本發(fā)明涉及相變儲熱材料，特別涉及一種核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著能源消耗持續(xù)增加，傳統(tǒng)能源因環(huán)境污染和儲量有限而加劇了能源危機(jī)，因此高效利用太陽能這一清潔且豐富的可再生能源成為緩解危機(jī)的關(guān)鍵。太陽能光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)作為一種直接、高效的太陽能利用技術(shù)，具有低成本和生產(chǎn)過程污染小等優(yōu)勢。但是太陽能存在間歇性和波動性問題，儲熱技術(shù)是克服這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相變儲熱技術(shù)因其具有儲熱/釋熱溫度穩(wěn)定、能量密度高和儲熱相變材料豐富等特點(diǎn)，能夠有效緩解太陽能的間歇性。將太陽能光熱轉(zhuǎn)換與相變儲熱技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)零碳排放的熱能存儲。與間接式太陽能熱能利用技術(shù)相比，太陽能光熱轉(zhuǎn)換與相變儲熱一體化技術(shù)可以減少熱能傳遞環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更高效的太陽能收集。然而現(xiàn)有技術(shù)中光熱轉(zhuǎn)換與相變儲能一體化材料的應(yīng)用溫度和儲熱容量受限，儲能密度低、易坍塌、光譜吸收率低、成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明第一目的為提供一種具有高溫光熱轉(zhuǎn)換與相變儲熱一體化核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，提高了應(yīng)用溫度、儲能密度、高抗壓強(qiáng)度、光譜吸收率，降低了成本；本發(fā)明的第二目的為提供所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法；本發(fā)明的第三目的為提供所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的應(yīng)用。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，由芯材和外殼組成；所述芯材為以氧化鎂和六方氮化硼為骨架搭載氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的白色球型顆粒；所述外殼為錳鐵黑。

3、外殼錳鐵黑光譜吸收性能更高，可見光波段太陽能捕獲能力強(qiáng)，光熱轉(zhuǎn)化速率更高。芯材導(dǎo)熱性能更高，吸熱放熱速度更快，具有高儲熱密度和高強(qiáng)度。芯材與錳鐵黑殼層通過協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了光熱轉(zhuǎn)化與相變儲能一體化，通過外殼吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，利用芯材氧化鎂形成的連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)快速傳導(dǎo)熱能，儲存至復(fù)合相變材料中。

4、所述芯材中：氧化鎂的作用為提供連續(xù)骨架，提升復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率和抗泄漏變形能力；六方氮化硼的作用為提高復(fù)合相變材料的抗壓強(qiáng)度和抗泄漏變形能力；氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的作用為提升應(yīng)用溫度、儲能密度、降低成本。

5、優(yōu)選的，所述芯材中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述氧化鎂的含量為45～48％，六方氮化硼的含量為5～10％，氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的含量為45～48％

6、優(yōu)選的，所述芯材中，所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的粒徑為1～2mm。

7、優(yōu)選的，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述芯材的含量為80～90％，外殼的含量為10～20％。

8、本發(fā)明所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法，包括以下步驟：

9、(1)將氧化鎂、六方氮化硼以及氯化鈉-氯化鉀共晶鹽，放置于球磨機(jī)球磨混合均勻，加入粘結(jié)劑溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆?，使其成為濕料?/p>

10、(2)將濕料投入擠出機(jī)，通過擠壓的方式使其成為條狀；

11、(3)將條狀混合物分散成段狀，投入滾圓機(jī)中滾圓后收集得到顆粒，干燥；

12、(4)將顆粒加入粘結(jié)劑溶液，然后加入錳鐵黑粉末進(jìn)行包衣，直到錳鐵黑粉末均勻包覆于顆粒表面后得到黑色顆粒，取出；

13、(5)將黑色顆粒煅燒去除粘結(jié)劑，得到所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒。

14、優(yōu)選的，步驟(1)中，所述球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為300～400r/min，球磨時(shí)間為1～2h。

15、所述氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的制備方法為：將氯化鈉、氯化鉀混合，置于球磨機(jī)中充分研磨使其混合均勻，并置于烘箱內(nèi)充分烘干水分，得到復(fù)合相變顆粒。優(yōu)選的，氯化鈉和氯化鉀質(zhì)量比1:1.30。優(yōu)選的，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為300r/min，球磨時(shí)間為2h。優(yōu)選的，烘干溫度為110℃，烘干時(shí)間4～5h，此條件下所獲共晶氯鹽完全干燥不含水分。

16、優(yōu)選的，所述粘接劑為聚乙烯醇。聚乙烯醇溶液的制備方法為：按照濃度稱量聚乙烯醇粉末倒入去離子水中，將燒杯貼上封口膜，置于水浴恒溫磁力攪拌器中，加熱攪拌使其充分溶解均勻。優(yōu)選的，水浴恒溫磁力攪拌器溫度設(shè)置為100℃，攪拌時(shí)間3～4h，此條件下聚乙烯醇粉末能完全溶解。優(yōu)選的，所述聚乙烯醇溶液濃度為3wt％。

