CN112574717A - 一种用于太阳能热发电的微胶囊、制备装置及其制备方法 - Google Patents

一种用于太阳能热发电的微胶囊、制备装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能热发电的微胶囊、制备装置及其制备方法，用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊，结构上为球形，包括壳体和芯体，由壳体包裹芯体构成，其特征在于：芯体材料选用相变温度在300℃‑400℃之间的纯金属或合金；外壳材料选用熔点高于500℃的纯金属或合金。该金属材料相变微胶囊的优势在于：熔点高；工作温度高；导热性能好；蓄热能力强。所述制备方法依托于一种重力驱动溢流系统，该方法克服了温度以及材料的限制，并且可以精确操控微胶囊的尺寸、壁厚等参数。

Description

一种用于太阳能热发电的微胶囊、制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能热发电以及相变储能领域，具体涉及的是一种可以用于太阳能热发电的具有高传热效率的金属材料相变微胶囊以及为了精确操纵微胶囊参数而设计的依托于重力驱动溢流系统的制备方法。
背景技术
太阳能热发电过程中，将太阳光聚焦获得的太阳能需要传输至蒸汽发生装置，普通的传输工质储热量小，传输效率低。通过在工质中添加相变微胶囊可提高热量的传输效率。但传统的相变微胶囊大多以石蜡为芯体相变材料并使用有机聚合物包覆，这就造成了此类微胶囊热导率低，相变温度低，且太阳能热发电过程中传热流体的温度高达400℃，有机聚合物在此温度下难以稳定，限制了相变微胶囊在太阳能热发电中的使用。
传统的相变微胶囊制备方法主要以化学方法为主，如原位聚合法、界面聚合法等，这类方法主要是以聚合的方式连接起相变微胶囊芯体材料和外壳材料，形成包覆结构，但以此类方法制备的微胶囊尺寸难以控制，且并不能适用于金属材料。近年来在相变微胶囊的制备上又出现了一种新方法，即通过表面改性的形式使金属外壳材料包覆在芯体相变材料上，这种方法或许能适用于金属，但仍存在着尺寸难以控制的难题，因此迫切地需要寻找一种既可以用于制备金属材料相变微胶囊又能精确控制其尺寸的制备方法。
发明内容
技术问题：为解决传统相变微胶囊在太阳能热发电中的不适用问题，本发明提出了一种能适用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊，并提供了可以精确控制微胶囊的尺寸的相应制备方法。由于金属材料相变微胶囊热导率高、相变温度高，热稳定性高，解决了传统相变微胶囊在太阳能热发电传热流体中效率低以及不耐高温的问题，同时由于使用重力溢流系统来制备所述金属材料相变微胶囊，解决了传统制备方法不适用于金属材料以及难以控制微胶囊尺寸的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊，其特征在于：结构上为球形，包括壳体和芯体，由壳体包裹芯体构成。
所述的用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊，其特征在于：相变温度在300℃-400℃之间，芯体材料和外壳包覆材料均选用金属材料，芯体材料可以选用铅等纯金属或熔点在300℃-400℃的铝基合金及镁基合金，如46.3Mg-57.3Zn、96Zn-4Al等。为保证芯体相变材料的密封性，外壳材料可选用熔点高于500℃的金属，如钙、钡等纯金属或合金。
所述的用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊，其特征在于：能适用于塔式太阳能热发电系统中的传热流体中，如热油、熔融盐等。
一种用于所述金属材料相变微胶囊的制备方法，该方法依托于一种重力驱动溢流系统，该系统各装置材料均为耐高温的镍基合金，如合金617、合金625等，可以承受1000℃以上的金属熔化高温，包括注入单元和微流控单元。
所述注入单元分为三个，包括内相液注入单元、中相液注入单元和外相液注入单元。每个注入单元包括储液器、溢流瓶、内衬瓶及管道，其特征在于：所述储液器采用半开式设计，可以平衡其内部压力；所述溢流瓶位于储液器下方，其入口经管道与储液器下部相连，出口经管道与微流控芯片相连，内部置有内衬瓶，且上部设有一开口以平衡内部压力，在内衬瓶和溢流瓶之间设有溢流通道，操作时使得内衬瓶一直处于溢流状态，流出的液体由溢流通道及时排出。
所述内衬瓶，其特征在于：内衬瓶的直径约为溢流瓶的1/2～3/4，高度约为溢流瓶的3/5～4/5。
所述微流控单元包括一个微流控芯片，芯片上有三个接口，分别经管道与内相液注入单元、中相液注入单元和外相液注入单元相连接，接收来自三个注入单元的液体。微流控芯片由三个层层嵌套的毛细通道组成，分别为内相液毛细通道、中相液毛细通道和外相液毛细通道，分别连接内相液注入单元、中相液注入单元和外相液注入单元。
