CN106281256A

CN106281256A - 储能材料改性剂、其制备方法及其应用

Info

Publication number: CN106281256A
Application number: CN201610617441.5A
Authority: CN
Inventors: 刘勇; 唐李晟; 黄文军; 凌桂琴
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开一种储能材料改性剂，由热传导改性材料、膨胀系数改性材料、有机粘结材料、纤维材料、增强材料和水所组成，其中各组分为：热传导改性材料包含有重量含量为1～10份的石墨和0.5～15份的金属氧化物晶须和/或金属氮化物晶须；膨胀系数改性材料包含有1～8份的稀土氧化物；由0.005～2份的聚乙烯和0.005～3份的聚丙烯所组成的有机粘结材料；纤维材料包含有0.005～2份的聚乙烯纤维和0.005～3份聚丙烯纤维；0.2～5份的增强材料；70～90份的水。本发明还公开该储能材料改性剂的制备方法及其应用。使用本发明的改性剂配合储能材料所制作成蓄能模块，具有成本低、单位储能容量大、储能温度高，能量品位高和使用寿命长的优良性能，更有助于推进太阳能的跨季节存储技术的普及应用。

Description

储能材料改性剂、其制备方法及其应用

技术领域

本发明实施例涉及太阳能储能技术领域，尤其涉及一种储能材料改性剂、其制备方法及其应用。

背景技术

热能是太阳能储存的主要形式之一，随着太阳能技术的大力推广和应用，太阳能跨季节蓄能供热逐渐成为了当今新能源利用的一个热门话题。目前常见的跨季节蓄热主要是采用相变蓄热技术，即利用某些物质在可逆反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取，具有储热密度高、充释热温度稳定等优点。由此使得相变蓄热在电网昼夜负荷调节、建筑物的空气调节、太阳能利用、工业余热回收等方面具有广阔的应用前景。

但是相变储热技术仍有不足之处，主要表现为:

其一，相变材料的化学稳定性较差，储热温度受环境的影响较大；

其二，相变材料中潜热较大的许多水合盐均存在不同程度的过冷现象；

其三，相变材料的导热性能较差，不利于储能热量的释放；

其四，由于相变材料的储热容量不够大，故不得不采用体积较大的蓄能模块以获取可观的存储能量；

其五，在相变材料相变的过程中，会发生膨胀而导致相变材料所制成的蓄能模块发生不可逆形变，降低了蓄能模块的使用寿命；

其六，相变材料的成本相对较高，不利于相应的太阳能跨季节蓄能模块应用的推广。

应当说明的是，以上技术问题是本发明人在实施本发明的过程中所发现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储能材料改性剂，用以解决上述问题中的至少一个。

本发明的另一个目的在于提供了上述储能材料改性剂的制备方法。

本发明的又一个目的在于提供了上述储能材料改性剂的应用。

根据本发明的一方面，提供了一种储能材料改性剂，该储能材料改性剂由热传导改性材料、膨胀系数改性材料、有机粘结材料、纤维材料、增强材料和水所组成，

其中各组分为：

原料重量份

(1)热传导改性材料，该热传导改性材料包含有：

石墨 1～10份

金属化合物晶须 0.5～15份

(2)膨胀系数改性材料，该膨胀系数改性材料包含有：

稀土氧化物 1～8份

(3)有机粘结材料：

聚乙烯 0.005～2份

聚丙烯 0.005～3份

(4)纤维材料，该纤维材料包含有：

聚乙烯纤维 0.005～2份

聚丙烯纤维 0.005～3份

(5)增强材料 0.2～5份

(6)水 70～90份。

其中，热传导改性材料包含有石墨和金属氧化物晶须和/或金属氮化物晶须，石墨占储能材料改性剂总重量的1％～10％，金属化合物晶须占储能材料改性剂总重量的0.5％～15％；膨胀系数改性材料包含有稀土氧化物，稀土氧化物占储能材料改性剂总重量的1％～8％,；纤维材料包含有聚乙烯纤维和聚丙烯纤维，聚乙烯纤维占储能材料改性剂总重量的0.005％～2％，聚丙烯纤维占储能材料改性剂总重量的0.005％～3％；有机粘结材料由聚乙烯和聚丙烯所组成，聚乙烯占储能材料改性剂总重量的0.005％～2％，聚丙烯占储能材料改性剂总重量的0.005％～3％；增强材料占储能材料改性剂总重量的0.2％～2％；水占储能材料改性剂总重量的70％～90％。

