CN112225506A - 一种太阳能热发电储热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热发电储热材料及其制备方法，属于新能源材料技术领域。本发明研制的产品中包括60‑80份水泥，10‑20份熔盐和干凝胶复合物，0.3‑0.5份减水剂，100‑200份骨料；所述熔盐和干凝胶复合物中，熔盐均匀分散于干凝胶孔隙结构中；所述干凝胶为聚氧化乙烯‑氧化丙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。其中熔盐和干凝胶复合物制备时，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物分散后，搅拌溶解；再于温度为2‑4℃条件下冷藏8‑12h，过滤，洗涤，干燥和粉碎，得熔盐和干凝胶复合物。本发明所得产品可兼具熔盐的良好导热效果以及混凝土的结构稳定效果。

Description

一种太阳能热发电储热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体是一种太阳能热发电储热材料及其制备方法。

背景技术

在目前能源危机的背景下，太阳能热发电技术得到了青睐和重视，储热系统是太阳能热发电系统中不可缺少的部分。因为太阳能有一个很大的缺点就是其不稳定性，例如在阴天多雨的环境还有夜间，即没有阳光的情况下，发电系统就不得不关闭。为了提高电站的工作效率，要求其在这些间歇时间也能正常运转，要满足这个要求，就不得不引入太阳能发电储热系统。

储热是太阳能热发电系统中的重要组成部分，储热材料和换热设备的性能及成本对太阳能电系统的运行参数、一次性投资和运行成本影响很大。用于太阳能发电中的储热材料应满足如下要求：(1)储热材料应有高热容或大相变热；(2)储热材料具有高的导热传导；(3)储热材料应有良好的化学和力学稳定性；(4)储热材料与换热器及换热流体之间有良好的化学相容性；(5)在储热及放热循环过程中应完全可逆；(6)制备和应用成本低。

目前用于太阳能热发电中的储热材料主要有显热储热和潜热储热。显热储热材料主要有卵石、混凝土、熔融盐和油等。其中熔融盐作为具有高温传热/储热一体化功能的流体较为常用。但熔盐存在的问题是当温度低于熔点，熔融盐凝固后发生的体积变化对换热管路的破坏较大，因此采用熔融盐在传热管路上必须采取温控措施，由此会增加电厂运行成本和自身电耗，也影响了系统的安全性。混凝土储热材料由于具有性能稳定、成本低的优点，是用于太阳能热发电的理想候选储热材料之一。混凝土储热材料的每kWh的造价是所有储热材料中最低的，相当于硝酸盐的27％，铸铁的3％，铸钢的1.7％。与硝酸盐类相比，混凝土具有更高的导热系数。德国一公司采用传统的混凝土材料作为储热材料取得一定进展，但是热效率过低造成体积庞大，建设成本过高，因此迫切需要对混凝土储热材料的组成、制备工艺、结构及性能的系统研究，探索并制备出高效率、低成本的新型储热材料，对太阳能热发电技术的发展，具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种专利名称，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种太阳能热发电储热材料，包括以下重量份数的原料：

60-80份水泥，10-20份熔盐和干凝胶复合物，0.3-0.5份减水剂，100-200份骨料；

所述熔盐和干凝胶复合物中，熔盐均匀分散于干凝胶孔隙结构中；

所述干凝胶为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。

进一步地，所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为80-90℃。

进一步地，所述减水剂为木质素磺酸钠、TH-928聚羧酸系减水剂或YZ-1萘系高效减水剂中的任意一种。

进一步地，所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为5：1-3：1复配而成。

进一步地，还包括骨料质量5-10％的硅烷偶联剂，以及骨料质量10-15％的纳米二氧化硅，所述纳米二氧化硅吸附于所述骨料表面；所述硅烷偶联剂吸附于纳米二氧化硅表面。

一种太阳能热发电储热材料的制备方法，具体制备步骤包括：

熔盐和干凝胶的复合：

按重量份数计，于35-40℃条件下，依次取80-100份饱和熔盐溶液，20-40份干凝胶所用聚合物，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物分散后，搅拌溶解；再于温度为2-4℃条件下冷藏8-12h，过滤，干燥和粉碎，得熔盐和干凝胶复合物；

