CN114427754A - 一种太阳能集热管、太阳能集热管的制备方法、太阳能集热管的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能集热管、太阳能集热管的制备方法、太阳能集热管的测试方法，太阳能集热管是由两等长度、直径不同的玻璃管、环形玻璃区域填充的相变微胶囊材料和内管的水流体组成。太阳能集热管中的太阳能集热材料采用的是相变微胶囊。该相变微胶囊是以苯乙烯‑二乙烯基苯共聚物/SiC复合材料为壁材，正十八烷为芯材。利用纳米碳化硅颗粒的高导热性和光热转化特性以及相变芯材的高储热特性，使得太阳能集热管具有在太阳光照射时高效吸收太阳能、快速传输热能和蓄热保温的功能，这在太阳能集热器件、储热器件和绿色环保能源器件领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及相变材料和太阳能集热材料，尤其涉及一种基于相变微胶囊材料的太阳能集热管、太阳能集热管的制备方法、太阳能集热管的测试方法。
背景技术
随着社会和经济的快速发展，人们对于能源的需求在不断的增加，尤其是在工业革命后的这一百多年时间里，对能源的需求可谓是供不应求。寻找可再生新能源是现代能源的发展趋势。二十世纪以来，人们的环保意识逐渐加强，同时能源危机不断地出现，绿色节能的话题充斥在人类的生活之中。太阳能作为一种储量丰富的清洁能源，具有取之不尽、用之不竭、无污染和环保等特征，逐渐成为现代人类发展的理想替代能源。但太阳能在大自然界的分布存在能量分散、不稳定和被捕获效率低等问题，导致太阳能难以被直接利用。因此，开发高效能量存储装置来收集和储存太阳能是非常重要的。相变材料通过物质在相变时的吸热与放热，具有高能量存储和可控温功能，可用来吸收和存储太阳能。
传统太阳能集热器在进行太阳能收集过程中，存在着太阳能捕获效率低、能量转化率低、采用的太阳能集热材料使用寿命低且不易降解等问题。将相变材料应用在太阳能集热器中，充分发挥相变材料的热性能优势可在一定程度上缓解传统太阳能集热器存在的各种问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种基于相变微胶囊材料的太阳能集热管、太阳能集热管的制备方法、太阳能集热管的测试方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种太阳能集热管，所述太阳能集热管包括：内玻璃管、外玻璃管；内玻璃管安装在外玻璃管内，内玻璃管内填充有相变储热材料，外玻璃管内和内玻璃管之间的空间填充有相变微胶囊，相变微胶囊吸收太阳能，相变储热材料存储太阳能，所述太阳能集热管为可旋转的太阳能集热管。
在本发明的具体实施例子中，相变储热材料为水。
在本发明的具体实施例子中，相变微胶囊为以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物或SiC复合材料为壁材，正十八烷为芯材的相变微胶囊。
在本发明的具体实施例子中，相变微胶囊的热导率为0.075-0.147W/(m·K)，相变焓值在71.8-117.1J/g之间的相变微胶囊。
在本发明的具体实施例子中，内玻璃管的内径和外玻璃管的内径之比的范围为：1:5-10。
在本发明的具体实施例子中，内玻璃管的内径和集热管长度之比为1:7.5-15。
一种太阳能集热管的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)、将分散剂溶于去离子水中，加热到45-65℃的温度，制备成分散相；将正十八烷、苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、引发剂和纳米碳化硅颗粒于45-65℃的温度下超声搅拌15-30分钟，制成油相；
(2)、在相同的分散相、油相两相体系温度下，按照体积比1:10-1:15将油相加入到分散相，500-1000rpm的转速下搅拌乳化15-30min，之后再将温度升高至75-90℃，继续搅拌3-6h；反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到苯乙烯-二乙烯基苯共聚物/SiC复合壳微胶囊化相变材；
(3)、将步骤(2)中的相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域；填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合；
(4)、采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。
一种太阳能集热管的制备方法，步骤如下：
步骤(1)中，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；分散剂和去离子水的质量比1:333；
步骤(2)中，引发剂为偶氮二异丁腈AIBN，正十八烷与苯乙烯单体的质量比为1:1-1:0.965；
步骤(3)中，太阳能集热管填充的相变微胶囊材料中所用的纳米碳化硅与苯乙烯单体质量比为0％-3.5％。
