CN114806513A - 用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料及制备方法 - Google Patents

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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials

Abstract

本发明提供用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料及制备方法，属于相变复合材料技术领域；其包括导热增强相变材料颗粒和包覆在所述导热增强相变材料颗粒表面的碳基光热转换增强剂，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为75‑95:5‑25；所述导热增强相变材料颗粒包括有机相变材料基体和碳基高导热多孔材料。本发明将有机相变材料基体与碳基高导热多孔材料以及碳基光热转换增强剂以上述特定的包覆结构结合，能够分别充分发挥两种碳基材料对相变基体的导热增强与光热转换能力提升的作用，在保证碳基相变储能材料高热导与优良防液态泄漏能力的前提下，还赋予了突出的光热转换性能。

Description

用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料及制备方法
技术领域
本发明涉及相变复合材料技术领域，特别是指用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料及制备方法。
背景技术
太阳能是地球上分布最为广泛，也是最易汲取的清洁能源。在碳减排成为全球各国能源发展共识后，太阳能转换成为备受瞩目的前沿领域。目前，太阳能常用来进行光热转换、光电转换以及太阳能制氢等，而其中，直接光热转换是效率最高的太阳能利用方式。
光热转换材料由于其自身所特有的光热特性可将所接受的太阳辐照直接转换为热能。但由于太阳辐照内在的瞬时性，传统光热转换材料热能输出不稳定的劣势很突出。相变材料具有独特的潜热存储方式，可在温度恒定的情况（既相变态）下进行热能存储与释放，已在热能存储、电子器件热管理、节能建筑以及可穿戴智能设备等领域被广泛利用。若可将相变特性与光热转换机制相结合，则可成为解决传统光热转换材料供能稳定度不佳的一种有效方式。目前，光热转换相变储能材料已成为太阳能存储利用领域一个非常前沿的研究热点。
光热转换相变储能材料在通过光热转换介质将太阳辐照转换为热能后，便能利用内部相变基体的潜热存储机制将这部分热能存储起来，并可在无太阳辐照的状态下，将所存储的热能以恒温的形式输出。纯相变储能材料热导率极低、固-液相变后的液态泄漏问题严重，且自身所具备的光热转换性能严重不足，需要通过添加具备光热转换特性的导热填料来解决上述问题。碳基材料，金属基材料以及有机物是目前最为常见的光热转换填料。其中，碳基材料由于其兼具良好的全光谱吸收能力与杰出的热导率而被广泛应用。目前绝大多数光热转换相变储能材料的制备均是在相变基体中（烷烃类、脂肪酸类、酯类、醇类以及无机水合盐类等）添加单一品种的碳基填料（石墨烯、纳米炭黑、石墨纳米薄片、碳纳米管、膨胀石墨、碳纤维等）来获得，无法兼具高效的光热转换效率、高热导率以及突出的防液态泄漏能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料及制备方法，其能弥补现有碳基光热转换相变储能材料性能的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，一种用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料，其包括导热增强相变材料颗粒和包覆在所述导热增强相变材料颗粒表面的碳基光热转换增强剂，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为75-95:5-25；所述导热增强相变材料颗粒包括有机相变材料基体和碳基高导热多孔材料。
更优选地，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为85-93:7-15。
其中，优选地，所述碳基光热转换增强剂选自具有优异吸光性能的材料，具体选自石墨烯、石墨纳米薄片、碳纳米管、纳米炭黑、石墨蠕虫、碳纤维中的一种或多种。
