一种石蜡基相变纳米乳液及其制备方法与应用

1.本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种石蜡基相变纳米乳液及其制备方法与储能应用。


背景技术：

2.目前太阳能光伏发电技术在我国取得了巨大的成功，然而其实际应用的光电转化效率较低，小于15％。光伏组件的表面温度每升高1℃，其光电转化效率将降低约0.5％；同时过高的工作温度会大大缩短光伏组件的使用寿命。因此，研究光伏组件的冷却技术能有效地提高其光电转化效率和使用寿命。
3.常见的光伏组件冷却技术分为主动式和被动式。被动式冷却技术结构简单，造价低廉，但冷却能力较差。主动式冷却技术通过泵送冷却工质，对光伏组件进行降温散热，冷却能力强，但从经济效率角度考虑，需进一步强化散热过程及对余热的利用。因此发展基于蓄能的太阳能光伏组件冷却装置是十分有必要的。
4.水作为最常见的冷却工质，虽具有较大的比热容，但在高热流密度下，其散热功率仍然有限。因此，目前多将水中分散一定质量分数的有机相变储能材料，其能够在特定温度范围内发生相变，从而吸收或释放大量的相变潜热，在相同的进出口温度和流速下，散热功率能进一步提高。
5.常见的相变功能流体包括相变微胶囊浆液和相变乳液等。相变微胶囊颗粒较大，达到微米级，制备工艺繁琐，成本较高，经过多次泵送后壳体材料易破裂，同时壳体材料增加了热阻，降低了强化传热效果。相变乳液属于热力学不稳定体系，稳定性较差，经过多次冷热相变循环或长期存放后容易发生破乳、相分层等现象。另外，相变乳液还存在过冷问题，往往需要低于凝固点10-15℃的温度才能将液态转换成固态。在既定的工作温度内，过冷会导致大量的相变潜热不能有效储存，从而极大地降低了相变乳液的散热功率。
6.中国专利文献cn109888430a公开了一种相变传热工质及其制备方法。然而，上述文献中相变传热工质的制备方法为超声乳化发，超声仪的尺寸和功率有限，目前该法只适用于实验室小规模生产。因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

7.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种稳定性好、过冷度小、相变潜热高、工作温度广，可用作高效散热冷却工质的石蜡基相变纳米乳液及其制备方法与应用。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，包括步骤：
10.配置10-30份的石蜡相变储能材料，加入5-15份的表面活性剂和1-3份的成核剂，加热至70-80℃混合均匀，制得乳液油相材料；
11.在搅拌条件下，将50-100份的去离子水或蒸馏水加入到所述乳液油相材料中并保
持温度为70-80℃，得到乳化液；
12.将所述乳化液冷却至25℃后，得到石蜡基相变纳米乳液。
13.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述石蜡相变储能材料的相变温度为18-70℃。
14.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述石蜡相变储能材料包括碳原子数为16-30的烷烃中的至少一种，和20-70型号石蜡中的至少一种。
15.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述表面活性剂为表面活性剂a和表面活性剂b的复配物，其中，表面活性剂a的质量分数不低于50％。
16.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述表面活性剂a为月桂醇聚氧乙烯醚；所述表面活性剂b选用吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80、聚乙二醇单十六烷基醚、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯硬脂酸酯、聚乙二醇12羟基硬脂酸酯、乙氧基化c16-18-醇、hlb值大于14的聚氧乙烯蓖麻油系列，以及hlb值大于14的聚氧乙烯氢化蓖麻油系列中的一种。
17.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述成核剂为聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)、石蜡、纳米氧化铝分散液、纳米氧化锌分散液，以及纳米氧化硅分散液中的至少一种。
18.所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法，其中，所述石蜡基相变纳米乳液的分散粒径小于100nm。
19.一种石蜡基相变纳米乳液，其中，采用本发明所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法制得。
20.一种石蜡基相变纳米乳液的应用，其中，将本发明所述的石蜡基相变纳米乳液用于太阳能光伏组件的热管理系统中。
21.所述石蜡基相变纳米乳液的应用，其中，所述热管理系统包括设置在太阳能光伏板组件上的换热盘管，所述换热盘管内设置有循环流通的所述石蜡基相变纳米乳液，所述换热盘管与换热器连通。
22.有益效果：本发明提供了一种稳定性好、过冷度小、相变潜热高、工作温度广，可用作高效散热冷却工质的石蜡基相变纳米乳液；相应地，提供一种工序简单、成本低廉、易于工业放大的该石蜡基相变纳米乳液的制备方法，并将相变纳米乳液应用于光伏组件的热管理系统中，降低其表面温度，提高其光电转化效率，回收利用余热。