一种太阳能集热管的测试方法该方法包括如下步骤：
(1)、测试过程中，采用多路温度测试仪对玻璃管的环形玻璃区域中的微胶囊和内玻璃管的水流体进行检测；
(2)、测试环境为太阳光环境-低温环境-太阳光环境-低温环境；太阳光环境和低温环境测试时间之比为1：1。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的一种太阳能集热管、太阳能集热管的制备方法、太阳能集热管的测试方法中整个太阳能集热管是由填充有高导热和光热转化相变微胶囊材料的环形区域包裹内管水流体形成的。太阳能集热管的作用机理是当阳光照射在相变微胶囊表面时，通过相变微胶囊表面密集的纳米碳化硅颗粒，进行高效地光子捕获并收集其中的太阳能，将能量快速传输至内管水流体中。当太阳能集热管外界温度降低时，芯材利用自身的相变性能，与内管水流体发生热交换，从而缓解内管水流体热能的快速流失，起到蓄热保温的作用。
附图说明
图1为本发明整体结构的主视图。
图2为图1的俯视图。
图3为高导热和光热转化相变微胶囊材料的DSC循环热性能测试图。
图4为不同纳米碳化硅添加量相变微胶囊材料的热导率测试图。
图5a为太阳能集热管环形区域微胶囊温度测试曲线图。
图5b为太阳能集热管环形区域微胶囊温度测试节点统计图。
图6a为太阳能集热管内管水流体温度测试曲线图。
图6b图为太阳能集热管环形内管水流体温度测试节点统计图。
图7a为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊的DSC图。
图7b为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊的热性能数据图。
下面是本发明中标号对应的名称：
图1～图2中：相变储热材料1、内玻璃管2、相变微胶囊3、外玻璃管4。
图3～图7中：微胶囊1为不添加纳米碳化硅颗粒的相变微胶囊、微胶囊2为添加1.5wt％纳米碳化硅颗粒的相变微胶囊、微胶囊3为添加2.5wt％纳米碳化硅颗粒的相变微胶囊、微胶囊4为添加3.5wt％纳米碳化硅颗粒的相变微胶囊。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明提供一种高导热和光热转化相变微胶囊材料的太阳能集热管，整个太阳能集热管是由填充有高导热和光热转化相变微胶囊材料的环形区域包裹内管水流体形成的。太阳能集热管的作用机理是当阳光照射在相变微胶囊表面时，通过相变微胶囊表面密集的纳米碳化硅颗粒，进行高效地光子捕获并收集其中的太阳能，将能量快速传输至内管水流体中。当太阳能集热管外界温度降低时，芯材利用自身的相变性能，与内管水流体发生热交换，从而缓解内管水流体热能的快速流失，起到蓄热保温的作用。
图1为本发明整体结构的主视图，图2为图1的俯视图，如上述图所示：本发明提供的基于高导热和光热转化相变微胶囊材料的太阳能集热管，包括：内玻璃管2、外玻璃管4；内玻璃管2安装在外玻璃管4内，内玻璃管2内填充有相变储热材料1，外玻璃管4内和内玻璃管2之间的空间填充有相变微胶囊3，相变微胶囊3吸收太阳能，相变储热材料1存储太阳能，所述太阳能集热管为可旋转的太阳能集热管。
在具体的实施过程中，相变储热材料1为水。
在具体的实施过程中，相变微胶囊3可以为以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物或SiC复合材料为壁材，正十八烷为芯材的相变微胶囊。
相变微胶囊的热导率为0.075-0.147W/(m·K)，相变焓值在71.8-117.1J/g之间的相变微胶囊。
在具体的实施过程中，内玻璃管的内径和外玻璃管的内径之比的范围为：1:5-10，内玻璃管的内径和集热管长度之比为1:7.5-15。
本发明还提供了一种太阳能集热管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)、按照质量比为1:133将分散剂溶于去离子水中，加热到45-65℃的温度，制备成分散相；将正十八烷、苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、引发剂和纳米碳化硅颗粒于45-65℃的温度下搅拌15-30分钟，制成油相；
(2)、在相同的分散相、油相两相体系温度下，按照体积比1:10-1:15将油相加入到分散相，500-1000rpm的转速下搅拌乳化15-30min，之后再将温度升高至75-90℃，继续搅拌3-6h；反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到苯乙烯-二乙烯基苯共聚物/SiC复合壳微胶囊化相变材；
(3)、将步骤(2)中的相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域；填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合；
(4)、采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。
