CN110878198B - 一种储存太阳能热量的相变材料及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种储存太阳能热量的相变材料，涉及相变储能材料技术领域，解决现有技术中存在相分离现象、需要加入增稠剂的技术问题。该材料至少包括以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠40～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。相变材料为一种新型材料，形成的新型复合材料无相分离现象，不需要加入增稠剂，且过冷度小、不需要加入成核剂，使用寿命长。

Description

一种储存太阳能热量的相变材料及其制备方法、应用
【技术领域】
本发明涉及相变储能材料技术领域，具体涉及一种储存太阳能热量的复合相变材料及其制备方法、应用。
【背景技术】
随着人们对生活质量要求逐渐提高，对保护环境的意识的越来越强。近几年，环境污染所带来的问题已经涉及到社会民生，国家也出台各种鼓励使用清洁能源的政策，例如：煤改气、煤改电、太阳能等其他绿色清洁能源。在未来，清洁能源将会取代传统石化类能源作为生活的主要方式。在清洁能源中，太阳能的使用是最为成熟与普遍，但其时间与空间的不匹配导致实际应用仍然有一些局限性，如何能够将太阳能热量更好的储存，并与其他的热源方式相结合是急需解决的重要问题。而相变材料得到广泛的应用，其有恒定的相变点，具有较高的热焓值和占地面积较小等优势。其中，无机水合盐相变材料由于成本低，阻燃性能好，密度大成为研究热点。
但是，无机相变材料也普遍面临过冷度大、相分离、热能衰减严重等问题。针对过冷度问题，目前较为普遍的方法是加入成核剂。解决无机相变材料出现的相分离和过冷度，延长材料的使用寿命，降低热焓值衰减率，仍然是阻碍无机水合盐相变材料的推广的关键。
现有技术“CN102079974A”公开了“一种储存昼夜温差能的相变材料”，具体公开了“由以下重量百分比的原料混合而成：CaCl2·6H2O 100份，SrCl2·6H2O 1-3份，羟甲基纤维素钠3-4份”，采用SrCl2·6H2O作为成核剂解决CaCl2.6H2O的过冷度。
现有技术“CN107841292A”,公开了“一种无机相变材料”，具体公开了“该材料包括以下重量份数原料组成：十水硫酸钠75～85份，氯化钠8～12份，硼砂2～4份，增稠添加剂6～10份”采用加入硼砂作为成核剂解决NaSO4.10H2O的过冷度。
现有技术“CN 108300418 A”公开一种“一种凝胶相变材料”，其采用采用聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠作为增稠剂。
现有技术“CN 102660231 A”公开“一种无机相变材料”，采用高吸水性树脂和其他高分子材料作为增稠剂。
发明人发现，现有技术至少存在以下缺陷：
1.需要添加增稠剂，存在相分离现象。增稠剂的加入不仅降低了相变材料的热焓值和导热系数，并且随着热循环次数的增多，高分子类增稠剂出现疲劳性、不可恢复状态；伴随着热循环的增加，材料的相分离现象仍然会出现，进而导致材料热焓值降低、寿命的急剧缩短；
2.过冷度大需要加入成核剂，但是成核剂分散不好，仍然会沉于底部，成核作用渐渐失效，加入成核剂仅仅是解决了部分材料的成核，成核剂的分散不均匀使得经过多次循环后会全部沉积到相变材料的底部，对整个体系的成核也未起到真正的作用，并造成了生产工艺的复杂和生产成本的上升；
3.增稠剂和/或成核剂的加入，降低材料的使用寿命。
【发明内容】
本发明提供一种储存太阳能热量的复合相变材料，解决现有技术中存在相分离现象、需要加入增稠剂的技术问题，本发明优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
本发明所提供的一种储存太阳能热量的相变材料，所述相变材料至少包括以下质量百分比的化学成分：三水醋酸钠40～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
可选的，所述相变材料按以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
可选的，所述相变材料按以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～40份；导热材料10～15份；钾盐1～3份。
可选的，所述相变材料按以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠40～50份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
可选的，所述相变拉伸强度为2.2～2.4cN/dtex，断裂伸长率为41％～46％，热转换效率为81％～84％。
可选的，所述导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种。
可选的，所述钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种。
本发明还提供了一种储存太阳能热量的相变材料的应用，包括以上部分和/或全部技术特征，应用于电器保护、建筑、太阳能和航天航空领域中。
本发明还提供了一种储存太阳能热量的相变材料的制备方法，所述制备方法用于制备以上技术特征全部或部分的相变材料，所述制备方法包括如下步骤：
S1:先将三水醋酸钠加入反应器中进行加热，加热温度至60℃～70℃；
