CN107418520A - 一种相变储能介质及制备方法和应用 - Google Patents

一种相变储能介质及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种相变储能介质及制备方法，由重量百分比为28‑35wt.％硝酸镁,30‑38wt.％硝酸铵和3‑12wt.％的硝酸钠和20‑26wt.％的水组成。将上述成分按配比混合加热融化，待固相全部熔化为液相后，再搅拌均匀，该液相将在45‑50摄氏度之间全部结晶成固相，释放大量的潜热，当温度升高时，已结晶的固相又会在上述温度区间融化，并吸收大量的热量。由该配方制作的材料可作为相变储能材料使用，使温度控制在45‑50摄氏度之间，为建筑采暖、洗浴等提供相对稳定的热源。本发明的材料具有成本低和循环稳定性好等特点。

Description

一种相变储能介质及制备方法和应用
技术领域：
本发明涉及一种以相变形式储存热能的无机相变材料及其制备方法和应用。
背景技术
建筑采暖(尤其是地暖方式)和洗浴需要提供40-45摄氏度左右的热水，需求量巨大。
由于能量供需的在时间上的不匹配，水利发电厂在夜间、太阳能光伏或风能在发电峰段发出的电得不到充分的利用，导致大量的弃风、弃光和弃水现象，能量浪费巨大。
空气能热水器具有比常规电加热热水器高得多的效率，消耗1千瓦时的电能能依环境温度的不同能产出2-4千瓦时显热的热水。若能在电厂弃风、弃光和弃水时段用空气能热水器生产热水并储存起来，供谷电时段使用，则将产生巨大的经济效益。
然而，常规的一级空气能热水器，在保证能量转化效率的条件下在冬天生产出热水的最高温度在55摄氏度左右。如用热水储能能量，则由于温度升高有限(小于55摄氏度)，储能的能量有限，要大规模的储能则需巨量的水箱。这不仅占用了宝贵的建筑面积，而且能量损失也不可小觑。
如能开发出相变温度在45-50摄氏度左右的相变储能材料，则既可高效地从空气能热水器所产的55摄氏度热水中吸收热量保存，又可能向冷水中释放热量，提供40-45摄氏度左右的热水供建筑采暖或洗浴用。
然而，目前已开发的相变温度在45-50摄氏度左右的相变材料非常之少、成本昂贵且循环使用不稳定。例如Na2S2O3*5H2O和Na2HPO4*7H2O,虽然相变点都在48度左右，但都具有成本贵且循环不稳定，循环2-3次后，就失去温度平台，易失效的缺点。
如何开发出既廉价又稳定可靠的相变温度在45-50摄氏度左右的相变储能材料是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种相变温度在45-50摄氏度，较为环保、成本较低、循环稳定的无机相变储能介质及其制备和应用。
通过多次试验，不断的研究，发明人发现，把硝酸镁、硝酸铵、硝酸钠和水严格控制配制比例，不但可获得一共晶相变温度在47℃左右的储能介质；且令发明人欣喜的是该材料还具有良好的循环稳定性，600次循环以后，仍然可见明显的温度平台。
因此，本发明的技术方案是：
本发明的储能介质由重量百分比为28-35wt.％硝酸镁,30-38wt.％硝酸铵，3-12wt.％硝酸钠和20-26wt.％的水组成。
将硝酸镁、硝酸铵，硝酸钠和水按配比混合搅拌加热，直至所有固体完全熔化成液体。
硝酸镁来源于六水硝酸镁或硝酸镁水溶液或硝酸镁粉末。
硝酸铵和硝酸钠为工业级纯度或化学纯或分析纯的产品，含有小于1wt.％的其它杂质。
六水硝酸镁为工业级纯度或化学纯或分析纯的产品，含有小于1wt.％的其它杂质。
本发明也可以是将六水硝酸镁、硝酸铵和硝酸钠按前述配比混合后，边搅拌边加热，直至所有的物料全部融化为液体，该液体即可作为相变储能介质使用。本发明的作用机理是，发明人通过研究试验发现本发明在硝酸镁-硝酸铵-硝酸钠-水四元体系中存在一个由六水硝酸镁、硝酸铵和硝酸钠所组成的共晶点，该点的共晶温度为47℃左右。本发明的储能介质当冷却到47摄氏度以下时，液体会全部转化为固体，并释放出大量的热。当把所得固体加热到47摄氏度以上时，材料融化成液体，同时吸收大量的热储存。