在一些具体的实施方式中，上述石墨为重量含量为1～5份的片状石墨和1～5份的石墨烯微片；上述稀土氧化物为0.5～3份的氧化铈、0.5～3份的氧化镧和0.1～2份的氧化锆；上述金属化合物晶须为金属氧化物晶须和/或金属氮化物晶须；上述增强剂为钢纤维。

在一些具体的实施方式中，上述热传导改性材料还包含有重量含量为0.1～5份的碳纳米管。

在一些具体的实施方式中，上述金属化合物晶须选自氧化镁晶须、氧化铝晶须和氮化铝晶须中的一种或多种。

在一些具体的实施方式中，上述膨胀系数改性材料还包含有氮化铝、氧化镁和氧化铝中的一种或多种。

在一些具体的实施方式中，上述纤维材料还包含有尼龙纤维、木质素人造纤维和天然植物纤维中的一种或多种。

本发明所提供的储能材料改性剂具有如下有益效果：

(1)该储能材料改性剂选用了相应组分含量的石墨和金属氧化物晶须和/或金属氮化物晶须作为热传导改性材料，使用该改性剂能使得待改性储能材料具有优良的导热性能。

(2)选用了相应组分含量的稀土氧化物作为本改性剂的膨胀系数改性材料，能调节待改性的储能材料中不同组分之间的晶格差异，增大该储能材料的膨胀系数，并使得该储能材料具有优良的韧性，相比于现有技术中的相变储能材料，能大幅提升使用寿命。

本发明的储能材料改性剂适于添加至复合结晶储能材料(例如，混凝土)中，并可将该添加有该储能材料改性剂的复合结晶储能材料制成蓄能模块，由此使得改性之后的储能材料所制成的蓄能模块具有以下有益效果：

①相对于现有技术中的熔盐储能材料和相变储能材料，储能成本能降低90％以上。

②具有很高的单位储能容量，相比以水作为储能介质，同体积下的该储能材料的储能容量是水储能容量的20～30倍以上。

③具有很高的单位储能容量；在一种情况下，存储同样大小的热能，相比于以水作为储能介质，本蓄能模块的所需要占用的体积只是水的1/10左右，能有效降低储能设施的设施成本和占地成本。

④具有储能温度高，能量品位高的优良性能；具体而言，储能和供能温度可达到350℃，能满足大多数工业生产对热能的温度要求。

根据本发明的另一方面，还提供了上述储能材料改性剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步，按照上述配比称取各原料：热传导改性材料、膨胀系数改性材料、有机粘结材料、纤维材料、增强材料和水；

第二步，将所称取的原料放入搅拌锅，低速搅拌2min，然后高速60～120r/min搅拌2min，然后静置。由此，通过本储能材料改性剂的制备方法，能使得所制得的储能材料改性剂的储能效果更佳。

根据本发明的又一方面，还提供了上述储能材料改性剂在太阳能跨季节蓄能模块上的应用，该太阳能跨季节蓄能模块由上述储能材料改性剂和复合晶体储能材料混合而成。由此，能实现太阳能的跨季节高效率储存。

本发明还有更多的有益效果，将在下文中结合具体实施方式进行说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出的是用于本发明热量测试实验的一热量测试装置的结构示意图。

附图标记：

10 热量测试装置 102 导热管

101 容器 103 量热计

1011 容器开口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

表1列举了本发明实施例1～8的组分和重量份比例：

(表1)

本发明所制作的储能材料改性剂是一种适于与复合混晶材料相混合的新型改性试剂，由此使得能仅消耗较低的成本便能够实现能量的长时间储存。在本储能材料改性剂的实际应用的过程中，可以根据需求将该储能材料改性剂配合各种复合混晶材料制作成不同类型的太阳能蓄能模块，适用于为工业生产、日常生活等各个领域储能供热，还能够满足热量跨季节存储的需求。

