。

其制备方法及注意事项同实例1。

依照上述配方及工艺制出的相变储能材料呈无色透明状液体。此材料相变潜热大于215 kJ/kg，相变温度在18℃左右，可作为室温相变材料。

实施例4：

一种高效相变储能材料，包括复合无机水合盐和去离子水，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各组分重量分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：42.8Kg，

Na₂SO₄·10H₂O：26.2Kg，

Na₂CO₃·10H₂O：27.6Kg，

去离子水：3.4Kg，

其制备方法及注意事项同实例1。

依照上述配方及工艺制出的相变储能材料呈无色透明状液体。此材料相变潜热大于190 kJ/kg，相变温度在14℃左右，可作为低温相变材料。

实施例5：

一种高效相变储能材料，包括复合无机水合盐和添加剂，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各组分重量分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：40.5Kg

Na₂SO₄·10H₂O：24.9Kg

Na₂CO₃·10H₂O：26.1Kg

混合添加剂成分及重量分别为：

去离子水：3.3Kg

硝酸铵：2.6Kg

氯化钠：2.6Kg。

其制备方法及注意事项同实例1。

依照上述配方及工艺制出的相变储能材料呈无色透明状液体。此材料相变潜热大于175 kJ/kg，相变温度在2℃左右，可作为低温相变材料。

以上五种技术配方得到的相变储能材料经反复试验，性能稳定，过冷度小，无相分离现象。上述配方添加剂所占质量百分比较小，对于主料储能的影响很小，所以很好地保持了储能材料的储热能力。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，以上实施例和说明书中描述的只说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书以及等效物界定。

Claims (8)

1.一种高效相变储能材料，其特征在于：包括复合无机水合盐，该复合无机水合盐由Na₂HPO₄·12H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O组成，其各自的重量份数分别为：

Na₂HPO₄·12H₂O：40 ~55份，

Na₂SO₄·10H₂O：24 ~35份，

Na₂CO₃·10H₂O：4~30份。

2.根据权利要求1所述的高效相变储能材料，其特征在于：还包括添加剂，所述添加剂所包括的组分及其各自的重量份数分别为：

去离子水：3~5份，

硼砂：0~5份，

高吸水性树脂：0~1份，

硝酸铵：0~3份，

氯化钠：0~3份。

3.根据权利要求2所述的高效相变储能材料，其特征在于：所述高吸水性树脂为聚丙烯酸钠。

4.根据权利要求2所述的高效相变储能材料，其特征在于：所述添加剂所包括的组分及其各自的重量份数分别为：去离子水3~5份，其余辅料为0份。

5.根据权利要求2所述的高效相变储能材料，其特征在于：所述添加剂所包括的组分及其各自的重量份数分别为：辅料为去离子水3~5份，硼砂4~5份，高吸水性树脂0.1~1份，其余为0份。

6.根据权利要求2所述的高效相变储能材料，其特征在于：所述添加剂所包括的组分及其各自的重量份数分别为：辅料为去离子水3~5份，硝酸铵1~3份，氯化钠1~3份，其余为0份。

7.一种制备如权利要求2~6任意权利要求所述的高效相变储能材料的方法，其特征在于：其步骤为：

⑴ 将主原料Na₂HPO₄·12H₂O，Na₂SO₄·10H₂O和Na₂CO₃·10H₂O及辅料按比例混合，得到相变混合材料；

⑵ 将相变混合材料在65~70℃下加热至完全融化，加热过程中，充分搅拌，混合均匀，即得产品，密封封装。

8.根据权利要求2~6任意权利要求所述的高效相变储能材料，其特征在于：所述高性能相变储能材料的相变温度在0~23℃，相变潜热值在170~215kJ/kg。