上述六水硝酸镁可通过市售购买获得，也可通过浓缩结晶硝酸镁溶液制得，还可通过水与无水硝酸镁按6±0.2:1的摩尔比比例混合制得。上述硝酸铵和硝酸钠可通过市售购买或自制。
上述储能材料亦可由硝酸镁溶液、硝酸铵溶液和硝酸钠溶液调配而成，调配后的材料含硝酸镁28-35wt.％,硝酸铵30-38wt.％,硝酸钠3-12wt.％,水20-26wt.％。
发明的效果：
本发明人通过多次实验研究确定了该室温相变储能介质的组分为硝酸镁、硝酸铵、硝酸钠和水的四元体系及相应的含量，并通过研究及实验发现本发明材料具有相变温度点稳定、相变时固相组成与液相组成一致、相变随温度变化敏感等诸多优点。当热源温度高于48℃时，该储能材料通过自身的融化大量地吸收热量储存，当冷源温度低于46℃时，储能材料通过凝固释放大量的热量，提供40-45度的热水，供建筑采暖和(或)洗浴使用。所发明的储能材料的恒温效果见如下实施例。
附图说明
图1本发明的实施例1的储能材料吸放热温度曲线图。
图2本发明的实施例2的储能材料吸放热温度曲线图。
图3本发明的实施例3的储能材料吸放热温度曲线图。
图4本发明的实施例4的储能材料吸放热温度曲线图。
图5本发明的实施例5的储能材料循环稳定性测试图。
图6对比例1的储能材料吸放热温度曲线图。
图7对比例2的储能材料吸放热温度曲线图。
图8对比例3的储能材料吸放热温度曲线图。
图9对比例4的储能材料吸放热温度曲线图。
具体实施方式：
以下实施例是为了更详细地解释本发明，但不是对本发明的限制，本发明可以按发明内容所述的任一方式实施。
实施例1：
把33克硝酸镁、35.7克硝酸铵和7.3克硝酸钠和24克水混合在一起，边搅拌边加热，直至所有固体完全熔化成液体。该液体含33wt.％的硝酸镁、35.7wt.％的硝酸铵,7.3wt.％硝酸钠和24wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，置于室温下，测得介质冷却温度随时间的变化如图1所示，可见，在47℃左右出现一个明显的温度平台，这是由于介质在这一温度下凝固向环境释放大量的热量，从而维持自身温度的稳定。观察介质的结晶行为可见，在48℃时，介质完全为液态，而在45℃时，介质几乎完全转变为固态。
再将该固体材料升温，升温曲线如图1所示。可见，在48℃左右有一个明显的温度平台，这是该介质从环境中大量吸收热量的缘故，高于49℃,介质完全融化，因而升温速度加快。
可见，本发明的储能介质能从高于48℃的热源吸收大量的热量储存，以及向低于45℃的介质释放大量的热量，从而实现能量在小温差条件下的高效存放。
实施例2：
把57.1克水六水硝酸镁、35.7克硝酸铵和7.3克硝酸钠混合在一起，搅拌加热至材料全部熔化成液体,该液体含33wt.％硝酸镁、35.7wt.％硝酸铵,7.3wt.％硝酸钠和24wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，按实施例1所描述的条件进行升降温实验，结果如图2实线所示。可见该材料在46－48℃之间亦有明显的温度平台。该材料同样可作为相变储能材料使用。
实施例3
把57.1克水六水硝酸镁、38克硝酸铵和5克硝酸钠混合在一起，，搅拌加热至材料全部熔化成液体,该液体含33wt.％硝酸镁、38wt.％硝酸铵,5wt.％硝酸钠和24wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，按实施例1所描述的条件进行升降温实验，结果如图3实线所示。可见该材料在46－48℃之间亦有明显的温度平台。该材料同样可作为相变储能材料使用。