产品的配制：

按重量份数计，依次取60-80份水泥，10-20份熔盐和干凝胶复合物，0.3-0.5份减水剂，100-200份骨料，搅拌混合均匀，出料，包装，即得产品；

所述干凝胶所用聚合物为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。

进一步地，所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为80-90℃。

进一步地，所述减水剂为木质素磺酸钠、TH-928聚羧酸系减水剂或YZ-1萘系高效减水剂中的任意一种。

进一步地，所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为5：1-3：1复配而成。

进一步地，所述具体制备步骤还包括：

骨料的预处理：

向骨料中加入骨料质量10-15％的纳米二氧化硅，球磨混合后，再加入骨料质量5-10％的硅烷偶联剂，继续球磨混合，出料，即完成骨料的预处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)上述技术方案首先在产品制备过程中，先在相对较高的温度条件下，选用该温度条件下的饱和熔盐溶液，此时温度高于聚合物低临界溶解温度，高于该温度条件时，聚合物大部分呈收缩状态，随着温度的降低，聚合物分子链快速转变为高溶胀状态，而此时饱和熔盐溶液因为温度的降低，开始出现结晶，一旦产生晶核即可被溶胀后的聚合物分子链吸附固定，从而使得熔盐晶体均匀分散于聚合物分子链中；随后，随着温度的进一步下降，晶体结晶引起聚合物整体沉降形成凝胶；

(2)上述技术方案通过在产品中添加熔盐和特殊种类的干凝胶，且熔盐均匀分散于干凝胶孔隙结构中，在使用过程中，当温度升高时，熔盐发生熔融，此时因为温度升高反而会引起聚合物收缩，聚合物收缩后形成熔盐的扩散路径，从而在内部形成导热路径；而随着温度的降低，聚合物分子链呈溶胀状态，供存储熔盐晶体；基于上述变化过程，有效解决了在实际使用过程中，混凝土导热系数低，而熔盐性状不稳定的技术矛盾；

(3)上述技术方案进一步在水泥中添加硅烷偶联剂和纳米二氧化硅，首先，纳米二氧化硅吸附于骨料表面，有利于骨料参与水泥的水化反应，与水泥胶凝体系形成有机整体；另外，偶联剂的存在有利于骨料和凝胶网络体系之间的界面热阻降低，从而在聚合物-水泥胶凝体系-骨料之间形成导热网络骨架，强化体系传热，提升导热效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

熔盐和干凝胶的复合：

按重量份数计，于35℃条件下，依次取80份饱和熔盐溶液，20份干凝胶所用聚合物，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物混合后，于温度为35℃，超声频率为45kHz条件下，恒温超声分散10min后，用搅拌器于400r/min，温度为35℃条件下，恒温搅拌溶解6h；随后于温度为2℃条件下冷藏8h，过滤，收集滤饼，再将所得滤饼真空干燥至恒重，得干燥滤饼，随后将干燥滤饼转入粉碎机中，粉碎后过80目筛，得熔盐和干凝胶复合物；

骨料的预处理：

向骨料中加入骨料质量10％的纳米二氧化硅，并按球料质量比为10：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为200r/min，自转转速为400r/min条件下，球磨混合2h后，再加入骨料质量5％的硅烷偶联剂KH-550，继续球磨混合3h，出料，即得预处理骨料；

产品的配制：

按重量份数计，依次取60份42.5#普通硅酸盐水泥，10份熔盐和干凝胶复合物，0.3份减水剂，100份预处理骨料，用搅拌器以300r/min转速搅拌混合45min，出料，包装，即得产品；

所述干凝胶所用聚合物为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物；

所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为80℃；

所述减水剂为木质素磺酸钠；

所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为5：1复配而成。

实施例2

熔盐和干凝胶的复合：

按重量份数计，于38℃条件下，依次取90份饱和熔盐溶液，30份干凝胶所用聚合物，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物混合后，于温度为38℃，超声频率为55kHz条件下，恒温超声分散12min后，用搅拌器于500r/min，温度为38℃条件下，恒温搅拌溶解7h；随后于温度为3℃条件下冷藏10h，过滤，收集滤饼，再将所得滤饼真空干燥至恒重，得干燥滤饼，随后将干燥滤饼转入粉碎机中，粉碎后过100目筛，得熔盐和干凝胶复合物；

骨料的预处理：

向骨料中加入骨料质量12％的纳米二氧化硅，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为260r/min，自转转速为500r/min条件下，球磨混合4h后，再加入骨料质量8％的硅烷偶联剂KH-560，继续球磨混合4h，出料，即得预处理骨料；

产品的配制：

按重量份数计，依次取70份32.5#普通硅酸盐水泥，15份熔盐和干凝胶复合物，0.4份减水剂，150份预处理骨料，用搅拌器以400r/min转速搅拌混合50min，出料，包装，即得产品；

所述干凝胶所用聚合物为聚甲基丙烯酸羟乙酯；

所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为85℃；

所述减水剂为TH-928聚羧酸系减水剂；

所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为3：1复配而成。

实施例3

熔盐和干凝胶的复合：

按重量份数计，于40℃条件下，依次取100份饱和熔盐溶液，40份干凝胶所用聚合物，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物混合后，于温度为40℃，超声频率为65kHz条件下，恒温超声分散15min后，用搅拌器于600r/min，温度为40℃条件下，恒温搅拌溶解8h；随后于温度为4℃条件下冷藏12h，过滤，收集滤饼，再将所得滤饼真空干燥至恒重，得干燥滤饼，随后将干燥滤饼转入粉碎机中，粉碎后过120目筛，得熔盐和干凝胶复合物；

