CN109735310A - 一种全光谱光热转换储热材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种全光谱光热转换储热材料及其制备方法，该储热材料由能够发生热化学反应的储热物质和具有全光谱太阳能光热转换功能的光谱吸收增强物质组成，该材料的制备方法包括以下步骤：(1)制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成，溶液a中溶质为制备步骤完成后能够发生热化学反应的物质，溶液b中溶质为制备步骤完成后能够增强光谱吸收的物质；(2)水浴蒸发前驱体溶液中的水分，直至得到湿凝胶；(3)陈化；(4)干燥至得到蓬松固体；(5)将蓬松固体破碎研磨至颗粒状；(6)将得到的颗粒进行煅烧，退火至室温。该材料可以实现在太阳光能量集中的波长280nm‑2000nm范围内的光热转换，与热化学储热结合，简化了集热与储热系统。

Description

一种全光谱光热转换储热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换储热材料及其制备方法，更具体地，涉及一种全光谱光热转换储热材料及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，获取最容易。但是太阳能受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约呈现不稳定性和不连续性。为了保证太阳能利用稳定运行,就需要储热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，以满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。现有储热方法耐高温性能差，制约着光热发电效率的提升，且储热方法储热密度偏低、凝固点高、传热性能差，导致储热系统庞大、热效率低。热化学反应储热体系耐高温性能好、储能密度高、且成本低廉，是具有前景的耐高温大容量低热损储热方法之一。然而，通常可发生热化学反应物质吸收能力较弱，且散射分布趋于各向同性，造成入射到粒子上的大部分太阳能被散射出去，导致太阳辐射无法完全被捕获利用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种全光谱光热转换储热材料，该储热材料能够吸收全光谱太阳能，进行光热转换及储热。本发明的另一目的是提供该材料的制备方法。
技术方案：本发明所述一种全光谱光热转换储热材料，该材料由储热物质和光谱吸收增强物质组成，其中储热物质为储热物质为能够发生热化学反应的物质。
该储热材料为多孔结构。
其组成部分中的光谱吸收增强物质为具有全光谱太阳能光热转换功能的物质，如氧化铁、氧化铜或者氧化钴这样的金属氧化物，尤其是氧化钴。
本发明所述储热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成，溶液a中溶质为制备步骤完成后能够发生热化学反应的物质，溶液b中溶质为制备步骤完成后能够增强光谱吸收的物质； (2)水浴蒸发前驱体溶液中的水分，直至得到湿凝胶；(3)陈化；(4)干燥至得到蓬松固体；(5)将蓬松固体破碎研磨至颗粒状；(6)将得到的颗粒进行煅烧，退火至室温。
材料中，光谱吸收增强物质吸收太阳能中的光子能量，并转化成热能，储热物质将热能转换为化学能并储存于反应介质中，需要使用时再通过逆向热化学反应将化学能逆转成热能并释放出来。
有益效果：1、可以实现在太阳光能量较集中的波长280nm-2000nm范围内光热转换；2、光热转换与热化学储热相结合，把太阳能储存在化学能中，大幅度简化了现有集热与储热系统；3、避免烧结问题，提高了颗粒集储热循环稳定性。
附图说明
图1是吸收曲线。
图2是平均光谱吸收率示意图。
具体实施方式
实施例1
制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成：(1)在室温条件下称取21.434g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到100mL溶液；然后加入8.253g九水硝酸铝，搅拌至完全溶解；称取8.007g碳酸钙，边搅拌边将碳酸钙加入上述溶液，得到溶液a；(2)在室温条件下称取1.398g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到10mL溶液；然后加入1.936g六水硝酸钴，搅拌至完全溶解，得到溶液b；(3)将两种溶液混合均匀得到前驱体溶液。
将装有前驱体溶液的烧杯放到恒温磁力搅拌器中80℃恒温水浴搅拌，使水分蒸发直至溶液变成粘稠的湿凝胶，停止水浴，将湿凝胶转移到表面皿中。将所得湿凝胶在室温下陈化12h；陈化结束后将湿凝胶放到干燥箱内干燥12h，温度为100℃。得到蓬松固体破碎研磨，将研磨得到的颗粒放到管式炉内煅烧，控温程序为：从20℃以5℃/min的速度升温至900℃并保持恒温120min，然后退火至室温，制备成复合CaO-Ca3Al2O6-Ca3Co4O9颗粒。
实施例2
制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成：(1)在室温条件下称取16.811g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到100mL溶液；然后加入8.253g九水硝酸铝，搅拌至完全溶解；称取8.007g碳酸钙，边搅拌边将碳酸钙加入上述溶液，得到溶液a；(2)在室温条件下称取0.878g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到10mL溶液；然后加入1.514g三水硝酸铜，搅拌至完全溶解，得到溶液b；(3)将两种溶液混合均匀得到前驱体溶液。
将装有前驱体溶液的烧杯放到恒温磁力搅拌器中80℃恒温水浴搅拌，使水分蒸发直至溶液变成粘稠的湿凝胶，停止水浴，将湿凝胶转移到表面皿中。将所得湿凝胶在室温下陈化12h；陈化结束后将湿凝胶放到干燥箱内干燥12h，温度为100℃。得到蓬松固体破碎研磨，将研磨得到的颗粒放到管式炉内煅烧，控温程序为：从20℃以5℃/min的速度升温至900℃并保持恒温120min，然后退火至室温，制备成复合CaO-Ca3Al2O6-CaCu2O3颗粒。
实施例3
制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成：(1)在室温条件下称取15.256g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到100mL溶液；然后加入7.479g九水硝酸铝，搅拌至完全溶解；称取7.265g碳酸钙，边搅拌边将碳酸钙加入上述溶液，得到溶液a；(2)在室温条件下称取1.068g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到10mL溶液；然后加入2.055g九水硝酸铁，搅拌至完全溶解，得到溶液b；(3)将两种溶液混合均匀得到前驱体溶液。
将装有前驱体溶液的烧杯放到恒温磁力搅拌器中80℃恒温水浴搅拌，使水分蒸发直至溶液变成粘稠的湿凝胶，停止水浴，将湿凝胶转移到表面皿中。将所
得湿凝胶在室温下陈化12h；陈化结束后将湿凝胶放到干燥箱内干燥12h，温度为100℃。得到蓬松固体破碎研磨，将研磨得到的颗粒放到管式炉内煅烧，控温程序为：从20℃以5℃/min的速度升温至900℃并保持恒温120min，然后退火至室温，制备成复合CaO-Ca3Al2O6-Ca2Fe2O5颗粒。
比较例
制备前驱体溶液，前驱体溶液为单一溶液a：在室温条件下称取16.811g一水柠檬酸置于干净的烧杯中，加去离子水溶解得到100mL溶液；然后加入8.253g 九水硝酸铝，搅拌至完全溶解；称取8.007g碳酸钙，边搅拌边将碳酸钙加入上述溶液，得到溶液a。
将装有前驱体溶液的烧杯放到恒温磁力搅拌器中80℃恒温水浴搅拌，使水分蒸发直至溶液变成粘稠的湿凝胶，停止水浴，将湿凝胶转移到表面皿中。将所得湿凝胶在室温下陈化12h；陈化结束后将湿凝胶放到干燥箱内干燥12h，温度为100℃。得到蓬松固体破碎研磨，将研磨得到的颗粒放到管式炉内煅烧，控温程序为：从20℃以5℃/min的速度升温至900℃并保持恒温120min，然后退火至室温，制备成复合CaO-Ca3Al2O6颗粒。
对得到的复合CaO-Ca3Al2O6颗粒、复合CaO-Ca3Al2O6-Ca3Co4O9颗粒、复合CaO-Ca3Al2O6-CaCu2O3颗粒和复合CaO-Ca3Al2O6-Ca2Fe2O5颗粒进行吸收测试，得到图1所示的四种样品的吸收曲线，可以看出，相比于不含有光谱吸收增强物质的复合CaO-Ca3Al2O6颗粒，其他三种复合颗粒在200nm-2000nm范围内的吸收率更高，吸收范围更广。
经过计算，在280nm-2000nm波段内，复合CaO-Ca3Al2O6-Ca3Co4O9颗粒的平均吸收率为88.56％，复合CaO-Ca3Al2O6-CaCu2O3颗粒的平均吸收率为74.05％，复合CaO-Ca3Al2O6-Ca2Fe2O5颗粒的平均吸收率为61.75％，复合CaO-Ca3Al2O6颗粒的平均吸收率为4.97％，结果如图2所示。

