CN103471256A - 纳米熔盐相变储能太阳炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米熔盐相变储能太阳炉，包括菲涅尔聚光器、相变储能换热器、经纬双轴跟踪器、撑杆、V字形平衡支架及底托组成；所述菲涅尔聚光器的聚光焦点处安装有同时具备吸热、释热与储热功能的相变储能换热器，相变储能换热器内装有纳米熔盐复合相变储能材料，相变储能换热器上设有吸热腔和释热炉头，相变储能换热器外包裹保温绝热层；该太阳炉能满足一般家庭生活用热水、做饭、烧烤等用热需求，与传统的直接聚光型太阳灶相比，具备集热温度高、无需露天操作以及夜间无太阳时可继续使用等优点。

Description

纳米熔盐相变储能太阳炉
技术领域
本发明属于太阳能开发利用技术领域，涉及一种纳米熔盐相变储能太阳炉。
背景技术
太阳炉灶是太阳能热利用产品之一，尤其是在我国西北部的农村较多见。太阳灶由于不消耗常规能源和生物质能源在农村有广阔的应用前景。太阳灶是继太阳能热水器普及之后的又一太阳能热点技术。采用科学优化设计，研制成本低、体积小、热效率高、使用寿命长的集热太阳灶，有着广阔的应用前景。
太阳灶主要分为直接型和间接型两种太阳灶。成功实现商业化的直接型太阳灶主要有箱式太阳灶和聚光型太阳灶两种。箱式太阳灶主要由双层保温箱配以单层或者双层玻璃而形成，其工作原理是“温室效应”，即太阳的短波辐射能能够很容易地穿过玻璃进入保温箱，而低温物体发出的长波辐射却不能通过，从而形成进多出少的能流传递方式将热量积蓄起来。这种太阳灶的集热温度一般低于100℃，但结构简单、操作方便，主要用于保温和焖熟食物。聚光型太阳灶通常聚光倍率在50倍以上，聚光温度在300℃以上，聚光型太阳灶因其聚光温度高、结构简单、价格低廉等优点是目前太阳灶中最普通、推广应用最成功的太阳灶。间接型太阳灶（也称室内太阳灶）由于操作者能够避免阳光的直接照射，也备受研究者关注。间接型太阳灶一般以平板式集热器、真空管集热器、槽式抛物面集热管作为集热器，以导热油、水等作为热传导介质，利用高温泵驱动形成一种室内太阳灶，有些也用热管来传热。由于太阳能的间歇性问题，即使一天太阳非常好，但傍晚时分没有太阳，晚上就不可能采用直接型太阳灶。因此带储热的太阳灶应运而生，以显热方式蓄热是最早的储热式太阳灶，常用的显热蓄热材料有：有机合成油、沙子和矿物油。显热储热式太阳灶最大的缺点是其蓄热介质比热低，在烹饪过程中随着蓄热介质温度的降低，其释热效率也不断降低。潜热储热型太阳灶由于其高的储能密度和近似等温的操作温度而备受关注和最有前景。常用的潜热蓄热材料有：硬脂酸（相变温度为55℃）、六水硝酸镁（相变温度为89℃）及两者的混合物、乙酰胺（相变温度为82℃）、乙酰苯胺（相变温度为118℃）以及铝硅合金（相变温度为557℃）。总体而言，直接型太阳灶尽管成本低、结构简单，但避免不了烈日下的暴晒之苦，在有条件的情况下用户不愿意使用；间接型太阳灶可以方便地在室内操作，但成本高，结构复杂，特别是还需要带有高温热驱动，而热管型太阳灶也不成熟，使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米熔盐相变储能太阳炉。该太阳炉采用菲涅尔透镜向下聚光，菲涅尔聚光器将低能流密度的太阳辐射能通过折光透射方式聚焦到同时具备吸热、释热与储热功能的相变储能换热器上，太阳辐射能经聚焦后能流密度增大，同时通过相变储能换热器上带有吸热涂层的吸热腔吸收转换为热能，基于相变储热的原理，热能储存于相变储能换热器内的纳米熔盐复合相变储能材料中，待需要时通过纳米熔盐复合相变储能材料的冷却凝固而释放出来。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种纳米熔盐相变储能太阳炉，包括菲涅尔聚光器1、相变储能换热器2、经纬双轴跟踪器3、撑杆4、V字形平衡支架5及底托6组成；所述的菲涅尔聚光器1由若干根撑杆4支撑，撑杆4的另一端安装在V字形平衡支架5上，V字形平衡支架5安装在经纬双轴跟踪器3的纬轴上，所述相变储能换热器2的一端放置在V字形平衡支架5所带的底托6上，另一端对准菲涅尔聚光器1的聚光焦点，经纬双轴跟踪器3的经轴连接纳米熔盐相变储能太阳炉的底座。
所述的菲涅尔聚光器1由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热压而成，形状为圆形或者方形，聚光倍率为100～1000倍。
所述相变储能换热器2为圆柱体，其外层包裹保温绝热层9，上下两端为炉头保温盖7和吸热腔保温盖13，中间为相变储能换热器内胆10；在相变储能换热器内胆10的上下两端是释热炉头8和吸热腔12，释热炉头8外是炉头保温盖7，吸热腔12外是吸热腔保温盖13，吸热腔12的背部安装4～6根导热用金属棒形肋条11；吸热腔12对准菲涅尔聚光器1的聚光焦点；所述的相变储能换热器内胆10装有纳米熔盐复合相变储能材料；所述的相变储能换热器2吸热时，吸热腔保温盖13打开，炉头保温盖7盖上；释热时，吸热腔保温盖13盖上，炉头保温盖7打开；储热时，炉头保温盖7和吸热腔保温盖13均盖上。
所述的纳米熔盐复合相变储能材料由质量分数为1～5%的膨胀石墨和质量分数为95～99%的主相变材料复合而成，复合过程为将所述比例的膨胀石墨加入到主相变材料的水溶液中，通过超声分散后干燥脱水，所述的主相变材料是硝酸钠(NaNO3)与硝酸钾(KNO3)的二元混合盐，其质量比为4～6:6～4，所述的纳米熔盐复合相变储能材料相变温度为210～230℃，相变潜热为120～150J/g。
 