其中，优选地，所述有机相变材料基体和碳基高导热多孔材料的质量百分比为70-90:10-30、更优选70-80:20-30。
其中，优选地，所述有机相变材料基体选自烷烃类、脂肪酸类中的一种或多种。其具体选自C20-40的烷烃，C16-18的脂肪酸中的一种或多种。
其中，优选地，所述碳基高导热多孔材料为具有微孔结构的高导热物质。
更优选地，所述碳基高导热多孔材料选自纳米多孔碳、膨胀石墨中的一种或多种。
其中，优选地，所述导热增强相变材料颗粒的粒径在0.5-1mm。
本发明碳基相变储能材料的热导率为有机相变材料基体的26.5-49.2倍。
第二方面，提供第一方面所述的碳基相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将碳基高导热多孔材料浸没在完全融化的有机相变材料基体内，进行真空浸渗；该步骤S1中，碳基高导热多孔材料由于其内在的高热导率和微孔结构将显著提高纯有机相变材料基体的热物理性能与防液态泄漏能力；
S2：将S1所制得的材料破碎后得到导热增强相变材料颗粒；
S3：将所述导热增强相变材料颗粒与碳基光热转换增强剂同时加入到醇类溶剂中，然后进行物理分散；用于使导热增强相变材料颗粒与碳基光热转换增强剂在溶剂中分散均匀；
S4：对S3得到的溶液进行再次真空浸渗，浸渗完成后，将醇类溶剂完全挥发，制得碳基相变储能材料。该步骤S4将碳基光热转换增强剂包覆在步骤S2所制得的导热增强相变材料颗粒表面，能够充分发挥其光热转换特性。
其中，优选地，S1中，所述真空浸渗的条件包括：真空度为-0.03MPa至0MPa，真空浸渗时间为4-10h、优选8-10h，浸渗温度为有机相变材料基体的相变点之上10-20℃。
其中，优选地，S4中，所述再次真空浸渗的条件包括：真空度为-0.03MPa至0MPa，常温下浸渗时间为4-10h、优选8-10h，浸渗温度为20-30℃。
在上述两次真空浸渗的优选条件的方案中，更利于促进有机相变材料基体和碳基高导热多孔材料以及碳基光热转换增强剂之间的相互作用以及分布，充分发挥其各自作用，使得碳基相变储能材料的光热转换性能达到最优。
其中，优选地，S3中，所述醇类溶剂中醇的C原子数<5，优选为乙醇。
其中，优选地，所述醇类溶剂的用量为所述导热增强相变材料颗粒与碳基光热转换增强剂的总量的5-10倍。
其中，优选地，所述物理分散是在搅拌下进行分散，搅拌速率为800-2000rpm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明将有机相变材料基体与碳基高导热多孔材料以及碳基光热转换增强剂以上述特定的包覆结构结合，能够分别充分发挥两种碳基材料对基体的导热增强与光热转换能力提升的作用，在保证碳基相变储能材料高热导与优良防液态泄漏能力的前提下，还赋予了突出的光热转换性能。
本发明针对纯相变基体全光谱吸收能力差、热导率极低以及固-液相变后的液态泄漏问题等缺点，创造性地同时使用两种碳基材料，利用二次真空渗透法，将相变基体与两种碳基材料共混，制备了一种用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料。碳基高导热多孔材料在相变基体内部形成热量的快速传输通道，并利用内部微孔结构的毛细力将固-液相变后的相变基体牢牢的吸附在微孔内。与此同时，再次真空浸渗后包覆在导热增强相变材料颗粒表面的碳基光热转换增强剂将发挥其优异的光热转换性能，使太阳辐照高效的转换为热能。而这部分热能将沿着材料内部的热传输通道迅速被微孔内的相变基体所吸收，直至储能过程完成。当无太阳辐照时，这部分热能将沿着热传输通道高效输出，直至热能全部释放。
本发明优选采用特定种类的碳基高导热多孔材料具有疏松多孔的内部结构以及高导热特性，而配合采用特定种类的碳基光热转换增强剂则具有优良的全光谱吸收能力，本发明将结合两种碳基材料的不同特性，在赋予相变基体卓越光热转换特性的同时，使其兼具优异的热物理性能以及杰出的防液态泄漏能力，将相变特性与光热转换机制高效结合。而传统的单一品种碳基材料的添加无法使相变基体同时具有高效的光热转换效率、高热导率以及突出的防液态泄漏能力。
附图说明
图1为本发明实施例1导热增强相变材料的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1碳基相变储能材料的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2碳基相变储能材料的扫描电镜图；
图4为本发明实施例3碳基相变储能材料的扫描电镜图；