为了使本发明的效果更有说服力，进行如下对照试验，其中实验组选用混凝土作为复合储能结晶材料，并将相应的试验结果记录在表2中：

实验组：

按照表1的配比称取各原料。

将所选取的原料放入搅拌锅，低速搅拌2min，然后搅拌锅以高速60～120r/min搅拌2min，然后静置；由此获得本发明的储能材料改性剂；

向该搅拌锅中加入适量的混凝土材料，同样低速搅拌2min，然后搅拌锅以高速60～120r/min搅拌2min，然后静置烘干；

其中，该混凝土材料为普通硅酸盐水泥、玄武岩、河砂的复合晶体混合物，加入至搅拌锅的混凝土材料的总重量份应为储能材料改性剂重量份的6～9倍；

该混凝土材料的组分普通硅酸盐水泥应选用25以上标号的普通硅酸盐水泥，优选可选用42.5R普通水泥以保障更佳的效果。值得说明的是，充当膨胀系数改性剂的氮化铝、氧化镁和氧化铝同样也具有导热特性，故氮化铝、氧化镁和氧化铝的添加也能在一定程度上增大待改性储能材料的导热性能。

在反应完成后，停止搅拌，得到由本发明的储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物；

应当说明的是，表1中的各纤维材料的加入均是为了使得在纤维材料添加至混凝土中时，为混凝土和本储能材料改性剂融合时提供水气排出和压力释放的通道，并能够在一定程度上提高混凝土和储能材料改性剂混合而成的混合物初期的强度。

利用图1所示的热量测试装置10对本储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物的储热性能进行测试：

将该混合物通过容器开口1011导入至容纳体积大小为1立方米的正方体形状的容器101中，以填满该容器，并封闭容器开口1011；该容器101贯穿有一个或多个导热管102，由此可得到一个具有固定体积、贯穿有一个或多个导热管102且由该混合物所构成的蓄能模块。可以理解的是，该容器101的外表面涂有保温材料层以防止热量的流失，以保障实验数据的可靠性。

往上述导热管中流通一具有350～400℃的高温导热介质，可以理解的是该导热介质可以是联苯和联苯醚的混合物。

待导热介质在导热管内流通一段时间，以使得导热介质通过导热管与容器101内的蓄能模块导热充分；

上述导热充分是指该高温导热介质所流通的时长足够以让该蓄能模块吸热饱和，具体的高温导热介质所流通的时长应与该定型模具的体积大小和导热管在蓄能模块内的分布有关。

测试当前蓄能模块的最大储能温度T，并将T的值记录在表2中。

在热量测试装置10中，导热管102的两端连接安装有量热计103；自时间t₁开始往该导热管中以流量大小0.1m³/s导通水，由此可通过该量热计确定经过该蓄能模块的水量及导热温差，并将导热温差的最大值记录在表2中；

当导热温差为零时，确定此时间点为t₂，根据t₁和t₂的差值确定蓄能模块所持续供热的时间，并将持续供热时长的值记录在表2中，通过量热计可以确定t₁至t₂容器101内的蓄能模块所获取的热量总数Q_总，将Q_总确定为蓄能模块的储能容量Q，并将其记录在表2中。

对照组：

分别选用水和石蜡这两种不同类型的相变材料作为对照组与实验组进行参照对比实验，并将相应的实验结果同样记录在表2中：

通过容器开口1011向容器101中填满水，并封闭容器开口1011；可以理解的是，水的初始温度与实验组中各蓄能模块的初始温度基本相同，均应是常温。

向导热管102内流通一与实验组相同的高温导热介质。

待导热介质通过导热管102与水导热充分，测试当前容器中水的最大储能温度T，并将T的值记录在表2中。

自时间t₁’开始往导热管102中以流量大小0.1m³/s导通水，由此可通过该量热计103确定经过导热管102的水量及导热温差，并将导热温差的最大值记录在表2中。

当导热温差为零时，确定此时间点为t₂’，根据t₁’和t₂’的差值确定参照容器所持续供热的时间，并将该持续供热时长的值记录在表2中，通过量热计可以确定t₁至t₂容器101内的水所获取的热量总数Q_总’，将Q_总’确定为水的储能容量Q，并将其记录在表2中。