在具体的实施例子中：步骤(1)中，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；分散剂和去离子水的质量比1:333；
步骤(2)中，引发剂为偶氮二异丁腈AIBN，正十八烷与苯乙烯单体的质量比为1:1-1:0.965；
步骤(3)中,太阳能集热管中填充的相变微胶囊中纳米碳化硅与苯乙烯单体质量比为0％-3.5％。
本发明还提供了一种太阳能集热管的测试方法，该方法包括如下步骤：
(1)、测试过程中，采用多路温度测试仪对玻璃管的环形玻璃区域中的微胶囊和内玻璃管的水流体进行检测；
(2)、测试环境为太阳光环境-低温环境-太阳光环境-低温环境；太阳光环境和低温环境测试时间之比为1：1。
图3为高导热和光热转化相变微胶囊材料的DSC循环热性能测试图。使用仪器为珀金埃尔默仪器有限公司生产的Diamond DSC差示扫描量热仪(升温及降温范围5-50℃，升温及降温速率为10℃.min-1，N2流速为20mL.min-1)。
结果表明，太阳能集热管中填充的基于高导热和光热转化的相变微胶囊材料经多次热循环测试后其储热性能和相变温度范围均未发生明显的变化。太阳能集热管中以相变微胶囊材料作为集热材料具备很好的耐用性且多次重复使用集热材料的热性能依然保持不变。这可保证太阳能集热管在实际使用过程中具有长期的使用寿命。
图4为不同纳米碳化硅添加量相变微胶囊材料的热导率测试图。使用仪器为加拿大C-Therm技术有限公司生产的TCM，C-Therm导热系数仪。微胶囊样品在25℃(固体)下进行了热导率的测试，微胶囊热导率的增长率由公式1获得：
图4中结果表明，不添加纳米碳化硅颗粒的相变微胶囊其热导率为0.075W/(m·K)，该热导率低，不利于太阳能集热管中集热材料热能传输。采用高导热的纳米碳化硅颗粒来改性相变微胶囊材料的有机壁材。结果表明，高导热纳米碳化硅改性的相变微胶囊其热导率有了显著改善。随着纳米碳化硅添加量的增加，微胶囊的热导率逐渐增大。当纳米碳化硅添加量为3.5wt％(碳化硅的质量占有机壁材质量的3.5％)时，微胶囊4的热导率相比不添加微胶囊的热导率提升89.3％，达到0.147W/(m·K)。高导热的集热材料为太阳能集热管中热量的快速传输奠定了基础。
图5为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊温度测试图。使用仪器为金科仪器生产的多路温度测试仪JK3000，采样频率为1Hz。
图5中：5(a)图为太阳能集热管环形区域微胶囊温度测试曲线图，5(b)图为太阳能集热管环形区域微胶囊温度测试节点统计图。
图5结果表明，以相变微胶囊材料作为集热材料来使用，在模拟太阳光照射和自然冷却过程中，集热材料的温度出现了明显的上升和下降。以微胶囊1作为集热材料的整体测试温度相比其它微胶囊是最低的。随着纳米碳化硅添加量的增加，微胶囊的传热性能增强，相应集热材料的温度也越高。微胶囊4的整体测试温度是最高的，其最高温度可达到47.6℃，相比微胶囊1的最高温度高出25.1℃。同样的，微胶囊4的最终冷却温度相比微胶囊1提升20.5％，达到26.5℃。在图5中的红色区域出现了短暂的恒温平台，这是由于此时的温度达到了微胶囊内部芯材的相变温度，微胶囊在吸收外界能源作为自身潜热或释放内部储存的潜热。综上所述，以高导热的相变微胶囊材料作为集热材料，可以在快速吸收和传递热能的同时，集热材料自身还可利用内部芯材的相变性能进行蓄热保温。
图6为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管内管水流体温度测试图。使用仪器为金科仪器生产的多路温度测试仪JK3000，采样频率为1Hz。
图6中：6(a)图为太阳能集热管内管水流体温度测试曲线图，6(b)图为太阳能集热管环形内管水流体温度测试节点统计图。
图6结果表明，以微胶囊4作为集热材料的太阳能集热管水流体的温度在所有测试样中是最高的，其最高温度可达到47.7℃，相比微胶囊1其最高温度高出42.0％；而其最低温度相比微胶囊1高出26.0％，达到31.3℃。随着纳米碳化硅添加量的增加，微胶囊的热导率逐渐增强，集热材料内部的传热性能越好，这可使得外界转换而来的热能更多的传输到内管的水流体之中，故微胶囊内管的水流体温度也就越高。微胶囊2和3的最高温度可达到37.3℃和42.0℃，均高于微胶囊1的最高温度。在进行冷却的过程中，当温度低至微胶囊芯材的结晶温度时，内部芯材释放自身储存的潜热，从而减缓了集热材料热能的散失，对内管水流体起到了保温的效果。综上所述，采用纳米碳化硅改性的相变微胶囊材料作为集热材料，通过集热材料高效的传热性能，可使得太阳能集热管中内管水流体获得更多的热能。在进行自然冷却的过程中，集热材料中的微胶囊通过释放自身的潜热来减缓集热管温度的散失，从而起到对内管中水流体蓄热保温的效果。
