用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了用于太阳能热水器的高导热光‑热转化复合相变储热材料及其制备方法；该制备方法是将三水乙酸钠和成核剂混合，加热至60‑80℃并保温1‑3h；加入膨胀石墨，搅拌均匀，得到均匀的三水乙酸钠/膨胀石墨混合物；在温度为60‑80℃条件下，边搅拌边加入纳米光‑热转化材料，继续搅拌2‑4h，冷却至室温后，将搅拌后的混合材料压制成密度为0.5‑2g/cm

【技术实现步骤摘要】
用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料及其制备方法
本专利技术涉及相变储热材料领域，特别是涉及一种用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料及其制备方法。
技术介绍
太阳能热水器是将太阳能转化为热能的装置，将水从低温加热到高温，满足人们在生活生产中对热水的需求。目前市场上的太阳能热水器主要有集热器、保温水箱、控制系统、连接管道等部分构成。集热器产生的热量通过热交换储存在水中。然而水的储热密度低，通常需要较大的水箱以满足需求。同时，这种热水器还存在结垢，出水温度不恒定，顶水水质不新鲜等缺点。相变材料通过发生相变而吸收或释放热量，具有储热密度高，狭窄的相变温度范围等优势，在热能储存领域扮演了重要角色。三水乙酸钠是一种性能优异的相变材料，相变温度为58℃，阻燃性好，无毒无腐蚀，廉价易得。1kg该物质发生相变可以吸收或释放280KJ热量，而释放或吸收同样的热量，需要3.3kg水温度改变20℃。因此，采用三水乙酸钠储热，具有明显的优势。然而，三水乙酸钠作为相变材料在使用过程中，面临三个问题：过冷、导热性能差、泄漏。通常，加入成核剂以降低过冷度，提高三水醋酸钠结晶性能。通过制备形状稳定的复合相变材料解决泄漏问题，这类相变材料受热发生相变后宏观上仍为固体，仅发生微观状态的相变。通过加入导热填料提高其导热性，但导热填料的加入必然会降低有效相变材料的含量，影响其储热密度。在太阳能热水器领域应用的相变材料，最理想的情况是相变储热材料兼具集热器的功能，即相变材料自身可吸收光能，并将光能转化为热能。这不仅可以提高热水器集成度、减小体积，而且生产和安装的技术复杂度大大降低。然而，普通的相变材料的并不具备将光能转化为热能的能力。中国专利技术专利201610437361.1公开了一种用于太阳能储热的相变储能材料，该材料采用三水乙酸钠作为太阳能储热材料，膨胀石墨为定型载体，乙醇和氟酸钾盐的混合物作为成核剂，该相变储能材料热焓值高，性能稳定。然而，该材料不具备光-热转化能力，在太阳能热水器中仅起到储热的作用。中国专利技术专利申请2015103988760公开了一种可高效利用太阳能的定形相变复合材料，由无机载体支撑材料和填充在所述无机载体支撑材料内的有机相变储热材料和光热转换纳米材料。本专利技术还提供了上述可高效利用太阳能的定形相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备CuS纳米粉体，(2)制备石蜡-SiO2-CuS定形相变复合材料。本专利技术所述定形相变复合材料，不仅具有较高的储热容量和相变过程中形状稳定的特点，该相变复合材料还具有显著的光热转换能力，能够将太阳光更高效地转换成热能储存起来，为实现太阳能的高效利用提供了一个新途径。采用本专利技术上述定形相变复合材料的制备方法获得的复合材料中各组分分散性好、复合效果佳、材料的结构稳定。然而，该专利技术使用的SiO2导热性能差，现有技术通常将SiO2用作隔热填料和绝热材料，如中国专利技术专利申请201711167363.4，200810226164和200810042735.5都涉及SiO2用作隔热填料和绝热材料。而石蜡的导热系数也仅为0.25W/(m·K)左右，因此，该专利技术制备的复合相变材料由于导热性能差，无法满足相变材料对高换热速率的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供了一种高导热光-热转化复合相变储热材料及其制备方法；该材料不仅储热密度高，集成了目前太阳能热水器的集热器与水箱的功能，而且具有高的导热系数，可以高效地将光能转化为热能，光-热转化效率高达86％以上。为了实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料的制备方法，包含以下步骤：1)将三水乙酸钠和成核剂混合，加热至60-80℃并保温1-3h；加入膨胀石墨，搅拌均匀，得到均匀的三水乙酸钠/膨胀石墨混合物；2)在温度为60-80℃条件下，边搅拌边加入纳米光-热转化材料，继续搅拌2-4h，冷却至室温后，将搅拌后的混合材料压制成密度为0.5-2g/cm3的块状，得到高导热光-热转化复合相变储热材料；以质量份数计，原料组分组成为：三水乙酸钠：65-80％成核剂：0.3-5％膨胀石墨：10-30％纳米光-热转化材料：5-10％。为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的成核剂为氮化铝、磷酸氢二钠、银纳米粒子、二水溴化钠和无水乙酸钠中的一种或多种。优选地，所述的纳米光-热转化材料为CuS、Cu2S、CuSe、Bi2S3、TiS2、碳纳米管、纳米石墨粉和纳米炭黑中的一种或多种。