所述用于太阳能热发电的金属材料相变微胶囊制备方法，其特征在于：依托于所述重力驱动溢流系统，将微胶囊芯体及外壳材料熔化为液态，液化后的芯体材料经内相液注入单元输送至微流控芯片，液化后外壳材料经中相液注入单元输送至微流控芯片，辅助液体经外相液注入单元输送至微流控芯片，整个系统的动力由重力提供，可自然制备乳液状的金属相变微胶囊，并且可通过调整三个溢流瓶高度的方式控制微胶囊的尺寸以及壁厚，将所制得的乳液状微胶囊以冷却的方式来固化即可得到金属相变微胶囊。
所述调整三个溢流瓶高度的方式控制微胶囊的尺寸以及壁厚具体特征为：增加内相液溢流瓶高度可以保证在总尺寸不变的情况下增加壁厚，增加中相液溢流瓶高度可以增大总尺寸以及壁厚，增加外相液溢流瓶高度可以减小总尺寸以及壁厚而保证芯体尺寸不变。
所述辅助液体为外相液，可使用于外壳材料粘性不同的液体，如不同于外壳材料的熔融金属或者热油。
所述冷却方式为水冷或空冷。
本发明提出一种金属材料相变微胶囊，其有别于传统的相变微胶囊，芯体和外壳包覆材料均使用相变温度更高、导热更强的纯金属或合金，且外壳材料的熔点高于太阳能热发电中工作流体的温度，可以保证在高温下相变微胶囊的密封性，因此可以适用于太阳能热传输工质中。
有益效果：本发明涉及到的技术方案在于提出了一种芯体以及外壳材料皆为金属的金属材料相变微胶囊并将微流控装置及微流控生产双乳液的方法运用到金属相变微胶囊的制备上去，此方法制备的金属相变微胶囊工作温度高到400℃，可以用于太阳能热发电系统，并且由于微胶囊的芯体及外壳包覆材料均为金属材料，导热系数可达30W/(m·K)以上，而应用最广的石蜡基微胶囊的导热系数仅为0.15-0.6W/(m·K)，故本发明所述微胶囊导热性能好，运用到太阳能热发电系统的传热流体中可以大大提高传热效率和热稳定性。所使用的微流控装置为重力溢流系统，此装置使用带有内衬瓶的溢流瓶，其中内衬瓶的存在使得熔化的金属时时处于溢流状态，能起到液体金属供应稳定的作用，且装置动力完全由重力提供，不需要传统的注射泵，因此解决了装置本身的高温耐受问题。且通过调节三个溢流瓶的高度，可以相应地将重力势能转化为压能，进而增大或减小三个毛细通道内流体的流速，流速的不同使得三种流体之间的剪切力改变，从而精准地控制所制备的金属相变微胶囊的芯体直径以及外壳厚度等参数，解决了传统制备相变微胶囊方法中难以控制尺寸的问题。
附图说明
图1给出的是所述重力溢流系统示意图；
图2给出的是微流控芯片内部结构及微胶囊生成示意图；
图3给出的是所述金属相变微胶囊结构示意图；
图中，1.半开式储液器；2.溢流瓶；3.内衬瓶；4.微流控芯片；5.溢流瓶上部开口；6.溢流通道；7.内相液毛细通道；8.中相液毛细通道；9.外相液毛细通道；10.生成的双乳液结构；11.芯体部分；12.外壳部分。
具体实施方式
下面结合附图对本说明作进一步的描述：
图1给出了制备金属相变微胶囊所依托的重力溢流系统示意图。本发明使用此系统来制备用于太阳能热发电的金属相变微胶囊，系统包括三个注入单元和一个微流控单元，其中每个注入单元由半开的储液器1、溢流瓶2、内衬瓶3以及连接管道构成，半开的储液器起缓冲作用，位于注入单元最上方，其下部有开口经管道与溢流瓶的上部开口相连接。所述溢流瓶内包含一个内衬瓶3，内衬瓶的作用是使得液体一直处于溢流状态，其直径约为溢流瓶的1/2～3/4，高度约为溢流瓶的3/5～4/5，且溢流瓶上包括上部开口5以及溢流通道6，上部开口的存在保证了溢流瓶内压力稳定，溢流通道的存在保证溢出内衬瓶的液体及时排出。微流控单元包括一个微流控芯片，其上有三个外部接口用来连接三个注入单元。
图2给出了重力溢流系统中微流控芯片内部结构及微胶囊生成示意图。本发明所使用的微流控芯片内部主要装置包括内相液毛细通道7、中相液毛细通道8以及外相液毛细通道9，三个毛细通道相互嵌套，内相液毛细通道位于最内部与内相液注入单元相连接，中相液毛细通道位于中部与中相液注入单元相连接，外相液毛细通道位于最外侧与外相液注入单元相连接。液态的芯体材料在重力的作用下经内相液注入单元注入内相液毛细通道，液态的外壳材料在重力的作用下经中相液注入单元注入中相液毛细通道，辅助液体在重力的作用下经外相液注入单元注入外相液毛细通道，三种液体在微流控芯片中的流动方向如图2中箭头方向所示，在毛细通道的结构和不同液体之间的粘性冲刷作用下，内相液形成微液滴并包覆与中相液形成的微液滴之中，形成双乳液结构10，将双乳液在空气中或水中冷却固化，即可得到可以用于太阳能热发电的金属相变微胶囊。
图3给出的是本发明提出的金属相变微胶囊的结构示意图。所述金属相变微胶囊为球形，包括芯体部分11和外壳部分12，表现为外壳部分包覆芯体部分的形式。芯体部分主要是作为相变材料，由于其是金属材料，所以热导率高，相变温度高并且熔化潜热高；外壳部分主要其包覆密封作用，防止工作过程中相变材料泄露，其材料为熔点更高的金属，保证了密封性。