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
（1）与传统的聚光型太阳灶相比，该纳米熔盐相变储能太阳炉具备储热功能，而且其相变储能换热器可移动至室内作业，无需露天操作以及夜间无太阳时可继续使用等优点。
（2）本发明创造性地采用水溶液技术，利用超声波手段，将膨胀石墨剥离并分散制备出一种纳米熔盐复合相变储能材料，并将其应用于所述的纳米熔盐相变储能太阳炉中。制备的纳米熔盐复合相变储能材料相变温度在210～230℃，相变潜热为120～150J/g，无毒，腐蚀小，主相变材料为廉价的硝酸盐，来源广泛易得。该纳米熔盐复合相变储能材料具有相变温度高、相变潜热大、导热系数高、性能稳定的特性，因而，相对传统的聚光型太阳灶，该纳米熔盐相变储能太阳炉集热温度高，除满足家庭生活用热水、焖煮等需求外，还可以实现煎炒、烧烤等用热需求。
附图说明
图1为本发明的纳米熔盐相变储能太阳炉的结构示意图。
其中：1.菲涅尔聚光器 、2.相变储能换热器 、3.经纬双轴跟踪器 、4.撑杆 、5. V字形平衡支架、6. 底托 。
图2为本发明的相变储能换热器的结构示意图。
其中：7.炉头保温盖、8.释热炉头、9.保温绝热层、10.相变储能换热器内胆、11.导热用金属棒形肋条、12. 吸热腔、13.吸热腔保温盖。
图3为实施例制备出的纳米熔盐复合相变储能材料的DSC曲线。
图4为实施例制备出的纳米熔盐复合相变储能材料的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如附图1所示，一种纳米熔盐相变储能太阳炉，它主要由从上向下聚光的菲涅尔聚光器1、内装纳米熔盐复合相变储能材料的相变储能换热器2以及经纬双轴跟踪器3所构成。
菲涅尔聚光器1由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热压而成，可为圆形或者方形，聚光倍率在100～1000倍范围，菲涅尔聚光器1由若干根撑杆4支撑，撑杆4固定在V字形平衡支架5上，V字形平衡支架5固定在经纬双轴跟踪器3的纬轴上，V字形平衡支架5主要用于抵消因相变储能换热器2的重量而产生的较大扭矩。
将相变储能换热器2放置在V字形平衡支架5所带的底托6上，相变储能换热器2中的相变储能换热器内胆10上下两端是释热炉头8和吸热腔12，在吸热腔12的背部装有4～6根用于导热的金属棒形肋条11，相变储能换热器2的吸热腔12同时对准菲涅尔聚光器1的聚光焦点，相变储能换热器2器壁外面包裹有保温绝热层9，释热炉头8外有炉头保温盖7，吸热腔12外有吸热腔保温盖13，所述的相变储能换热器2可移动，同时具备吸热、释热与储热功能，当相变储能换热器吸热时吸热腔保温盖打开，炉头保温盖盖上，释热时吸热腔保温盖盖上，炉头保温盖打开，储热时炉头保温盖和吸热腔保温盖均盖上。
所述纳米熔盐复合相变储能材料由质量分数为1～5%的膨胀石墨和质量分数为95～99%的主相变材料复合而成，复合过程为将所述比例的膨胀石墨加入到主相变材料的水溶液中，通过超声分散后干燥脱水，所述的主相变材料是硝酸钠(NaNO3)和硝酸钾(KNO3)的二元混合盐，质量比为4～6:6～4。
纳米熔盐复合相变储能材料的制备，称取12g实验纯硝酸钠和8g实验纯硝酸钾，混合后溶解在去离子水中，得到主相变材料的水溶液；称取0.5g膨胀石墨，加入前述水溶液中，搅拌混合后超声分散90min，超声功率为700W，然后干燥脱水，干燥温度为280℃左右，干燥时间5小时，以保证水分充分蒸发，最后研磨封存待用。测试表明，纳米熔盐复合相变储能材料相变温度为220.9℃，相变潜热为128.7J/g，见附图3。

