本發(fā)明屬于節(jié)能領(lǐng)域，特別涉及一種蓄熱儲能裝置及其中蓄熱材料的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，人類社會對能源的需求和依賴性日益增大，能源供給短缺已經(jīng)成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，而能源的枯竭性危機和環(huán)境污染問題越來越受到人們的關(guān)注，提高能源使用效率和開發(fā)可再生能源就成為人類社會的重要課題。解決能源問題的基本途徑有兩個：一是依靠科技進步，發(fā)明或者開發(fā)當(dāng)前能源的替代品；二是研究新型節(jié)能技術(shù)，減少能源消耗。同時，隨著人們生活水平的提高，采暖、通風(fēng)及空調(diào)用能急劇增加，電力資源消耗嚴(yán)重，造成了電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差不斷加大，給電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性帶來很大影響。為了緩解生活耗能帶給電網(wǎng)的壓力，人們利用相變材料的相變潛熱來實現(xiàn)能量的儲存和利用，以提高能源利用率，開發(fā)可再生資源，相變儲能是利用相變儲能材料的相變潛熱來實現(xiàn)能量的儲存和利用。相變儲能材料也即相變材料(phasechangematerial，pcm)，是利用物質(zhì)在相變過程中的吸熱和放熱效應(yīng)，進行熱能存貯和溫度調(diào)控的材料。該類材料因其在相變過程中近似恒溫、體系溫度可以控制等優(yōu)點在緩解能源危機、提高能源利用率等方面得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在建筑材料和空調(diào)方面的應(yīng)用最為廣泛。相變儲能材料的相變過程分為固液相變和固固相變等不同類別，固液相變儲能材料融解后形狀不易控制，容易泄露，而且在相變儲能材料導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性等方面也存在諸多問題，目前較優(yōu)的方法就是將相變儲能材料包覆后封裝成小尺度的微膠囊，微膠囊復(fù)合相變儲能材料是一種具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的新型功能材料，但這種材料由于其固液相變的本質(zhì)特征導(dǎo)致其應(yīng)用范圍和穩(wěn)定性等方面存在無法避免的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種蓄熱儲能裝置及其中蓄熱材料的制備方法。本發(fā)明的蓄熱儲能裝置采用新型固固相變儲能材料進行蓄熱儲能，該新型材料具有比熱容高、熱導(dǎo)率高、可靠性高和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，該材料容易制備，成本較低，模塊化設(shè)計使該蓄熱儲能裝置具有組裝容易，容量可調(diào)，易于維護等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種蓄熱儲能裝置，包括：熱源、蓄熱單元、用熱單元、熱交換單元、循環(huán)單元和導(dǎo)熱介質(zhì)，所述熱交換單元包括與所述熱源相連接的第一熱交換單元和與所述用熱單元相連接的第二熱交換單元；所述循環(huán)單元包括與所述第一熱交換單元相連接的第一循環(huán)單元和與所述第二熱交換單元相連接的第二循環(huán)單元；所述第一循環(huán)單元和第二循環(huán)單元均與所述蓄熱單元相連接；所述導(dǎo)熱介質(zhì)在第一循環(huán)單元、第二循環(huán)單元和蓄熱單元內(nèi)流動，所述導(dǎo)熱介質(zhì)用于將所述第一熱交換單元的熱量經(jīng)第一循環(huán)單元傳導(dǎo)至蓄熱單元，并且用于將所述蓄熱單元的熱量經(jīng)第二循環(huán)單元傳導(dǎo)至第二熱交換單元；所述蓄熱單元包括蓄熱材料和載體材料，所述蓄熱材料包括聚乙二醇和聚芳基聚亞甲基異氰酸酯，所述載體材料為水泥，所述蓄熱單元是由所述蓄熱材料與水泥混合攪拌凝固成型的塊體。

進一步的，所述蓄熱單元包括一個或多個呈方柱體或圓柱體的所述塊體。

進一步的，所述蓄熱單元還包括蓄熱導(dǎo)管，所述循環(huán)單元包括循環(huán)泵和保溫管道，所述保溫管道與所述蓄熱導(dǎo)管相連接。

進一步的，所述導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，所述導(dǎo)熱油在循環(huán)泵的驅(qū)動下在所述保溫管道和蓄熱導(dǎo)管中流動。