Claims (7)

1.一种全光谱光热转换储热材料，其特征在于，该材料由储热物质和光谱吸收增强物质组成，其中储热物质为能够发生热化学反应的物质。
2.根据权利要求1所述的全光谱光热转换储热材料，其特征在于，所述材料为多孔结构。
3.根据权利要求1所述的全光谱光热转换储热材料，其特征在于，所述光谱吸收增强物质为具有全光谱太阳能光热转换功能的物质。
4.根据权利要求3所述的全光谱光热转换储热材料，其特征在于，所述光谱吸收增强物质为金属氧化物。
5.根据权利要求4所述的全光谱光热转换储热材料，其特征在于，所述光谱吸收增强物质为氧化铁、氧化铜或者氧化钴。
6.根据权利要求5所述的全光谱光热转换储热材料，其特征在于，所述光谱吸收增强物质为氧化钴。
7.一种权利要求1所述的全光谱光热转换储热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备前驱体溶液，前驱体溶液由溶液a和溶液b混合而成，溶液a中溶质为制备步骤完成后能够发生热化学反应的物质，溶液b中溶质为制备步骤完成后能够增强光谱吸收的物质；(2)水浴蒸发前驱体溶液中的水分，直至得到湿凝胶；(3)陈化；(4)干燥至得到蓬松固体；(5)将蓬松固体破碎研磨至颗粒状；(6)将得到的颗粒进行煅烧，退火至室温。
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