Claims (10)

1.一种用于太阳能热发电的微胶囊，结构上为球形，包括壳体和芯体，由壳体包裹芯体构成，其特征在于：芯体材料选用相变温度在300℃-400℃之间的纯金属或合金；外壳材料选用熔点高于500℃的纯金属或合金。
2.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于：所述外壳材料的纯金属为钙、钡，外壳材料的合金为钙合金、钡合金。
3.根据权利要求2所述的微胶囊，其特征在于：芯体材料的纯金属为铅、铋或锡；芯体材料的合金为铝基合金及镁基合金。
4.根据权利要求3所述的微胶囊，其特征在于：所述镁基合金为46.3Mg-57.3Zn，所述铝基合金为96Zn-4Al。
5.一种如权利要求1-4任一所述微胶囊的制备装置，其特征在于，包括：
一注入系统，包括三个注入单元，分别为内相液注入单元、中相液注入单元以及外相液注入单元，每个注入单元包括半开的储液器、溢流瓶以及连接管道，其中储液器半开的目的是平衡器内压力；在溢流瓶上部置有开口，用以平衡瓶内压力，在溢流瓶内部置有内衬瓶，所述内衬瓶包括上端开口以及下部的内衬瓶出口，在内衬瓶与溢流瓶之间设有与内衬瓶上端开口连通的溢流通道；所述溢流瓶位于储液器下方，溢流瓶入口经连接管道与储液器出口相连，内衬瓶出口与微流控芯片相连；
一微流控芯片，所述微流控芯片内部包含层层嵌套的三个毛细通道，分别为内相液毛细通道、中相液毛细通道和外相液毛细通道；
所述内相液注入单元与所述内相液毛细通道连通，所述中相液注入单元与中相液毛细通道连通，所述外相液注入单元与所述外相液毛细通道连通，所述中相液注入单元与中相液毛细通道连通。
6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于：所述内衬瓶的直径为溢流瓶的1/2～3/4，高度为溢流瓶的3/5～4/5。
7.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于：所述注入系统及微流控芯片的材料均为耐高温的镍基合金，如合金617、合金625。
8.一种如权利要求1-4任一所述微胶囊的制备方法，其特征在于，采用权利要求5所述的制备装置进行制备。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：将微胶囊芯体及外壳材料熔化为液体，液化后的芯体材料经内相液注入单元输送至微流控芯片，液化后外壳材料经中相液注入单元输送至微流控芯片，辅助液体经外相液注入单元输送至微流控芯片，制备装置在重力作用下运行出制备乳液状的金属相变微胶囊；通过调整三个溢流瓶高度的方式控制微胶囊的芯体直径以及外壳厚度，将所制得的乳液状微胶囊以冷却的方式来固化即可得到金属相变微胶囊。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：通过增加内相液溢流瓶高度保证在微胶囊直径不变的情况下增加壁厚；增加中相液溢流瓶高度增大微胶囊直径以及外壳厚度；增加外相液溢流瓶高度减小微胶囊直径以及外壳厚度而保证芯体直径不变。
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