進一步的，所述熱源為太陽能光熱裝置、煙氣熱量回收裝置、地?zé)嵫b置和電加熱裝置中的一種或多種。

進一步的，所述用熱單元為蒸汽發(fā)生器，所述蒸汽發(fā)生器將產(chǎn)生的蒸汽輸送至冷凝器、汽輪發(fā)電機和/或吸收式制冷機。

本發(fā)明提供一種蓄熱儲能裝置，包括：熱源、蓄熱單元、用熱單元、熱交換單元、循環(huán)單元和導(dǎo)熱介質(zhì)，其中，所述熱交換單元包括與所述熱源相連接的第一熱交換單元和與所述用熱單元相連接的第二熱交換單元；所述循環(huán)單元包括與所述第一熱交換單元相連接的第一循環(huán)單元和與所述第二熱交換單元相連接的第二循環(huán)單元；所述第一循環(huán)單元和第二循環(huán)單元均與所述蓄熱單元相連接；所述導(dǎo)熱介質(zhì)在第一循環(huán)單元、第二循環(huán)單元和蓄熱單元內(nèi)流動，所述導(dǎo)熱介質(zhì)用于將所述第一熱交換單元的熱量經(jīng)第一循環(huán)單元傳導(dǎo)至蓄熱單元，并且用于將所述蓄熱單元的熱量經(jīng)第二循環(huán)單元傳導(dǎo)至第二熱交換單元；所述蓄熱單元包括蓄熱材料和載體材料，所述蓄熱材料包括相變蓄熱材料和支持骨架材料，所述相變蓄熱材料為聚乙二醇，所述支持骨架材料為苯乙烯馬來酸酐共聚物，所述載體材料為水泥，所述蓄熱單元是由所述蓄熱材料與水泥混合攪拌凝固成型的塊體。

進一步的，所述聚乙二醇的摩爾質(zhì)量為600g/mol、6000g/mol或8000g/mol。

進一步的，本發(fā)明提供一種在上述蓄熱儲能裝置中使用的蓄熱材料的制備方法，其包括以下步驟：

s1、將聚乙二醇倒入燒杯中，加熱至80℃待聚乙二醇熔融；

s2、將聚芳基聚亞甲基異氰酸酯倒入所述燒杯中，使聚乙二醇與聚芳基聚亞甲基異氰酸酯充分混合；以及

s3、將所述聚乙二醇與聚芳基聚亞甲基異氰酸酯混合20分鐘后形成混合物在80℃下熱固化2小時。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的蓄熱儲能裝置具有組裝方便，蓄熱容量容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點，得益于本發(fā)明蓄熱材料的高潛熱(100j/g)性能以及蓄熱子單元的形狀設(shè)計，使本發(fā)明的蓄熱儲能裝置具有占用空間小但蓄熱量大的特點，非常適用于城市等用地緊張的地方。本發(fā)明的蓄熱材料與水泥混合成型形成蓄熱單元，大大降低了蓄熱儲能裝置建造成本，蓄熱材料的高潛熱、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱可靠性提高了蓄熱儲能裝置的可靠性、耐用性和易于維護性，進一步降低了使用成本。本發(fā)明的蓄熱材料制備方法，操作簡單，避免了溶劑的使用，無需peg的預(yù)聚合步驟。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的蓄熱儲能裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明制備sma-接枝-peg共聚物的反應(yīng)示意圖；

圖3是本發(fā)明蓄熱材料的制備流程圖；以及

圖4是本發(fā)明蓄熱材料制備時的反應(yīng)示意圖。

具體實施方式

以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的示例性實施例、特征和方面。附圖中相同的附圖標(biāo)記表示功能相同或相似的元件。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

