[发明专利]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

说明书

本发明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/cm³的块状，得到高导热光‑热转化复合相变储热材料；该材料不仅具有理想的储热密度和导热性能，而且可以高效地将光能转化为热能，导热系数为2.27‑3.52W/(m·K)，光‑热转化效率为86.6‑91.0％。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

中国发明专利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。

中国发明专利申请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。本发明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。本发明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。采用本发明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，该发明使用的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，如中国发明专利申请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，该发明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。

发明内容