优选地，步骤1)和步骤2)所述的搅拌都为机械搅拌。优选地，所述的机械搅拌的时间为1-2h。优选地，所述的机械搅拌的速度为100-600r/min。优选地，压制后所述的混合材料密度为1-1.5g/cm3。一种用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料，由上述的制备方法制得；复合相变储热材料的相变温度为55-58℃，相变潜热为176.7-216J/g，导热系数为2.27-3.52W/(m·K)，过冷度小于4℃，光-热转化效率为86.6-91.0％。相对于现有技术，本专利技术的优点和积极效果是：1)本专利技术提供的复合相变储热材料采用三水乙酸钠做储热剂，相比有机物储热剂具有相变潜热高、导热性能好、价格低等优点。2)本专利技术提供的复合相变储热材料采用膨胀石墨作为支撑材料，不仅克服了三水乙酸钠相变过程中液体泄漏问题，而且通过压缩成型，膨胀石墨颗粒之间形成了有效的导热网络，提高了相变材料的导热性能(最高导热系数为3.52W/(m·K))，有利于相变材料内部的热交换。3)本专利技术提供的复合相变储热材料不仅具有高的储热密度，还可以高效地将光能转化为热能，光-热转化效率高达86％以上。应用在太阳能热水器上，兼具集热器和水箱的双重功能，减小了太阳能热水器体积，降低了热水器生产和安装的技术复杂度。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术的实施方法不限于此。本专利技术用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料的原料主要由三水乙酸钠、成核剂、膨胀石墨和纳米光-热转化材料组成，但并非简单地将纳米光-热转化材料加入相变储能材料中。而是专利技术人发现膨胀石墨不仅可以作为支撑材料克服了三水乙酸钠相变过程中液体泄漏问题，而且通过压缩成型，膨胀石墨颗粒之间形成了有效的导热网络，提高了相变材料的导热性能(最高导热系数为3.52W/(m·K))，有利于相变材料内部的热交换。本专利技术将原料组成的混合物压制成密度为0.5-2g/cm3的块状，专利技术人发现，当密度低于0.5g/cm3，相变储热材料导热性能不佳，而当密度高于2g/cm3，材料成型的成本很高。一般的太阳能热水器包括集热器、保温水箱、管道、控制系统等部分。集热器的作用是利用太阳辐射，将太阳能转化为热能，而热能的储存则要依靠保温水箱来实现。对于普通的太阳能热水器，集热和储热是由不同的部件完成。本专利技术制备的材料既可以将太阳能转化为热能，又可以储存该热能，兼具集热器和水箱的功能。由于本专利技术制备的材料同时具有集热和储热的功能，相当于结合了一般太阳能热水器的集热器和水箱的功能。本专利技术制备的材料封装后，保证材料的正面(即向阳的面)是玻璃封装，材料直接在阳光环境中照射就可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于太阳能热水器的高导热光‑热转化复合相变储热材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：1)将三水乙酸钠和成核剂混合，加热至60‑80℃并保温1‑3h；加入膨胀石墨，搅拌均匀，得到均匀的三水乙酸钠/膨胀石墨混合物；2)在温度为60‑80℃条件下，边搅拌边加入纳米光‑热转化材料，继续搅拌2‑4h，冷却至室温后，将搅拌后的混合材料压制成密度为0.5‑2g/cm3的块状，得到高导热光‑热转化复合相变储热材料；以质量份数计，原料组分组成为：三水乙酸钠：65‑80％成核剂：0.3‑5％膨胀石墨：10‑30％纳米光‑热转化材料：5‑10％。

【技术特征摘要】
1.用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：1)将三水乙酸钠和成核剂混合，加热至60-80℃并保温1-3h；加入膨胀石墨，搅拌均匀，得到均匀的三水乙酸钠/膨胀石墨混合物；2)在温度为60-80℃条件下，边搅拌边加入纳米光-热转化材料，继续搅拌2-4h，冷却至室温后，将搅拌后的混合材料压制成密度为0.5-2g/cm3的块状，得到高导热光-热转化复合相变储热材料；以质量份数计，原料组分组成为：三水乙酸钠：65-80％成核剂：0.3-5％膨胀石墨：10-30％纳米光-热转化材料：5-10％。2.根据权利要求1所述的用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，所述的成核剂为氮化铝、磷酸氢二钠、银纳米粒子、二水溴化钠和无水乙酸钠中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的用于太阳能热水器的高导热光-热转化复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米光-热转化材料为CuS、Cu2S、CuSe、Bi2S3、TiS2、碳纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁文辉，肖强强，李莉，方耀兵，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44