一種高溫相變儲熱材料及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種高溫相變儲熱材料，由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備而成，各原料所占質量百分比分別為：碳酸鍶30％-40％，碳酸鋰32％-48％，碳酸鉀9％-18％，碳酸鈉8％-19％。該高溫相變儲熱材料具有使用溫度范圍廣、相變潛熱大、相變儲熱能力大，性能穩定等特點。
【專利說明】一種高溫相變儲熱材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，應用于太陽能熱發電及工業余熱回收用儲熱系統。
【背景技術】
[0002]高溫熱利用是能源領域的研究熱點之一，如核反應熱能回收、太陽能熱發電等。在太陽能熱發電過程中，高溫傳熱儲熱材料用于存儲和傳遞太陽輻射能。發電的過程是:通過定日鏡或其他反光裝置將太陽能匯聚起來并被儲熱材料吸收，在需要時，將儲熱材料的熱量釋放出來，用于產生蒸汽，再使蒸汽推動汽輪機進行發電。塔式太陽能發電站需要能承受400~800°C高溫的傳熱儲熱材料，以提高能量轉換效率；傳熱材料可以將熱量從儲熱材料中轉移出來，用于產生水蒸汽。既能傳熱又能儲熱的材料能夠簡化發電系統，減少熱量損失，提高效率，節省成本。
[0003]熔融鹽作為傳熱儲熱材料具有儲熱能力強、使用溫度范圍廣、成本低等優點。世界上許多塔式太陽能發電站采用硝酸熔融鹽作為傳熱或者儲熱材料。文獻[I] (CordaroJG, Rubin NC, Bradshaw Rff.Multicomponent Molten Salt Mixtures Based on Nitrate/Nitrite Anions.Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of theAsme2011，133)報道了一種熔點在70 °C左右的熔融鹽。文獻[2] (Raade JWj PadowitzD.Development of molten salt heat transfer fluid with low melting point andhigh thermal stability.Transactions of the ASME-N-Journal of Solar EnergyEngineering2011, 133:31013)報道了一種熔點在 65°C 的熔融鹽。文獻[3] (Peng Q，DingJ, Wei X，Yang J, Yang X.The preparation and properties of mult1-component moltensalts.Applied Energy2010, 87:2812-2817)報道了使用溫度達到550°C的熔鹽。但是多數文獻所報道的熔融鹽主要都是硝酸鹽。硝酸熔融鹽的優點是熔點低，降低了管道凍堵的風險，缺點是在高溫下易分解劣化，各電站中熔鹽的最高使用溫度一般分布在500~600°C之間，不能滿足高溫發電的需要。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種高溫相變儲熱材料及其制備方法及其制備方法，該高溫相變儲熱材料相變潛熱大、相變溫度低，相變儲熱能力隨著溫度的升高而不斷增強。
[0005]本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為:
[0006]一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備而成，各原料所占質量百分比分別為:碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉 8% -19%。
[0007]按上述方案，所述的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大于99.90%。
[0008]上述以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料的制備方法，包括如下步驟:[0009](I)配料:按質量百分比稱取碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉8% -19%作為原料；
[0010](2)將上述原料按比例混合后使其熔化，并在熔融狀態保溫使其混合均勻，最后冷卻研磨，即得到以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
[0011]按上述方案，所述熔化的溫度為500-600°C。
[0012]按上述方案，所述保溫時間為18_24h。
[0013]按上述方案，所述原料可以預先進行烘干處理，盡量不含有水分。當然，如果原料的質量純度均能達到99.90%，不進行烘干處理也可以。
[0014]按上述方案，步驟(2)中所述的混合可以采用機械混合的方法，使其盡量達到宏觀上的均勻即可。
[0015]按上述方案，步驟(2)中所述的保溫的目的是通過自由擴散使熔融狀態的原料充分混合均勻。
[0016]上述以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料在800°C以下能夠保持穩定，其相變工作溫度范圍為388°C _780°C，說明該高溫相變材料可廣泛應用于工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0017]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0018]第一，本發明的創新性在于采用相變溫度在388_400°C的以碳酸鍶、碳酸鋰為主的四元碳酸熔鹽作為儲熱材料，該體系具有相變潛熱大、高溫穩定性強、毒性小、腐蝕性小等優點，可作為相變儲熱材料使用，提高了能量轉換效率；
[0019]第二，對于工作溫度范圍在600°C -800°C的高溫太陽能熱發電的利用方式，本發明中碳酸熔鹽的液相工作溫度范圍能夠與其較好的匹配，本發明特定組分組成的混合碳酸鹽能在一定程度上降低熔點，使相變儲熱材料的工作溫度范圍有效增大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是實施例1所制備的高溫相變儲熱材料的DSC曲線。
[0021]圖2是實施例1所制備的高溫相變儲熱材料的比熱容曲線。
[0022]圖3是實施例1所制備的高溫相變儲熱材料的熱重曲線。
[0023]圖4是實施例2所制備的高溫相變儲熱材料的DSC曲線。
[0024]圖5是實施例2所制備的高溫相變儲熱材料的比熱容曲線。
[0025]圖6是實施例3所制備的高溫相變儲熱材料的DSC曲線。
[0026]圖7是實施例4所制備的高溫相變儲熱材料的DSC曲線。
[0027]圖8是實施例5的所制備的高溫相變儲熱材料DSC曲線。
【具體實施方式】
[0028]為了更好地理解本發明，下面結合實例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限于下面的實施例。
[0029]下述實施例中所用的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大于99.90%。
[0030]實施例1
[0031] 一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質量百分比為:碳酸鍶31%，碳酸鋰35%，碳酸鉀17%、碳酸鈉17%。
[0032]按以上質量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
[0033]采用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲熱材料的相變范圍是388.30C -399.8°C，相變潛熱為155.5J/g，結果如圖1所示，說明該相變材料具有較大的相變潛熱，有較強的相變儲熱能力。