17、優(yōu)選的，步驟(1)中，所述粘結(jié)劑溶液與粉末的體積比約為1:4，可視情況稍作增減，此條件下的濕料更適合擠出。

18、優(yōu)選的，步驟(2)中，所述擠壓速率為80rmp，此條件下，擠出速度適中且成型率高。

19、優(yōu)選的，步驟(3)中，將條狀混合物通過反復(fù)揉搓、過篩的方式，分散成滾圓所需段狀。

20、優(yōu)選的，步驟(3)中，所述滾圓機(jī)引風(fēng)轉(zhuǎn)速1000～1200rmp，鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速800～1000rmp，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速80～100rpm，進(jìn)風(fēng)溫度30～50℃。

21、優(yōu)選的，步驟(3)中，所述干燥的溫度為110℃，干燥時(shí)間為4～5h。

22、優(yōu)選的，步驟(4)中，將干燥顆粒投入包衣機(jī)中，設(shè)置蠕動泵4rmp，引風(fēng)轉(zhuǎn)速1200rmp，鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速1000rmp，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速100rpm，進(jìn)風(fēng)溫度50℃，均勻撒入錳鐵黑，包衣過程持續(xù)15～20min，此條件下包衣效果最佳且均勻分布，可進(jìn)一步提升抗泄漏性能。

23、優(yōu)選的，步驟(5)中，所述煅燒溫度為720～750℃，時(shí)間4～5h。

24、本發(fā)明所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒在一體化光熱轉(zhuǎn)換和相變儲熱中的應(yīng)用。

25、優(yōu)選的，所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒在儲熱過程中為流動態(tài)。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述應(yīng)用為將所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒置于新型移動床系統(tǒng)中。

26、發(fā)明機(jī)理：氧化鎂和六方氮化硼這兩種材料都是支撐材料，起到了構(gòu)建連續(xù)的骨架和支撐相變材料作用，同時(shí)提供毛細(xì)管力防止相變材料的泄漏。錳鐵黑通過包衣技術(shù)包覆在芯材外側(cè)，高純度的外殼提升光譜吸收能力。粘結(jié)劑溶液用于制備過程中的塑型和粘結(jié)作用，隨著溫度的升高逐漸揮發(fā)被去除。加熱至液態(tài)的氯化鈉-氯化鉀共晶鹽不僅代替了粘接劑發(fā)揮粘結(jié)的作用，還提供了必要的毛細(xì)管力拉攏氧化鎂和六方氮化硼材料，使支撐材料緊密聚集并重新排列，從而形成了一個連續(xù)且穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。在燒結(jié)完成后的冷卻過程中，氯化鈉-氯化鉀共晶鹽逐漸從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，充分填充在骨架中的空隙中，增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，最終形成形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。

27、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)通過以氧化鎂和六方氮化硼為骨架材料并搭載氯化鈉-氯化鉀共晶鹽形成芯材，錳鐵黑為外殼，光譜吸收性能更高，可見光波段太陽能捕獲能力強(qiáng)，光熱轉(zhuǎn)化儲能效率高，具有高儲熱密度；(2)該核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒耐腐蝕、相變焓高；(3)采用擠出滾圓-混合燒結(jié)的制備方法，工藝簡單，可大規(guī)模制備，具有工業(yè)應(yīng)用前景；(4)該核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒能夠在流動狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效儲熱。

技術(shù)特征：

1.一種核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，其特征在于，由芯材和外殼組成；所述芯材為以氧化鎂和六方氮化硼為骨架搭載氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的白色球型顆粒；所述外殼為錳鐵黑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，其特征在于，所述芯材中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述氧化鎂的含量為45～48％，六方氮化硼的含量為5～10％，氯化鈉-氯化鉀共晶鹽的含量為45～48％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，其特征在于，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述芯材的含量為80～90％，外殼的含量為10～20％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒，其特征在于，所述芯材中，所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的粒徑為1～2mm。

5.一種權(quán)利要求1～4任一所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法，其特征在于，所述粘接劑為聚乙烯醇。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述煅燒溫度為720～750℃，時(shí)間4～5h。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述干燥的溫度為90～110℃，干燥時(shí)間為4～5h。

9.一種權(quán)利要求1～4所述的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒在光熱轉(zhuǎn)換和相變儲熱一體化中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒在使用過程中為流動態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒及其制備方法與應(yīng)用，所述顆粒由芯材和外殼組成；所述芯材為以氧化鎂和六方氮化硼為骨架搭載氯化鈉?氯化鉀共晶鹽的白色球型顆粒；所述外殼為錳鐵黑。本發(fā)明的核殼結(jié)構(gòu)高溫光熱相變儲熱顆粒具有高溫光熱轉(zhuǎn)換與相變儲熱一體化的特點(diǎn)，顆粒材料的導(dǎo)熱率有明顯改善，儲熱密度更高、太陽能光譜吸收率強(qiáng)、循環(huán)穩(wěn)定性好，能夠在流動狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效的高溫太陽能光熱轉(zhuǎn)換與相變儲熱。

技術(shù)研發(fā)人員：劉向雷,朱靜文,姚海沉,宣益民
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15