用于能量储存应用的地质聚合物混凝土制造技术

一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品包括至少一种粘合剂；至少一种碱活化剂；具有高热导率和高热容量的至少一种细集料；以及具有高热导率和高热容量的至少一种粗集料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于能量储存应用的地质聚合物混凝土
本公开涉及专门用于热能储存应用的高级地质聚合物混凝土。
技术介绍
需要开发一种低成本的固体热能储存介质，其在升高的工作温度下在长期的服务时间内将保持高机械强度(例如，抗压和抗弯)、高热性能(例如热导率、比热容)。
技术实现思路
根据第一广泛的方面，本公开提供了一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品，其包括至少一种粘合剂；至少一种碱活化剂；具有高热导率和高热容量的至少一种细集料；以及具有高热导率和高热容量的至少一种粗集料。具体实施方式尽管本专利技术易于有各种修改和替代形式，但是其具体实施例已经在附图中以示例的方式示出，并且将在下面进行详细描述。然而，应理解，其并非旨在将本专利技术限制为所公开的特定形式，而是相反，本专利技术将涵盖落入本专利技术的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。近年来，由于高昂的能源成本以及对减少温室气体排放的愈加关注，人们寻求开发替代资源，诸如太阳能和风能。然而，太阳能的间歇可用性导致供需之间的能量差距，即，在晴天，收集的太阳能通常超过直接使用所需的能量。因此，高效且经济的热能储存(TES)系统的设计和开发对于太阳能发电厂至关重要。风能发电厂和工业废热再利用也是如此。然而，世界上只有极少数的太阳能热电厂采用这些TES系统。1,2,3,4热能能够以显热、潜热和可逆化学反应热的形式被储存。当前，液体介质储存，例如熔融盐，是对于高温热储存应用公知的且在商业上采用的技术。相变材料(PCMs)属于涉及固液(熔融)转变的潜热储存介质的类别。尽管PCMs的能量密度很高，但传热设计和介质选择却是困难的。目前，硝酸盐用于公用事业规模的TES系统中。尽管硝酸盐的熔融温度相对较低，例如高达350℃，但是它们的低热导率导致缓慢的充电和放电速率。5在经过中等数量的冻融循环后，材料的性能劣化。根据美国能源部(DOE)，储存热能的单位成本约为$30.00/kWhthermal。当使用太阳能作为热源时，每千瓦时电力的成本高，约为$0.15–$0.20/kWhelectric。燃烧化石燃料的单位电力成本为$0.05–$0.06/kWh。显然，当前的技术无法与传统形式的发电竞争。作为回应，DOE已经制定了将太阳能发电的成本降低到$0.05–$0.07/kWhelectric并且实现低于$15.00/kWhthermal的热量储存成本的目标。因此，减少储存介质的成本是实现既定目标的关键步骤。6关于投资和维护成本的一个有吸引力的选择是应用固态显热储存介质。3这些固态显热储存材料的示例包括氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、砖镁砂、二氧化硅耐火砖、铸铁和石墨。4,7作为能量储存材料的波特兰水泥(PC)基混凝土价格便宜，并且PC混凝土是唯一据报每kWhthermal的成本为1美元的介质(https://news.uark.edu/articles/19653/researchers-develop-effective-thermal-energy-storage-system)，远低于美国能源部实现以15美元每千瓦时的成本实现热能储存的目标。德国航空航天中心于2003/2004年在德国政府资助的项目中在西班牙的阿尔梅里亚太阳能平台成功地测试了第一PC混凝土储存装置。8,9,10,11,13通常，固态介质储存系统包括具有嵌入式热交换器的基质固体材料。在充电期间，热能从传热流体(HTF)(太阳能发电厂)或废气(燃煤发电厂)传递到储存系统。在放电时，热能从储存系统转移到水，例如用于直接产生蒸汽。12作为显热储存介质的波特兰水泥混凝土(PCC)已经进行了相当广泛地研究和测试。6,14,15,16,17波特兰水泥基混凝土在暴露于高温时是不稳定的。19,20,21,22,23水合硅酸钙(CSH)是波特兰水泥的主要水合产物，并且是常规混凝土中的主要粘结相。其他水合产品包括石膏、熟石灰和钙矾石。在暴露于高温时，例如，在着火的情况下，钙矾石在70-90℃下脱水并分解。可蒸发水在100-120℃下从混凝土中去除。石膏在110-170℃下分解。熟石灰在350-550℃下分解成石灰和水，并且CSH凝胶在200-700℃下脱水并分解。21通常，波特兰水泥混凝土在暴露于低于300℃的温度时是相当稳定的，尽管可能会发生微裂隙。在约400℃或400℃以上的温度下，因为CSH的大量脱水和分解，由于较高的内部压力而发生开裂和剥落。24,25,26,27在高于600℃时，波特兰水泥混凝土在较长持续时间的高温暴露下可能会变得多孔和粉化并且可能完全失去其物理完整性。对混凝土热能储存系统而言，高工作温度总是可取的。29由于波特兰水泥混凝土在暴露于高温时的固有不稳定性，混凝土TES的最高工作温度被限制在400℃以下。3,28例如，Laing等人11,13使用波特兰水泥混凝土TES系统进行了测试，该系统在300℃与400℃之间的最高温度下工作约100个热循环。TES系统的较高工作温度产生较高的功率密度。大量固体储存介质中储存的热能的量可以表示为Q＝ρ×Cp×V×ΔT，其中Q是储存的热量(J)，ρ是材料的密度(kg/m3)，Cp是在工作温度范围内的比热(J/(kg·K))，V是所用材料的体积(m3)以及ΔT是工作温度范围。对于给定的材料，储存显热能的能力取决于数量ρ×Cp的值。显热TES系统的储能密度与温度差和比热容(Cp)成正比。较高的工作温度通常导致较大的温度差，并因此增加每单位体积的可储存的材料的能量的数量。此外，热能储存介质应具有高热导率(TC)，以实现高效的充电和放电。波特兰水泥超高性能混凝土是一类由其超高强度和耐用性定义的混凝土。30它是20世纪80年代在欧洲为要求卓越的强度和耐腐蚀性-船用锚、码头和地震结构的专门应用而开发的。PC-UHPC是水泥复合材料，其由优化级配的颗粒成分、比率小于0.25的水-水泥材料和高百分比的不连续内部纤维增强物组成。PC-UHPC的机械性能包括大于20,000psi或140MPa的抗压强度。John等人31报道了在500℃下进行测试的PC-UHPCTES系统。当PC-UHPC在混凝土混合物中不包含聚乙烯纤维时被加热到超过500℃时，观察到爆炸剥落。阿肯色大学的Skinner等人32进一步开发了超高性能混凝土TES装置。据报道，数种PC-UHPC混合物可在超过500℃的温度下承受热循环。不幸的是，在充电期间观察到开裂和从设备中排出水蒸气。32Aydin和Baradan33测试了碱活化矿渣和波特兰水泥基UHPC的耐高温性。已经发现，由于严重剥落，PC-UHPC仅仅在高于400℃的温度下失效。相较于普通强度混凝土(NSC)为300kg/m3至400kg/m3，PC-UHPC混合物通常包括明显较高量的波特兰水泥，例如650kg/m3至1000kg/m3。进而，更多的CSH凝胶形成，CSH凝胶的脱水和分解在高于400℃的温度下变得更加严重。此外，通常使用大量的高效减水剂固体，例如0.5vol.％至1.5vol.％，以将水与粘合剂的比率降低至低于0.25。高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品，其包括：/n至少一种粘合剂；/n至少一种碱活化剂；/n至少一种细集料；以及/n至少一种粗集料；/n其中，所述TES混凝土产品具有高热导率和高热容量。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180725 US 62/703,295;20190722 US 16/517,8021.一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品，其包括：
至少一种粘合剂；
至少一种碱活化剂；
至少一种细集料；以及
至少一种粗集料；
其中，所述TES混凝土产品具有高热导率和高热容量。