同理，在容器101中填入石蜡，并采用相同的测试方法进行测试，并将相应的测试结果填入表2中。

表2(实施例1～8的组分含量可参照表一，故在表2中不加以赘述)

由上述数据可知，由本发明的储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物的最高储能温度范围为可达到350℃，能适应大多数的工业生产的温度需求，相比于现有技术中的相变材料，具有更广的适用性。利用生活中最常见的相变材料水作为储能材料时，水的单位储能容量为189MJ/m³；利用以石蜡为代表的高性能相变材料时，石蜡的单位储能容量为154MJ/m³；而利用本发明的储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物进行能量存储时，储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物的单位储能容量可达到3GJ/m³。通过上述实验数据可以获知，利用该储能混合物所构成的全固态的蓄能模块进行能量存储，与现有技术中的相变材料相比，在储能容量方面具有大大提高。该混合物还可以应用在太阳能跨季节蓄能模块上，能保障在较低的储能保温的成本下，实现太阳能的跨季节存储。

由于本发明的储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物的储能密度的提高，使得在同等储能容量的需求下，由本发明的储能材料改性剂所制成的蓄能模块的体积占比小，相应的该蓄能模块的表面积也将大为减少。可以理解的是，热的交换主要是在通过物体的表面进行的，由于表面积的减少，相应的通过蓄能模块表面散失的热量也减少，蓄能模块的保温时间大为延长.。

将本发明的储能材料改性剂应用在太阳能跨季节蓄能模块上，使得在同等保温条件下，由本发明的储能材料改性剂与混凝土材料混合所得到的混合物所制成的蓄能模块能将保温时长延长至数月，实现太阳能的跨季节存储。

以上构思仅是本发明的一种实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，例如，将本储能材料改性剂添加至除混凝土以外的其他待改性材料中所获得的储能混合物，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种储能材料改性剂，其特征在于，所述储能材料改性剂由热传导改性材料、膨胀系数改性材料、有机粘结材料、纤维材料、增强材料和水所组成，

其中各组分为：

原料重量份

(1)热传导改性材料，所述热传导改性材料包含有：

石墨 1～10份

金属化合物晶须 0.5～15份

(2)膨胀系数改性材料，所述膨胀系数改性材料包含有：

稀土氧化物 1～8份

(3)有机粘结材料：

聚乙烯 0.005～2份

聚丙烯 0.005～3份

(4)纤维材料，所述纤维材料包含有：

2.根据权利要求1所述的储能材料改性剂，其特征在于：

所述石墨为重量含量为1～5份的片状石墨和1～5份的石墨烯微片；

所述稀土氧化物为0.5～3份的氧化铈、0.5～3份的氧化镧和0.1～2份的氧化锆；

所述金属化合物晶须为金属氧化物晶须和/或金属氮化物晶须；

所述增强剂为钢纤维。

3.根据权利要求1或2所述的储能材料改性剂，其特征在于：

所述热传导改性材料还包含有重量含量为0.1～5份的碳纳米管。

4.根据权利要求1或2所述的储能材料改性剂，其特征在于：

所述金属化合物晶须选自氧化镁晶须、氧化铝晶须和氮化铝晶须中的一种或多种。

5.根据权利要求1或2所述的储能材料改性剂，其特征在于：

所述膨胀系数改性材料还包含有氮化铝、氧化镁和氧化铝中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的储能材料改性剂，其特征在于：

所述纤维材料还包含有尼龙纤维、木质素人造纤维和天然植物纤维中的一种或多种。

7.一种如权利要求1所述的储能材料改性剂的制备方法，其特征在于，包括：

第一步，按照配比称取各原料：热传导改性材料、膨胀系数改性材料、有机粘结材料、纤维材料、增强材料和水；

第二步，将所称取的原料放入搅拌锅，低速搅拌2min，然后高速60～120r/min搅拌2min，然后静置。

8.权利要求7所述的储能材料改性剂在太阳能跨季节蓄能模块上的应用，所述太阳能跨季节蓄能模块由所述储能材料改性剂和复合晶体储能材料混合而成。