Claims (4)

1.一种纳米熔盐相变储能太阳炉，其特征在于：包括菲涅尔聚光器（1）、相变储能换热器（2）、经纬双轴跟踪器（3）、撑杆（4）、V字形平衡支架（5）及底托（6）组成；所述的菲涅尔聚光器（1）由若干根撑杆（4）支撑，撑杆（4）的另一端安装在V字形平衡支架（5）上，V字形平衡支架（5）安装在经纬双轴跟踪器（3）的纬轴上，所述相变储能换热器（2）的一端放置在V字形平衡支架（5）所带的底托（6）上，另一端对准菲涅尔聚光器（1）的聚光焦点，经纬双轴跟踪器（3）的经轴连接纳米熔盐相变储能太阳炉的底座。
2.根据权利要求1所述的纳米熔盐相变储能太阳炉，其特征在于：所述的菲涅尔聚光器（1）由聚甲基丙烯酸甲酯热压而成，形状为圆形或者方形，聚光倍率为100～1000倍。
3.根据权利要求1所述的纳米熔盐相变储能太阳炉，其特征在于：所述相变储能换热器（2）为圆柱体，其外层包裹保温绝热层（9），上下两端为炉头保温盖（7）和吸热腔保温盖（13），中间为相变储能换热器内胆（10）；在相变储能换热器内胆（10）的上下两端是释热炉头（8）和吸热腔（12），释热炉头（8）外是炉头保温盖（7），吸热腔（12）外是吸热腔保温盖（13），吸热腔（12）的背部安装4～6根导热用金属棒形肋条（11）；吸热腔（12）对准菲涅尔聚光器（1）的聚光焦点；所述的相变储能换热器内胆（10）装有纳米熔盐复合相变储能材料；所述的相变储能换热器（2）吸热时，吸热腔保温盖（13）打开，炉头保温盖（7）盖上；释热时，吸热腔保温盖（13）盖上，炉头保温盖（7）打开；储热时，炉头保温盖（7）和吸热腔保温盖（13）均盖上。
4.根据权利要求3所述的纳米熔盐相变储能太阳炉，其特征在于：所述的纳米熔盐复合相变储能材料由质量分数为1～5%的膨胀石墨和质量分数为95～99%的主相变材料复合而成，复合过程为将所述比例的膨胀石墨加入到主相变材料的水溶液中，通过超声分散后干燥脱水，所述的主相变材料是硝酸钠与硝酸钾的二元混合盐，其质量比为4～6:6～4，所述的纳米熔盐复合相变储能材料相变温度为210～230℃，相变潜热为120～150J/g。
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