图5为本发明实施例1碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）；
图6为本发明实施例2碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）；
图7为本发明实施例3碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）；
图8为本发明实施例1-3碳基相变储能材料热导率对比图；
图9为本发明实施例1-3碳基相变储能材料的全光谱吸收对比图；
图10为本发明实施例1碳基相变储能材料的光热转换温升图；
图11为本发明实施例1碳基相变储能材料的防液态泄漏性能测试图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种新型光热转换相变储能材料，其制备方法如下：
步骤1：将碳基高导热多孔材料（具体为膨胀石墨）浸没在完全融化的有机相变材料（具体为石蜡(C35H72)）内，置于真空度为-0.05MPa的真空烘箱中，真空浸渗时间设定为8h，浸渗温度设定为有机相变储能材料相变点之上20℃；该步骤下，碳基高导热多孔材料由于其内在的微孔结构和高热导率将显著提高纯有机相变储能材料的热物理性能与防液态泄漏能力；碳基高导热多孔材料与有机相变材料的质量百分比为25：75；
步骤2：将步骤1所制得的材料利用万能粉碎机破碎后得到导热增强相变材料颗粒（其粒径在0.5-1mm，其扫描电镜图如图1所示，可以看出，在真空浸渗的作用下，有机相变储能材料被填充到碳基高导热多孔材料内部的片层状孔隙中），与碳基光热转换增强剂同时加入到醇类溶剂（具体为无水乙醇）中，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为90:10；醇类溶剂用量为导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂总质量的8倍；
步骤3：利用物理手段（搅拌速率为1500rpm）对步骤2中的溶液进行处理，使导热增强相变材料颗粒与碳基光热转换增强剂在溶液中分散均匀；
步骤4：对步骤3中的溶液在常温下再次进行真空浸渗，真空度为-0.05MPa，浸渗时间设定为8h，浸渗完成后，将有机溶剂完全挥发，制得新型碳基相变储能材料。
所得碳基相变储能材料的扫描电镜图如图2所示，可以看出，有机相变材料渗透到碳基高导热多孔材料中形成导热增强相变材料，经过再次真空浸渗，碳基光热转换增强剂包覆在导热增强相变材料颗粒表面，利于发挥其光热转换特性。
所得碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）如图5所示，熔融潜热与凝固潜热决定该材料在光热转换过程中的储能与释能密度，DSC曲线反映出该材料的焓值与相变基体在其中的质量占比有关，本实施例的160J/g左右的熔融潜热与凝固潜热可以保证充足的储能/释能密度。
本发明实施例1碳基相变储能材料的热导率如图8所示，有机相变材料基体（即相变基体）的热导率极低，为0.21W/m•K；在相变基体中加入碳基高导热多孔材料后，相变基体内部形成高效的热量传输通道，获得的导热增强材料热导率达到了14.12 W/m•K，相比纯基体，热导率涨幅达到66.24倍；当继续加入碳基光热转换增强剂，由于碳基光热转换增强剂的热导率要比高导热碳基多孔材料的低，因此碳基相变储能材料（即光热转换相变材料Ι）的热导率有所下降，但即便如此，光热转换相变材料的热导率依然是纯相变基体的49.20倍。
所得碳基相变储能材料的全光谱吸收图与光热转换温升图分别如图9与图10所示，可以明显看出，相比相变储能基体，所制备的新型碳基相变储能材料的光谱吸收能力在全光谱范围内均有明显提升，尤其是在对光热转换影响最为重要的可见光、近红外区域，提升作用显著。
所得碳基相变储能材料的防液态泄漏性能测试图如图11所示，可以看出，在高温条件下，随着时间的推移，纯有机相变材料在很短时间内就全部融化，滤纸被液态有机相变材料全部浸染，而碳基相变储能材料即使是在32小时之后，样品下方的滤纸仅仅只有少部分被液态有机相变材料浸染，防液态泄漏能力良好。
实施例2
按照实施例1进行，不同的是，相变基体、碳基高导热多孔材料与碳基光热转换增强剂之间的质量配比不同，碳基高导热多孔材料与有机相变材料的质量百分比为25:75，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为85:15。