图7为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊的热性能图。图7中：7(a)图为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊的DSC图，7(b)图为不同纳米碳化硅添加量的太阳能集热管环形区域微胶囊的热性能数据图，其微胶囊包封率可通过公式2得到：
结果表明，与结晶和熔化过程中的所有测试样品相比，微胶囊2具有最高的相变焓，其结晶焓和熔融焓分别为115.1J/g和117.1J/g，而相应的相变温度分别为23.1℃和29.0℃。同时，微胶囊2的封装效率也最高，达到52.3％。当纳米碳化硅的添加量为3.5wt％时，微胶囊的结晶和熔化过程中的相变焓和封装效率均最低。这可能是由于纳米碳化硅颗粒的加入量过多，超过了正十八烷液滴表面的最大附着量，导致过量的纳米碳化硅颗粒分布在壳材预聚物之间，影响了壳材的成型。无法形成完整的壳材料会导致芯材泄漏，微胶囊的相变焓和包封效率会降低。综上所述，合理控制纳米碳化硅的添加量可以获得兼具优异蓄热性能和传热性能的相变微胶囊。
下面是几个具体的实施例子：
实施例1
实施例中环形玻璃区域填充的相变微胶囊材料不添加纳米碳化硅颗粒。
将制备的相变微胶囊趁热进行抽滤、洗涤和干燥。抽滤后将得到的产物放入60℃的烘箱内干燥至恒重。将相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域。填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合。采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。采用太阳热源灯在室温(25℃)进行23min的加热处理，然后在室温环境(20℃)进行23min的自然冷却处理，作为一个冷热循环。整个测试过程为两个冷热循环。
经过测试计算微胶囊导热率为0.075W/(m·K)，相变焓为101.4J/g。环形玻璃区域的相变微胶囊温度最高为32.3℃,最低温度为22.0℃。内管水流体的最高温度为33.6℃，最低温度为24.2℃。
实施例2
实施例中环形玻璃区域填充的相变微胶囊材料，所填充的相变微胶囊材料中纳米碳化硅颗粒占苯乙烯单体质量1.5％。
将制备的相变微胶囊趁热进行抽滤、洗涤和干燥。抽滤后将得到的产物放入60℃的烘箱内干燥至恒重。将相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域。填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合。采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。采用太阳热源灯在室温(20℃)进行23min的加热处理，然后在室温环境(20℃)进行23min的自然冷却处理，作为一个冷热循环。整个测试过程为两个冷热循环。
经过测试计算微胶囊导热率为0.114W/(m·K)，较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的热导率提升45.3％，相变焓为117.1J/g。环形玻璃区域的相变微胶囊温度最高为40.5℃,较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的最高温度提升25.4％，最低温度为27.1℃。内管水流体的最高温度为37.3℃，最低温度为26.2℃。
实施例3
实施例中环形玻璃区域填充的相变微胶囊材料，所填充的相变微胶囊材料中纳米碳化硅颗粒占苯乙烯单体质量2.5％。
将制备的相变微胶囊趁热进行抽滤、洗涤和干燥。抽滤后将得到的产物放入60℃的烘箱内干燥至恒重。将相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域。填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合。采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。采用太阳热源灯在室温(20℃)进行23min的加热处理，然后在室温环境(20℃)进行23min的自然冷却处理，作为一个冷热循环。整个测试过程为两个冷热循环。
经过测试计算微胶囊导热率为0.129W/(m·K)，较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的热导率提升65.3％，相变焓为99.4J/g。环形玻璃区域的相变微胶囊温度最高为44.0℃,较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的最高温度提升36.2％，最低温度为24.0℃。内管水流体的最高温度为42.0℃，较案例1内管水流体的最高温度提升25.0％，最低温度为29.2℃。
实施例4
实施例中环形玻璃区域填充的相变微胶囊材料，所填充的相变微胶囊材料中纳米碳化硅颗粒占苯乙烯单体质3.5％。
