CN109974315A - 一种快速高容量的太阳能储热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速高容量的太阳能储热装置，包括储热罐、装填在储热罐内的储热材料，以及可在处于液态的储热材料中移动的光热转化网。与现有技术相比，本发明所提出的移动式界面加热的太阳能储热技术具有充热速度快、储热效率高、成本低、结构简单、操作方便等优势，储存的热量可以用于直接加热水、供暖供热、太阳能发电等众多领域。

Description

一种快速高容量的太阳能储热装置
技术领域
本发明属于太阳能储热技术领域，涉及一种快速高容量的太阳能储热装置。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源，具有获取途径广泛、取之不尽的特性，促进了现代社会的可持续发展。在众多太阳能应用形式中，太阳能光热利用技术，将大量的太阳能收集并转化成热能，利用热能驱动相关的设备，其被视为最经济、最直接的利用方式之一。然而，太阳能光照比较分散，并且受天气、昼夜的影响比较大，造成太阳能供给不足。太阳能储能系统，将收集的部分太阳能储存起来，在太阳能不足的情况下释放所存储的能量，这种技术极大提高了太阳能系统的效率，克服了天气、昼夜带来的不利影响。
在众多太阳能储热系统中，利用固-液相变储能，具有存储能量大、相变温度保持不变等特点，受到国内外专家学者的广泛关注。相对于当前广泛研究的基于有机石蜡等相变材料的低温太阳能储热系统，基于熔盐的太阳能光热储能系统能提供更高的热能密度和加热温度，应用范围更为广泛。当前的相变储热系统都是基于热传导方式对相变材料进行充热。具体来说，是利用太阳能集热涂层材料将太阳能转换成热能，产生的热传导至相变材料内部，促进储热材料发生固-液相变进行储热。然而，与其他相变储热材料类似，熔盐的导热率较小，通常小于1W/m K，导致由太阳能集热材料转化的热能，很难传输到熔盐体系内部，限制了储热系统的充热速度，造成太阳能集热处的热量不断聚集，导致局部过热和热能的浪费损耗。
过去的研究主要集中在通过在熔盐相变材料内部填充高导热率材料，以提高熔盐相变材料的导热率。但是，由于添加材料与基体储热材料的密度和极性的差异，添加的高导热颗粒在熔盐发生相变后，容易产生相分离现象。此外，高温熔盐储热材料具有很强的腐蚀性，对填充材料的选择具有很高的要求。目前为止，人们尝试将金属泡沫、金属颗粒、膨胀石墨和碳纳米管等高导热率填料加入到熔盐储热材料中，以提高了熔盐材料的有效导热率。然而，相关研究发现，直接将高导热率的填充材料加入到熔盐相变材料中，对提高熔盐的导热率提升非常有限，有效的提高熔盐储热材料的导热率还需要额外采用机械压缩，形成结构更为紧密的复合材料。但是，通过压缩的方式形成的复合相变储热材料，在多次加热、冷却循环后，同样会产生相分离现象。而且，添加的高导热填料往往极大地降低了熔盐相变储热材料的储热能力。因此，针对当前太阳能储热系统存在充热速度慢、结构复杂、效率低等问题，发展新型快速、高容量太阳能储热技术迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速高容量的太阳能储热装置，所提出的移动式界面加热的太阳能储热技术具有充热速度快、储热效率高、成本低、结构简单、操作方便等优势，储存的热量可以用于直接加热水、供暖供热、太阳能发电等众多领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种快速高容量的太阳能储热装置，包括储热罐、装填在储热罐内的储热材料，以及可在处于液态的储热材料中移动的光热转化网。
储热材料为常温下液态或加热后可熔融的材料(优选的，材料处于液态时，其透光，透光率越高越好)，进一步的，所述储热材料为熔盐、有机石蜡、硅油或水等。更进一步的，所述储热材料为熔融液体态透光的熔盐。
进一步的，所述熔盐为成分为60wt％NaNO3和40wt％KNO3共晶熔盐。
进一步的，所述光热转化网由网状本体和涂布在网状本体上的光热转化材料组成。
更进一步的，所述光热转化材料为碳黑、纳米石墨片、石墨烯或碳纳米管。
更进一步的，所述光热转化材料通过连接材料涂布在网状本体上。
更进一步优选的，所述连接材料为聚二甲基硅氧烷或氧化硅。
进一步的，所述光热转化网由外部机械结构驱动在处于液态的储热材料中移动。
进一步的，所述光热转化网为具有磁响应的网状结构(如表面涂布有光热转化材料的黑色铁网等)，其通过位于储热罐外的磁铁引导并在液态的储热材料中移动。
更进一步的，所述磁铁为钕铁硼强磁铁或电磁铁等。
本发明的储热装置的充热过程具体如下：以熔盐作为储热材料为例，当太阳光照射到磁响应(即磁性)的光热转化网后，太阳能被转换成热能，并迅速加热与光热转化网相接触区附近的熔盐。与此同时，在磁场的作用下，光热转化网能够快速穿过熔融的液态熔盐，并移动至熔盐固-液界面处。入射的太阳光穿过透光的熔盐液体区，直接到达光热转化网表面进行光热转换，继续加热融化固液界面处的熔盐储热材料，由此持续地将固态熔盐融化为液态，从而实现太阳能在相变储热材料中的快速热储存。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提出的一种新型太阳能快速储热技术，基于移动式充热，实现太阳能热的快速热储存。
(2)本发明提出的一种新型太阳能快速储热技术，存储的太阳能热主要以相变潜热的形式储存在高温熔盐储热材料中，储热材料的温度分布比较均匀，不会产生过热区域，有助于减少储热系统的热损失，提高系统太阳能光热储存效率。