2.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂选自由以下项组成的组：低钙F级飞灰、偏高岭土、高炉矿渣、C级飞灰和玻璃铝硅酸钙。


3.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂占TES的混凝土混合物的10wt.％至35wt.％。


4.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂是CaO小于或等于15wt.％的低Ca级飞灰。


5.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂包括低Ca级飞灰和偏高岭土。


6.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂是偏高岭土。


7.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粘合剂包括高炉矿渣和偏高岭土。


8.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种碱活化剂包括金属氢氧化物、金属硅酸盐和水，其中，所述金属是钾、钠或这两者的组合。


9.根据权利要求8所述的产品，其中，所述金属氢氧化物包括占所述TES混凝土产品的1wt.％至8wt.％的M2O(M＝Na、K或这两者)，其中，所述金属硅酸盐包括占所述TES混凝土产品的2wt.％至16wt.％的SiO2，并且其中，所述碱活化剂包括占所述TES混凝土产品的4wt.％至20wt.％的水。


10.根据权利要求8所述的产品，其中，所述至少一种碱活化剂具有0.25至0.60的w/b、0.85至2.0的摩尔SiO2/M2O比率和5至15的MOH摩尔浓度。


11.根据权利要求1所述的产品，其中，至少一种细集料占所述TES混凝土产品的20wt.％至50wt.％。


12.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种细集料包括石英、氧化铝、熔融氧化铝、莫来石、蓝晶石、镁橄榄石、二氧化钛、赤铁矿、磁铁矿、尖晶石、铁粒和铁屑、金属屑、碳化硅、石墨、石墨烯、碳微粒或它们的组合。


13.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种细集料包括铁丸、氧化铝和金属屑，并且其中所述金属屑选自由以下项组成的组：铜、黄铜、铸铁和不锈钢。


14.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种细集料选自由以下项组成的组：石英、氧化铝、赤铁矿、碳微粒和它们的组合。


15.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粗集料占所述TES混凝土产品的20wt.％至60wt.％。


16.根据权利要求1所述的产品，其中，所述至少一种粗集料选自由以下项组成的组：石英岩、玄武岩、花岗岩、耐火材料、瓷和它们的组合，并且其中所述耐火材料选自由以下项组成的组：二氧化硅基、氧化镁基和氧化铝基，并且所述瓷选自由以下项组成的组：氧化铝基、硅酸铝基和二氧化钛基。


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【专利技术属性】
技术研发人员：贡伟亮，徐辉，沃纳·卢茨，I·L·派格，
申请(专利权)人：美国天主教大学，
类型：发明
国别省市：美国;US