S2:再将三水醋酸钠在反应器中进行搅拌，搅拌至三水醋酸钠完全变为液体均相后，再加入咪唑并搅拌至，混合后的体系变为均相；
S3:其次再加入钾盐，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；然后再加入导热材料，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；
所述钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种；
所述导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种；
S4:最后将相变材料进行压制得到定型后相变材料，经过1000次循环后，无相分离。
可选的，S1所述的加热温度为65℃；S3所述的导热材料为膨胀石墨或二氧化硅；所述钾盐为KCl或K2SO4。
本发明所提供的储存太阳能热量的相变材料，具有以下特征：
本发明的相变材料通过试验表明，不存在相分离现象和不需要加入增稠剂，且能达到对过冷度的要求，具有如下有益效果：
(1)采用加入有机物质咪唑的方法，形成一种新型材料。
(2)形成的新型复合材料无相分离现象，不需要加入增稠剂。
(3)形成的新型复合材料过冷度小，不需要加入成核剂。
(4)加入了导热增加材料，提高体系与外界的热交换效率。
(5)加入钾盐，有效降低结晶水的蒸汽挥发度，延长使用寿命。
【附图说明】
图1为本发明所提供的一种制备储存太阳能热量的相变材料，其温度随时间增长的变化图；
图2为本发明所提供的另一种制备储存太阳能热量的相变材料，其温度随时间增长的变化图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
与本发明主题相关的术语解释相变储能材料：主要指固-液相变材料，材料在固相与液相的相互转变过程中，相变温度恒温，同时吸热或放热。例如，冰和水的转变，0度是相变点，热焓值为吸热或放出333千焦/kg。咪唑是分子结构中含有两个间位氮原子的五元芳杂环化合物，咪唑环中的1-位氮原子的未共用电子对参与环状共轭，氮原子的电子密度降低，使这个氮原子上的氢易以氢离子形式离去。具有酸性，也具有碱性，可与强碱形成盐。分子式C3H4N2
本发明还提供了一种储存太阳能热量的相变材料的应用，应用于电器保护、建筑、太阳能和航天航空领域中。
实施例1
本实施例提供了一种储存太阳能热量的相变材料，所述相变材料至少包括以下质量百分比的化学成分：三水醋酸钠40～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
实施例2
本实施例中储存太阳能热量的相变材料包括以下质量百分比的化学成分：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
实施例3
本实施例中储存太阳能热量的相变材料包括以下质量百分比的化学成分：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～40份；导热材料10～15份；钾盐1～3份。
实施例4
本实施例中储存太阳能热量的相变材料包括以下质量百分比的化学成分：三水醋酸钠40～50份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
实施例1-实施例4中的相变材料进行分析得到：拉伸强度为2.2～2.4cN/dtex，断裂伸长率为41％～46％，热转换效率为81％～84％。
实施例1-实施例4中的导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种；钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种。
实施例5
实施例1-实施例4中的相变材料可以应用在电器保护、建筑、太阳能和航天航空领域中。
实施例6
本发明实施例6提供了一种储存太阳能热量的相变材料的制备方法，所述制备方法用于制备前述实施例1至4所述的相变材料，所述制备方法包括如下步骤：
S1:先将三水醋酸钠加入反应器中进行加热，加热温度至60℃～70℃；
S2:再将三水醋酸钠在反应器中进行搅拌，搅拌至三水醋酸钠完全变为液体均相后，再加入咪唑并搅拌至，混合后的体系变为均相；
S3:其次再加入钾盐，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；然后再加入导热材料，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；
所述钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种；
所述导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种；
S4:最后将相变材料进行压制得到定型后相变材料，经过1000次循环后，无相分离。
进一步的，S1所述的加热温度为65℃；S3所述的导热材料为膨胀石墨或二氧化硅；所述钾盐为KCl或K2SO4。
将上述制备方法制备的储存太阳能热量的相变材料，应用到电器保护、建筑、太阳能和航天航空等领域中。
实施例7
本实施例对实施例6中的制备方法制备的相变材料进行性能测试分析：
1)将40g的三水醋酸钠加入到带有搅拌和加热的反应器中，设置加热温度为65℃，开启搅拌，直至三水醋酸钠完全变为液体均相。加入40g的咪唑，搅拌直到体系变为均相后，再依次加入3g的KCl搅拌后，恒温搅拌形成均匀的复合相变材料。再加入17g的膨胀石墨，继续恒温搅拌形成均匀的复合相变材料，(见表一)。