将制备的相变微胶囊趁热进行抽滤、洗涤和干燥。抽滤后将得到的产物放入60℃的烘箱内干燥至恒重。将相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域。填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合。采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。采用太阳热源灯在室温(20℃)进行23min的加热处理，然后在室温环境(20℃)进行23min的自然冷却处理，作为一个冷热循环。整个测试过程为两个冷热循环。
经过测试计算微胶囊导热率为0.147W/(m·K)，较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的热导率提升89.3％，相变焓为71.8J/g。环形玻璃区域的相变微胶囊温度最高为47.6℃,较案例1环形玻璃区域的相变微胶囊的最高温度提升47.4％，最低温度为24.2℃。内管水流体的最高温度为47.7℃，较案例1内管水流体的最高温度提升42.0％，最低温度为30.5℃。
本发明以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物/SiC复合材料为壁材，正十八烷为芯材的相变微胶囊作为太阳能集热材料，并将微胶囊填充在集热管的环形玻璃区域，使得所制备的太阳能集热器具有高效捕获太阳能、快速传输热能和蓄热保温的优异性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种太阳能集热管，其特征在于：所述太阳能集热管包括：内玻璃管、外玻璃管；内玻璃管安装在外玻璃管内，内玻璃管内填充有相变储热材料，外玻璃管内和内玻璃管之间的空间填充有相变微胶囊，相变微胶囊吸收太阳能，相变储热材料存储太阳能，所述太阳能集热管为可旋转的太阳能集热管。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于：相变储热材料为水。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于：相变微胶囊为以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物或SiC复合材料为壁材，正十八烷为芯材的相变微胶囊。
4.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于：相变微胶囊的热导率为0.075-0.147W/(m·K)，相变焓值在71.8-117.1J/g之间的相变微胶囊。
5.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于：内玻璃管的内径和外玻璃管的内径之比的范围为：1:5-10。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于：内玻璃管的内径和集热管长度之比为1:7.5-15。
7.一种太阳能集热管的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)、将分散剂溶于去离子水中，加热到45-65℃的温度，制备成分散相；将正十八烷、苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、引发剂和纳米碳化硅颗粒于45-65℃的温度下超声搅拌15-30分钟，制成油相；
(2)、在相同的分散相、油相两相体系温度下，按照体积比1:10-1:15将油相加入到分散相，500-1000rpm的转速下搅拌乳化15-30min，之后再将温度升高至75-90℃，继续搅拌3-6h；反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到苯乙烯-二乙烯基苯共聚物/SiC复合壳微胶囊化相变材；
(3)、将步骤(2)中的相变微胶囊材料均匀填充在两等长度、直径不同的玻璃管的环形玻璃区域；填充时，两玻璃管管口垂直向上放置且中心线重合；
(4)、采用针头注射器缓慢将水流体注入太阳能集热管的内玻璃管中，直至注满。
8.根据权利要求7所述的太阳能集热管的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；分散剂和去离子水的质量比1:333；
步骤(2)中，引发剂为偶氮二异丁腈AIBN，正十八烷与苯乙烯单体的质量比为1:1-1:0.965；
步骤(3)中，太阳能集热管填充的相变微胶囊材料中所用的纳米碳化硅与苯乙烯单体质量比为0％-3.5％。
9.一种太阳能集热管的测试方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)、测试过程中，采用多路温度测试仪对玻璃管的环形玻璃区域中的微胶囊和内玻璃管的水流体进行检测；
(2)、测试环境为太阳光环境-低温环境-太阳光环境-低温环境；太阳光环境和低温环境测试时间之比为1：1。
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