骨料的预处理：

向骨料中加入骨料质量15％的纳米二氧化硅，并按球料质量比为30：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为300r/min，自转转速为600r/min条件下，球磨混合6h后，再加入骨料质量10％的硅烷偶联剂KH-570，继续球磨混合4h，出料，即得预处理骨料；

产品的配制：

按重量份数计，依次取80份42.5#普通硅酸盐水泥，20份熔盐和干凝胶复合物，0.5份减水剂，200份预处理骨料，用搅拌器以500r/min转速搅拌混合60min，出料，包装，即得产品；

所述干凝胶所用聚合物为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物；

所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为90℃；

所述减水剂为YZ-1萘系高效减水剂；

所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为3：1复配而成。

对比例1

本对比例相比于实施例1而言，区别在于，产品中未加入熔盐，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例相比于实施例1而言，区别在于，未加入聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物，其余条件保持不变。

对比例3

本对比例相比于实施例1而言，区别在于，未加入纳米二氧化硅和硅烷偶联剂，其余条件保持不变。

对实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方式和测试结果如下所述：

将上述各实施例和对比例的产品浇筑成型后，于室温条件下养护28d，再进行如下测试：

线膨胀系数：将产品试块加工成尺寸为10mm×5mm×15mm的长方体，再利用德国耐弛公司生产的NETZSCH4型线膨胀测试仪进行测试，测试温度为280℃；

导热系数：选用湘潭市仪器仪表有限公司生产的DRM-1型导热系数测定仪进行测试；

具体检测结果如表1所示：

表1：产品性能测试结果

	线膨胀系数/K<sup>-1</sup>	导热系数/W/(m·K)
			实施例1	3.2×10<sup>-3</sup>	3.68
实施例2	3.1×10<sup>-3</sup>	3.72
			实施例3	3.0×10<sup>-3</sup>	3.96
对比例1	2.6×10<sup>-3</sup>	0.26
			对比例2	2.7×10<sup>-3</sup>	0.98
对比例3	2.5×10<sup>-3</sup>	1.02

由表1测试结果可知，本申请所得产品结构稳定，且具有优异的导热性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种太阳能热发电储热材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

60-80份水泥，10-20份熔盐和干凝胶复合物，0.3-0.5份减水剂，100-200份骨料；

所述熔盐和干凝胶复合物中，熔盐均匀分散于干凝胶孔隙结构中；

所述干凝胶为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能热发电储热材料，其特征在于，所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为80-90℃。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能热发电储热材料，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸钠、TH-928聚羧酸系减水剂或YZ-1萘系高效减水剂中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能热发电储热材料，其特征在于，所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为5：1-3：1复配而成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种太阳能热发电储热材料，其特征在于，还包括骨料质量5-10％的硅烷偶联剂，以及骨料质量10-15％的纳米二氧化硅，所述纳米二氧化硅吸附于所述骨料表面；所述硅烷偶联剂吸附于纳米二氧化硅表面。

6.一种太阳能热发电储热材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

熔盐和干凝胶的复合：

按重量份数计，于35-40℃条件下，依次取80-100份饱和熔盐溶液，20-40份干凝胶所用聚合物，先将饱和熔盐溶液和干凝胶所用聚合物分散后，搅拌溶解；再于温度为2-4℃条件下冷藏8-12h，过滤，干燥和粉碎，得熔盐和干凝胶复合物；

产品的配制：

按重量份数计，依次取60-80份水泥，10-20份熔盐和干凝胶复合物，0.3-0.5份减水剂，100-200份骨料，搅拌混合均匀，出料，包装，即得产品；

所述干凝胶所用聚合物为聚氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的一种太阳能热发电储热材料的制备方法，其特征在于，所述熔盐为低温熔盐，所述低温熔盐的熔点为80-90℃。

8.根据权利要求6所述的一种太阳能热发电储热材料的制备方法，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸钠、TH-928聚羧酸系减水剂或YZ-1萘系高效减水剂中的任意一种。

9.根据权利要求6所述的一种太阳能热发电储热材料的制备方法，其特征在于，所述骨料是由粗骨料和细骨料按照质量比为5：1-3：1复配而成。

10.根据权利要求6-9任一项所述的一种太阳能热发电储热材料的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤还包括：

骨料的预处理：

向骨料中加入骨料质量10-15％的纳米二氧化硅，球磨混合后，再加入骨料质量5-10％的硅烷偶联剂，继续球磨混合，出料，即完成骨料的预处理。