附图说明
23.图1为本发明一种石蜡基相变纳米乳液的制备方法流程图。
24.图2为本发明实施例1中制成的相变纳米乳液的差示扫描量热法结果曲线示意图。
25.图3为本发明实施例1中制成的纳米乳液的分散相液滴粒径分布曲线。
26.图4为本发明实施例1中所制成的纳米乳液装瓶后的外观对比照片，由图4可见，经过一年储存，纳米乳液外观未发生明显变化。
27.图5为本发明实施例3中制成的相变纳米乳液的差示扫描量热法结果曲线示意图，由图5可见，添加成核剂后，相变纳米乳液的凝固温度提高了5℃，过冷度明显降低。
28.图6为本发明实施例8中一种基于蓄能的太阳能光伏组件冷却集热装置的示意图。
29.图7为本发明实施例8中u型换热盘管的结构示意图。
具体实施方式
30.本发明提供一种石蜡基相变纳米乳液及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.请参阅图1，图1为本发明提供的一种石蜡基相变纳米乳液的制备方法流程图，如图所示，其包括步骤：
32.s10、配置10-30份的石蜡相变储能材料，加入5-15份的表面活性剂和1-3份的成核剂，加热至70-80℃混合均匀，制得乳液油相材料；
33.s20、在搅拌条件下，将50-100份的去离子水或蒸馏水加入到所述乳液油相材料中并保持温度为70-80℃，得到乳化液；
34.s30、将所述乳化液冷却至25℃后，得到石蜡基相变纳米乳液。
35.具体来讲，本发明提供的石蜡基相变纳米乳液的制备方法工序简单、成本低廉、易于工业放大，所述的石蜡相变材料和表面活性剂均优选为工业级剂料；另外，通过添加新型高分子成核剂聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，不仅能有效降低相变纳米乳液的过冷度，还能提高其稳定性；与常规固相纳米氧化物颗粒相比，纳米氧化物分散液作为成核剂则更易于分散包埋；所制成的相变纳米乳液为淡蓝色透明状，分散液滴的粒径小于100nm；若石蜡基相变纳米乳液性状改变后，可通过缓慢搅拌加热到70-80℃，并冷却到20-30℃，从而恢复其初始性状；本发明制备的石蜡基相变纳米乳液经过几百次相变循环或一年以上存放，性能仍无明显改变，因此在应用方面优于现有的相变微胶囊浆液和相变乳液等；将所制成的石蜡基相变纳米乳液应用于太阳能光伏组件的热管理系统中，在相变温度范围内，相变纳米乳液中的石蜡可以吸收或释放大量热能。与水相比，进一步降低了光伏组件的表面温度，提高了其光电转换效率。
36.在一些实施方式中，所述石蜡相变储能材料的相变温度为18-70℃，所述石蜡相变储能材料包括碳原子数为16-30的烷烃中的至少一种和20-70型号石蜡中的至少一种，但不限于此。例如，所述石蜡相变储能材料还可包括其他的石蜡材料。
37.在一些实施方式中，所述表面活性剂为表面活性剂a和表面活性剂b的复配物，其中，表面活性剂a的质量分数不低于50％；所述表面活性剂a为月桂醇聚氧乙烯醚；所述表面活性剂b选用吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80、聚乙二醇单十六烷基醚、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯硬脂酸酯、聚乙二醇12羟基硬脂酸酯、乙氧基化c16-18-醇、hlb值大于14的聚氧乙烯蓖麻油系列，以及hlb值大于14的聚氧乙烯氢化蓖麻油系列中的一种。
38.在一些实施方式中，所述成核剂为聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)、石蜡、纳米氧化铝分散液、纳米氧化锌分散液，以及纳米氧化硅分散液中的至少一种。优选地，所述成核剂选用新型高分子成核剂聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，该新型高分子不仅能有效降低石蜡基相变纳米乳液的过冷度，还能提高其稳定性。更优选地，采用聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)和石蜡组合，或者聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)和纳米金属氧化物分散液(例如纳米氧化铝分散液)组合作为成核剂，既能够降低石蜡基相变纳米乳液的过冷度，提高其稳定性，还能够增强其在油相中的包埋率。
39.在一些实施方式中，还提一种石蜡基相变纳米乳液，其采用本发明所述石蜡基相变纳米乳液的制备方法制得。
40.在一些实施方式中，还一种石蜡基相变纳米乳液的应用，将本发明所述的石蜡基相变纳米乳液用于太阳能光伏组件的热管理系统中，其中，所述热管理系统包括设置在太阳能光伏板组件上的换热盘管，所述换热盘管内设置有循环流通的所述石蜡基相变纳米乳液，所述换热盘管与换热器连通。在相变温度范围内，所述石蜡基相变纳米乳液中的石蜡可以吸收或释放大量热能。与水相比，进一步降低了光伏组件的表面温度，提高了其光电转换效率。下面通过具体实施例对本发明作进一步的解释说明：
41.实施例1
42.称量2g石蜡相变材料op44，加入1.05g月桂醇聚氧乙烯醚，0.45g乙氧基化c16-18-醇，0.2g聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，加热到80℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入10g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为40℃，过冷度小，分散液滴粒径小于100nm的相变纳米乳液。