实施例4
把35克无水水硝酸镁、30克硝酸铵、9克硝酸钠和26克水混合在一起，搅拌加热至材料全部熔化成液体,该液体含35wt.％硝酸镁、30wt.％硝酸铵,9wt.％硝酸钠和26wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，按实施例1所描述的条件进行升降温实验，结果如图4实线所示。可见该材料在46－48℃之间亦有明显的温度平台。该材料同样可作为相变储能材料使用。
实施例5：
把按实施例1所配制的材料，反复进行升降温实验，结果如图5所示，可见，经过600次循环以后，仍然可见明显的温度平台，说明材料的循环稳定性非常好。
对比例1
把25克无水硝酸镁、40克硝酸铵、15克硝酸钠和20克水混合在一起，搅拌加热至材料全部熔化成液体,该液体含25wt.％硝酸镁、40wt.％硝酸铵,15wt.％硝酸钠和20wt.％的水。物质组成范围在本专利权利要求的范围之外。把该液体装于密闭容器中，按实施例1所描述的条件进行升降温实验，结果如图6实线所示。可见，尽管在降温时在44度左右有一温度平台，但相变温度点太低，小于45度的工程储热要求。同时，在升温时几乎没有温度平台，说明材料的储能容量太小，不适合用作相变储热材料使用。
对比例2
把40克无水硝酸镁、20克硝酸铵、1克硝酸钠和39克水混合在一起，搅拌加热至材料全部熔化成液体,该液体含40wt.％硝酸镁、20wt.％硝酸铵,1wt.％硝酸钠和39wt.％的水。物质组成范围在本专利权利要求的范围之外。把该液体装于密闭容器中，按实施例1所描述的条件进行升降温实验，结果如图7实线所示。可见，该配方所得的材料无论在升温还是降温阶段均无平台，说明无相变储能性能，不能用作相变储能材料。
对比例3
把33克硝酸镁、35.7克硝酸锂和7.3克硝酸钠和24克水混合在一起，边搅拌边加热，直至所有固体完全熔化成液体。该液体含33wt.％的硝酸镁、35.7wt.％的硝酸锂,7.3wt.％硝酸钠和24wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，置于室温下，测得介质冷却温度随时间的变化如图8所示，可见，该材料在68摄氏度左右有一个升降温温度平台，相变温度太高，不符合本发明的目的。
对比例4
把33克硝酸镁、35.7克硝酸钙和7.3克硝酸钠和24克水混合在一起，边搅拌边加热，直至所有固体完全熔化成液体。该液体含33wt.％的硝酸镁、35.7wt.％的硝酸钙,7.3wt.％硝酸钠和24wt.％的水。把该液体装于密闭容器中，置于室温下，测得介质冷却温度随时间的变化如图9所示，可见该材料在54-59摄氏度之间有一温度平台，相变温度仍然太高，切恒温时间短，储能容量偏低。

Claims (6)

1.一种相变储能介质，其特征在于，由重量百分比为28-35wt.％硝酸镁,30-38wt.％硝酸铵，3-12wt.％硝酸钠和20-26wt.％的水组成。
2.制备权利要求1所述的一种相变储能介质，其特征在于，将硝酸镁、硝酸铵，硝酸钠和水按配比混合搅拌加热，直至所有固体完全熔化成液体。
3.根据权利要求2所述的一种相变储能介质的制备方法，其特征在于，硝酸镁来源于六水硝酸镁或硝酸镁水溶液或硝酸镁粉末。
4.根据权利要求1所述的一种相变储能介质的制备方法，其特征在于，硝酸铵和硝酸钠为工业级纯度或化学纯或分析纯的产品，含有小于1wt.％的其它杂质。
5.根据权利要求3所述的一种相变储能介质的制备方法，其特征在于，六水硝酸镁为工业级纯度或化学纯或分析纯的产品，含有小于1wt.％的其它杂质。
6.权利要求1所述的相变储能介质用于作为相变温度在45-50摄氏度的储能材料。
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