如圖1所示，本發(fā)明的蓄熱儲能裝置，其包括：熱源1、蓄熱單元4、用熱單元5、熱交換單元、循環(huán)單元和導(dǎo)熱介質(zhì)，熱交換單元包括與熱源1相連接的第一熱交換單元21和與用熱單元5相連接的第二熱交換單元22；循環(huán)單元包括與第一熱交換單元21相連接的第一循環(huán)單元31和與第二熱交換單元22相連接的第二循環(huán)單元32；蓄熱單元4包括蓄熱材料和載體材料，優(yōu)選的，蓄熱材料包括聚乙二醇(polyethyleneglyol，peg)和聚芳基聚亞甲基異氰酸酯(polyarylpolymethyleneisocyanate，papi)，蓄熱材料是由聚乙二醇(peg)和聚芳基聚亞甲基異氰酸酯(papi)制備而成的熱固性聚氨酯，蓄熱單元4的載體材料優(yōu)選為水泥，蓄熱單元是由一個或多個方柱體或圓柱體形狀的蓄熱子單元組合而成的，方柱體或圓柱體形狀的蓄熱子單元由蓄熱材料與水泥經(jīng)混合攪拌并凝固成型后形成，當(dāng)然，蓄熱子單元也可以是其他幾何形狀，只要便于組合，便于控制組合后的整體體積即可?；旌蠒r優(yōu)選蓄熱材料與水泥的重量比為1:100，每個方柱體或圓柱體形狀的蓄熱子單元中均包括多條蓄熱導(dǎo)管，優(yōu)選為4-8條，多條蓄熱導(dǎo)管均勻分布在每個方柱體或圓柱體形狀的蓄熱子單元中，第一循環(huán)單元31和第二循環(huán)單元32均包括一個或多個循環(huán)泵以及多條保溫管道，保溫管道與上述蓄熱導(dǎo)管相連接，實現(xiàn)了第一循環(huán)單元31和第二循環(huán)單元32與蓄熱單元之間的導(dǎo)熱通道。導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)選為導(dǎo)熱油，或其他可導(dǎo)熱的流體均可，導(dǎo)熱油在循環(huán)泵的驅(qū)動下在第一循環(huán)單元、第二循環(huán)單元和蓄熱單元內(nèi)流動，具體的，在蓄熱階段，來自熱源的熱量經(jīng)第一熱交換單元21傳導(dǎo)至第一循環(huán)單元31，流動的導(dǎo)熱油將第一熱交換單元21傳導(dǎo)來的熱量經(jīng)第一循環(huán)單元31的保溫管道傳導(dǎo)至蓄熱單元4中的蓄熱導(dǎo)管，蓄熱單元4中的蓄熱材料吸收蓄熱導(dǎo)管中導(dǎo)熱油的熱量而不斷升溫，發(fā)生相變，具體的，由聚乙二醇和聚芳基聚亞甲基異氰酸酯制備成的熱固性聚氨酯(固體pcm)吸熱發(fā)生固固相變，固體pcm的晶體結(jié)構(gòu)吸熱后變?yōu)闊o序；在放熱階段，蓄熱材料不斷放熱，溫度降低再次發(fā)生相變，固體pcm的晶體結(jié)構(gòu)放熱后變?yōu)橛行?，第二循環(huán)單元32中的導(dǎo)熱油將蓄熱材料釋放出來的熱量經(jīng)蓄熱單元4中的蓄熱導(dǎo)管(非蓄熱階段的蓄熱導(dǎo)管)以及第二循環(huán)單元32的保溫管道傳導(dǎo)至第二熱交換單元22，與第二熱交換單元22相連的用熱單元5通過熱交換獲得熱量，由此完成熱能的存儲、釋放和利用。

優(yōu)選的，熱源為太陽能光熱裝置、煙氣熱量回收裝置、地?zé)嵫b置和電加熱裝置中的一種或多種，可以通過增設(shè)循環(huán)單元來滿足同時對不同熱源的熱量進行收集的需求，可以通過調(diào)整蓄熱子單元的數(shù)量來調(diào)節(jié)蓄熱容量，可實現(xiàn)mwh至gwh的變化范圍，蓄熱子單元的方柱體或圓柱體形狀非常適合于組裝而且占用空間小。對于太陽能光熱裝置、煙氣熱量回收裝置、和地?zé)嵫b置等直接產(chǎn)生熱量的熱源，將熱源與第一熱交換單元直接連接即可；對于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、火力發(fā)電等應(yīng)用場合，尤其是在用電低谷階段，可將所發(fā)的電能通過電加熱裝置轉(zhuǎn)化為熱能，再通過本發(fā)明的蓄熱儲能裝置將電加熱裝置的熱能存儲起來，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，例如在用電高峰時將熱能再轉(zhuǎn)化為電能。