(3)本发明提出的一种新型太阳能快速储热技术，避免了传统储热系统因添加额外的高导热率填料导致储热容量下降、系统重量增加、稳定性降低等问题，能够保持储热材料的焓值不变，可以实现多次长时间稳定充热。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中光热转化网的方框部分的放大示意图
图中标记说明：
1-储热罐，2-光热转化网，3-储热材料，4-磁铁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的材料或处理技术等，则表明所采用的为本领域的常规市售产品或常规技术。
实施例1
一种快速高容量的太阳能储热装置，其包括储热罐1，可移动的太阳能吸光材料，具体选用具有磁响应的光热转化网2，储热材料3选用高温熔盐，熔盐成分为60wt％NaNO3和40wt％KNO3，磁铁4选用钕铁硼强磁铁。
参见图1所示，磁性的光热转化网2位于储热材料3的顶部，磁铁4位于整个储热系统的底部。当太阳光照射到光热转化网2后，太阳能被转化成热能，并融化高温熔盐相变材料。在底部磁铁4的吸引作用下，磁性的光热转化网2能够快速穿过融化后的熔盐，并迅速向下移动至熔盐固液界面处。由于液相熔盐对太阳光具有很强的透光率，因此，入射的太阳光能够穿透液相熔盐，直接到达磁性光热转化网2的表面，进而被吸收转化为热能，继续加热融化固液界面处的储热材料3，从而加速储热系统的充热过程。
实施例2
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，进一步记载了磁性的光热转化网2的制备过程：
首先，配制具有光热转换功能的表面修饰溶液，配制方法如下：称取一定质量的聚二甲基硅氧烷(PDMS，本实施例优选采用Dow Corning Sylgard 184组分A)，溶解于稀释剂正己烷中，并按照一定的比例加入纳米石墨片、交联剂(本实施例优选采用Dow CorningSylgard 184组分B)。配制的溶液放置于在室温下，通过磁力搅拌均匀。在溶液配制过程中，PDMS、交联剂、纳米石墨片和正己烷的质量比为1:0.1:1:25。
在对铁网表面修饰前，需要对铁网表面进行清洗。首先，铁网依次浸入到丙酮、乙醇溶液中，超声清洗10分钟，然后用去离子水洗去铁网表面的化学残留物。将清洗后的铁网浸入到表面修饰溶液中，静置2分钟后，取出被修饰后的铁网，放入烘干箱内。在60℃下，PDMS与交联剂发生交联反应，同时，稀释剂正己烷不断挥发，PDMS逐渐固化。样品烘干24小时后，即可得到磁性光热转化网2。
实施例3
本实施例中，光热转化网2的光热转化材料改为选用碳黑，其他过程如实施例2。
实施例4
本实施例中，光热转化网2的光热转化材料改为选用石墨烯，其他过程如实施例2。本实施例中，石墨烯还可以采用碳纳米管替换。
实施例5
本实施例中，储热材料3选用石蜡，磁铁4选用钕铁硼强磁铁，充热过程如实施例1。
实施例6
本实施例中，储热材料3选用硅油，磁铁4选用钕铁硼强磁铁，充热过程如实施例1。本实施例中，硅油还可以采用水替代。
实施例7
本实施例中，磁铁4选用电磁铁。在电磁铁的作用下，实现磁性光热转化网2在太阳能储热材料3内移动，加速储热材料3充热速度。
实施例8
本实施例中，可移动的太阳能吸光材料选用机械调节的光热转化网2，通过位于储热罐1外部的机械结构，实现太阳能吸光材料在储热材料3内移动，加速储热材料3充热速度，其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，包括储热罐、装填在储热罐内的储热材料，以及可在处于液态的储热材料中移动的光热转化网。
2.根据权利要求1所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述储热材料为熔盐、有机石蜡、硅油或水。
3.根据权利要求2所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述储热材料为熔融液体态透光的熔盐。
4.根据权利要求1或3所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述熔盐为成分为60wt％NaNO3和40wt％KNO3共晶熔盐。
5.根据权利要求1所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述光热转化网由网状本体和涂布在网状本体上的光热转化材料组成。
6.根据权利要求5所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述光热转化材料为碳黑、纳米石墨片、石墨烯或碳纳米管。
7.根据权利要求5所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述光热转化材料通过连接材料涂布在网状本体上。
8.根据权利要求7所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述连接材料为聚二甲基硅氧烷或氧化硅。
9.根据权利要求1所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述光热转化网由外部机械结构驱动在处于液态的储热材料中移动。
10.根据权利要求1所述的一种快速高容量的太阳能储热装置，其特征在于，所述光热转化网为具有磁响应的网状结构，其通过位于储热罐外的磁铁引导并在液态的储热材料中移动。
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