对所得到的复合相变材料经过1000次循环后，并进行无相分离，试验结果为：其相变温度为45.9℃，过冷至43.3℃结晶，过冷度为2.6℃。试验结果表明其过冷度小于3℃。
原料 三水醋酸钠 咪唑 膨胀石墨 KCl
加入量 40g 40g 17g 3g
表一
2)将50g的三水醋酸钠加入到带有搅拌和加热的反应器中，设置加热温度为65℃，开启搅拌，直至三水醋酸钠完全变为液体均相。加入40g的咪唑，搅拌直到体系变为均相后，再加入2g的K2SO4，恒温搅拌形成均匀的复合相变材料后，再加入8g的膨胀石墨，继续恒温搅拌形成均匀的复合相变材料，(见表二)。
原料 三水醋酸钠 咪唑 二氧化硅 K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
加入量 50g 40g 8g 2g
表二
对所得到的复合相变材料经过1000次循环后，并进行无相分离，试验结果为：其相变温度为45℃，过冷至42.2℃结晶，过冷度为2.8℃。试验结果表明其过冷度小于3℃。
将上述方法制备的材料用于电器保护、建筑、太阳能和航天航空领域中，并进行实验测量，其中：
图1为用表格一数据制备的相变材料所得实验结果，随时间变化其温度的变化图；
图2为用表格二数据制备的相变材料所得实验结果，随时间变化其温度的变化图；
测量结果如图1和图2所示，详见图1和图2。通过试验数据可以得出，以该制备方法制备的储存太阳能热量的相变材料：
在图1所示的数据中：
1-150秒区间段，随着时间增长其温度下降快，由70度将至42度；
200-1090秒之间的区域段，其温度随时间的增长变化幅度小，曲线斜率基本微小变化，整体呈略微下降，在42度的温度点上略有降低；
1090-1288秒之间的区域段，由42度降至35度；
在1288秒之后，其温度不随着时间的增长而变化变化。
在图2所示的数据中：
1-199秒区间段，随着时间增长其温度下降快，由55度将至42度；
200-1189秒之间的区域段，其温度随时间的增长，变化呈现缓慢递减，由42度将至38度；
1190s之后的时间区域段，其温度随着时间的增长而变化微小，接近于不发生变化。
以上对本发明所提供的一种储存太阳能热量的相变材料，进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述材料至少包括以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠40～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
2.如权利要求1所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述相变材料至少包括以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
3.如权利要求2所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述相变材料至少包括以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠50～60份；咪唑30～40份；导热材料10～15份；钾盐1～3份。
4.如权利要求1所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述相变材料至少包括以下重量百分比的原料混合而成：三水醋酸钠40～50份；咪唑30～50份；导热材料8～17份；钾盐1～3份。
5.如权利要求1至4任意一项所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述相变材料拉伸强度为2.2～2.4cN/dtex，断裂伸长率为41％～46％，热转换效率为81％～84％。
6.如权利要求1至4任意一项所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种。
7.如权利要求6所述储存太阳能热量的相变材料，其特征在于，所述钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种。
8.一种储存太阳能热量的相变材料的应用，其特征在于，如权利要求1至7任意一项所述相变材料在电器保护、建筑、太阳能和航天航空领域的应用。
9.一种储存太阳能热量的相变材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1至7任一项所述的储存太阳能热量的相变材料，所述制备方法包括如下步骤：
S1:先将三水醋酸钠加入反应器中进行加热，加热温度至60℃～70℃；
S2:再将三水醋酸钠在反应器中进行搅拌，搅拌至三水醋酸钠完全变为液体均相后；再加入咪唑并搅拌至，混合后的体系变为均相；
S3:其次再加入钾盐，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；然后再加入导热材料，并恒温搅拌形成均匀的复合相变材料；
所述钾盐为KCl、K2SO4、KNO3和K2HPO4中的至少一种；
所述导热材料为膨胀石墨、碳纤维、石墨烯、二氧化硅、泡沫石墨、泡沫铜和泡沫铝中的至少一种；
S4:最后将相变材料进行压制得到定型后相变材料，经过1000次循环后，无相分离。
10.如权利要求9所述储存太阳能热量的相变材料的制备方法，其特征在于，
S1所述的加热温度为65℃；
S3所述的导热材料为膨胀石墨或二氧化硅；所述钾盐为KCl或K2SO4。
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