所得碳基相变储能材料的扫描电镜图如图3所示，可以看出，随着碳基光热转换增强剂质量的增加，碳基光热转换增强剂在导热增强相变材料颗粒表面的包覆量有一定程度的增加。
所得碳基相变储能材料（即光热转换相变材料II）的热导率如图8所示，光热转换相变材料的热导率是纯相变基体的35.57倍。
所得碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）、全光谱吸收图分别如图6和图9所示，可以看出，本实施例碳基相变储能材料的相变性能以及全光谱吸收能力与实施例1碳基相变储能材料相似。
实施例3
按照实施例1进行，不同的是，相变基体、碳基高导热多孔材料与碳基光热转换增强剂之间的质量配比不同，碳基高导热多孔材料与有机相变材料的质量百分比为25:75，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为80:20。
所得碳基相变储能材料的扫描电镜图如图4所示，可以看出，随着碳基光热转换增强剂质量的继续增加，碳基光热转换增强剂在导热增强相变材料颗粒表面的包覆量亦持续增加。
所得碳基相变储能材料（即光热转换相变材料III）的热导率如图8所示，光热转换相变材料的热导率是纯相变基体的26.48倍。
所得碳基相变储能材料的熔融与冷凝曲线（DSC图）、全光谱吸收图分别如图7和图9所示，可以看出，本实施例碳基相变储能材料的相变性能以及全光谱吸收能力与实施例1碳基相变储能材料相似。
实施例4
按照实施例1进行，不同的是，真空浸渗的时间不同，具体为6h。
所得碳基相变储能材料的热物理性能下降，具体为焓值下降。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于太阳能直接光热转换的碳基相变储能材料，其特征在于，其包括导热增强相变材料颗粒和包覆在所述导热增强相变材料颗粒表面的碳基光热转换增强剂，所述导热增强相变材料颗粒和碳基光热转换增强剂的质量百分比为75-95:5-25；所述导热增强相变材料颗粒包括质量百分比为70-90：10-30的有机相变材料基体和碳基高导热多孔材料。
2.根据权利要求1所述的碳基相变储能材料，其特征在于，所述碳基光热转换增强剂选自石墨烯、石墨纳米薄片、碳纳米管、纳米炭黑、石墨蠕虫、碳纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的碳基相变储能材料，其特征在于，所述有机相变材料基体选自烷烃类、脂肪酸类中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳基相变储能材料，其特征在于，所述碳基高导热多孔材料为具有微孔结构的高导热物质。
5.根据权利要求4所述的碳基相变储能材料，其特征在于，所述碳基高导热多孔材料选自纳米多孔碳、膨胀石墨中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的碳基相变储能材料，其特征在于，所述导热增强相变材料颗粒的粒径在0.5-1mm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的碳基相变储能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将碳基高导热多孔材料浸没在完全融化的有机相变材料基体内，进行真空浸渗；
S2：将S1所制得的材料破碎后得到导热增强相变材料颗粒；
S3：将所述导热增强相变材料颗粒与碳基光热转换增强剂同时加入到醇类溶剂中，然后进行物理分散；
S4：对S3得到的溶液进行再次真空浸渗，浸渗完成后，将醇类溶剂完全挥发，制得碳基相变储能材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述真空浸渗的条件包括：真空度为-0.03MPa至0MPa，真空浸渗时间为4-10h，浸渗温度为有机相变材料基体的相变点之上10-20℃。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S4中，所述再次真空浸渗的条件包括：真空度为-0.03MPa至0MPa，常温下浸渗时间为4-10h，浸渗温度为20-30℃。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S3中，
所述醇类溶剂中醇的C原子数<5；
和/或，所述物理分散是在搅拌下进行分散，搅拌速率为800-2000rpm。
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