[0034]采用法國SETARAM公司生產的微量熱儀，以2 V /min的升溫速率測試本實施例制備的高溫相比材料的比熱容，結果如圖2所示，可知該相變儲熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，在270°C時達到IJ ?g—1 412701:以上比熱容隨溫度升高而迅速增大，說明該材料的比熱容隨溫度增加而增大，即相變儲熱能力隨著溫度的升高而不斷增強。
[0035]通過熱重分析測試可知，本實施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩定。為了保證安全，工作溫度范圍應不超過780°C，如圖3所示。說明該高溫相變儲熱材料可在較大的溫度范圍內 應用于工業余熱利用、太陽能熱利用等方面。
[0036]實施例2
[0037]—種高溫相變儲熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質量百分比為:碳酸鍶32%,碳酸鋰43%，碳酸鉀13%、碳酸鈉12%。
[0038]按以上質量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
[0039]采用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲熱材料的相變范圍是387.40C -397.9°C，相變潛熱為197.1J.g—1，結果如圖4所示。該相變材料的相變潛熱在所有實施例中最大，具有很好的相變儲熱能力。
[0040]采用法國SETARAM公司生產的微量熱儀，以2 V /min的升溫速率測試本實施例制備的高溫相比材料的比熱容，結果如圖5所示，可知該相變儲熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0041]通過熱重分析測試可知，本實施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩定。為了保證安全，工作溫度范圍應不超過780°C。說明該高溫相變儲熱材料可在較大的溫度范圍內應用于工業余熱利用、太陽能熱利用等方面。
[0042]實施例3
[0043]一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質量百分比為:碳酸鍶32%，碳酸鋰33%，碳酸鉀17%、碳酸鈉18%。
[0044]按以上質量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
[0045]采用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲熱材料的相變范圍是387.70C -399.5°C，相變潛熱為145.6J.g_\結果如圖6所示。
[0046]本實施例中的高溫相變儲熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0047]通過熱重分析測試可知，本實施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩定。為了保證安全，工作溫度范圍應不超過780°C。說明該高溫相變儲熱材料可在較大的溫度范圍內應用于工業余熱利用、太陽能熱利用等方面。
[0048]實施例4
[0049]一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質量百分比為:碳酸鍶38%，碳酸鋰35%，碳酸鉀14%、碳酸鈉13%。
[0050]按以上質量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。 [0051]采用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲熱材料的相變范圍是387.90C -399.9°C，相變潛熱為160.4J.g_\結果如圖7所示。
[0052]本實施例制備的高溫相變儲熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0053]通過熱重分析測試可知，本實施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩定。為了保證安全，工作溫度范圍應不超過780°C。說明該高溫相變儲熱材料可在較大的溫度范圍內應用于工業余熱利用、太陽能熱利用等方面。
[0054]實施例5
[0055]一種高溫相變儲熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質量百分比為:碳酸鍶36%，碳酸鋰32%，碳酸鉀16%、碳酸鈉16%。
[0056]按以上質量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
[0057]采用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲熱材料的相變范圍是388.6V -399.4°C，相變潛熱為148.5J.g_\結果如圖8所示。
[0058]本實施例制備的高溫相變儲熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0059]通過熱重分析測試可知，本實施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩定。為了保證安全，工作溫度范圍應不超過780°C。說明該高溫相變儲熱材料可在較大的溫度范圍內應用于 工業余熱利用、太陽能熱利用等方面。
【權利要求】
1.一種高溫相變儲熱材料，其特征在于它由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備--? 。
2.根據權利要求1所述的一種高溫相變儲熱材料，其特征在于各原料所占質量百分比分別為:碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉8% -19%。
3.根據權利要求1或2所述的一種高溫相變儲熱材料，其特征在于所述的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大于99.90%。
4.根據權利要求1所述的一種高溫相變儲熱材料，其特征在于其工作溫度區間為388-780 O。
5.根據權利要求1-4中所述的任意一種高溫相變儲熱材料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟: (1)配料:按質量百分比稱取碳酸鍶30%-40%,碳酸鋰32%-48%,碳酸鉀9%-18%，碳酸鈉8% -19%作為原料； (2)將上述原料按比例混合后使其熔化，并在熔融狀態保溫使其混合均勻，最后冷卻研磨，即得到以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲熱材料。
6.根據權利要求5中所述的一種高溫相變儲熱材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述熔化的溫度為500-600°C。
7.根據權利 要求5中所述的一種高溫相變儲熱材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述保溫時間為18-24h。
【文檔編號】C09K5/06GK103965838SQ201410200500
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】程曉敏, 朱闖, 陶冰梅, 李元元, 朱教群, 周衛兵, 孫正 申請人:武漢理工大學