優(yōu)選的，用熱單元為蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器將產(chǎn)生的蒸汽輸送至冷凝器用于供熱，將蒸汽輸送至汽輪發(fā)電機用于發(fā)電，或?qū)a(chǎn)生的蒸汽輸送至吸收式制冷機用于制冷提供冷源。

蓄熱儲能裝置的熱能存儲和釋放關(guān)鍵取決于蓄熱材料在相變過程中的可逆吸放熱，因此，本發(fā)明還提供一種用于上述蓄熱儲能裝置的蓄熱材料，其包括相變蓄熱材料和支持骨架材料，其中，相變蓄熱材料為聚乙二醇，支持骨架材料為聚芳基聚亞甲基異氰酸酯。優(yōu)選的，聚乙二醇的摩爾質(zhì)量為600g/mol、6000g/mol或8000g/mol。

在采用聚乙二醇、交聯(lián)高密度乙烯、多元醇和層狀鈣鈦礦等材料制備固固相變材料時，經(jīng)常需要使用如氯仿、n，n-二甲基甲酰胺、或四氫呋喃等溶劑，這些溶劑刺激皮膚、眼睛和粘膜，在10ppm以上的環(huán)境長期接觸時將引起食欲不振、惡心、腹痛甚至有的還發(fā)生肝胰不舒癥狀。如圖2所示，本發(fā)明使用聚乙二醇(peg)和苯乙烯馬來酸酐共聚物(sma)為原材料制備固固相變材料，通過將peg接枝到sma主鏈上合成sma-接枝-peg共聚物，該反應(yīng)在裝備有回流冷凝器、機械攪拌器和溫度計的1000ml燒瓶的反應(yīng)裝置中進行，首先，將sma和peg以計算量和氯仿(400ml)溶解到燒瓶中，然后滴入磷酸2-4滴作為催化劑，在80℃溫度下回流24小時，最后，在共聚反應(yīng)完成后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去氯仿。

為避免溶劑的使用，使材料制備更加健康環(huán)保，本發(fā)明還提供一種上述蓄熱材料的制備方法，與本發(fā)明使用聚乙二醇(peg)和苯乙烯馬來酸酐共聚物(sma)為原材料制備固固相變材料時不同，該制備過程使用無溶劑本體聚合法，具體其包括以下步驟：

s1、將聚乙二醇倒入燒杯中，加熱至80℃待聚乙二醇熔融；

s2、將聚芳基聚亞甲基異氰酸酯倒入燒杯中，使聚乙二醇與聚芳基聚亞甲基異氰酸酯充分混合；

s3、將聚乙二醇與聚芳基聚亞甲基異氰酸酯混合20分鐘后形成混合物在80℃下熱固化2小時。

通過以上步驟實現(xiàn)了無溶劑本體聚合法制備包括聚乙二醇與聚芳基聚亞甲基異氰酸酯的熱固性固體pcm。制備方法簡單且避免了使用溶劑，無需peg的預(yù)聚合步驟。

實施例1

首先將160g(0.01mol)聚乙二醇(peg6000)倒入200ml的燒杯中，加熱保持在80℃直至peg6000熔融后，將2.34g(0.0068mol)的聚芳基聚亞甲基異氰酸酯(papi)倒入燒杯中，使二者充分混合，混合時間優(yōu)選為30分鐘，隨后在干燥爐中保持80℃的溫度下熱固化2小時，即可得到具有papi作為固化劑的熱固性固體pcm。

實施例2、3中，分別采用了不同摩爾質(zhì)量的聚乙二醇(peg600、peg8000)，得到具有papi作為固化劑的熱固性固體pcm。

對上述熱固性固體pcm蓄熱材料測試，觀察其化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶行為、相變行為、熱可靠性和熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：制備的熱固性固體pcm的晶體結(jié)構(gòu)不受交聯(lián)反應(yīng)的影響，pcm的層狀尺寸小于原始peg的層狀尺寸，具有典型的固體特性和高潛熱(100j/g)，并同時具有良好的儲存和釋放能量的能力，合適的相變溫度，適用于熱能儲存，熱循環(huán)試驗結(jié)果顯示該熱固性固體pcm具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱可靠性。該熱固性固體pcm的蓄熱時間可到達10小時以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超級電容、飛輪和電池等釋能快無持久性的儲能方式。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。