43.图2是使用本发明制备方法由实施例1制成的相变温度为40℃的纳米相变乳液的差示扫描量热法结果曲线示意图。其相变焓为22j/g,约为水显热的5倍。
44.图3是使用本发明制备方法由实施例1制成的相变纳米乳液的分散相液滴粒径分布曲线。其平均粒径为48nm，液滴集中分布在100nm内。
45.图4是使用本发明制备方法由实施例1制成的相变纳米乳液的外观照片。图4中(a)所示为制成的淡蓝色透明状相变纳米乳液；图4(b)为存放一年后的相变纳米乳液，从图中可以看出外观没有明显变化。
46.实施例2
47.称量2g石蜡相变材料op18，加入0.6g月桂醇聚氧乙烯醚，0.35g吐温-60，0.2g石蜡材料op65，加热到70℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入7g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为15℃，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
48.实施例3
49.称量2g正十六烷，加入0.6g月桂醇聚氧乙烯醚，0.4g吐温-80，0.1g聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，0.2g正三十二烷，加热到70℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入7g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为15℃，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
50.同时制备不含成核剂的相变纳米乳液作为对照：称量2g正十六烷，加入0.6g月桂醇聚氧乙烯醚，0.4g吐温-80，加热到70℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入7g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为15℃，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
51.图5是使用本发明制备方法由实施例3制成的相变纳米乳液的差示扫描量热法结果曲线示意图，从图中可以看出加入成核剂后，相变纳米乳液的凝固点提高了5℃，过冷度明显降低。
52.实施例4
53.称量2g正二十四烷，加入0.7g月桂醇聚氧乙烯醚，0.3g聚氧乙烯月桂醚，0.25g聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，0.05g纳米氧化硅分散液，加热到80℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入9g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为48℃，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
54.实施例5
55.称量0.5g石蜡相变材料op28，1.5g石蜡相变材料op44，加入0.6g月桂醇聚氧乙烯醚，0.4g聚乙二醇单十六烷基醚，0.2g正二十八烷，0.02g纳米氧化铝分散液，加热到70℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入10g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为35℃，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
56.实施例6
57.称量2g工业级石蜡(熔点54-56℃)，加入0.85g月桂醇聚氧乙烯醚，0.4g乙氧基化c16-18-醇，0.2g聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，0.05g纳米氧化锌分散液，加热到80℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入10g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为52℃，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。
58.实施例7
59.称量2g石蜡相变材料op65，加入1.1g月桂醇聚氧乙烯醚，0.5g吐温-20，0.1g聚乙烯-嵌段-聚(乙二醇)，0.1g纳米氧化铝分散液，加热到80℃，以400rpm转速搅拌均匀；随后缓慢加入10g蒸馏水，并将其冷却到25℃，即得到相变温度为62℃，过冷度小，分散液滴粒径小于100nm的相变纳米乳液。
60.基于本发明的制备方法，使用多种表面活性剂和成核剂，可获得具有不同工作温度(15-65℃)，过冷度小，分散液滴平均粒径小于100nm的相变纳米乳液。因此本发明的制备方法制成的相变纳米乳液解决了常规相变乳液稳定性差，过冷度高的问题。
61.实施例8
62.将按照实施例1(或实施例5)中配比及制备方法制成得到4kg相变纳米乳液(工作温度35-40℃)，并应用于太阳能光伏组件的热管理系统中。图6为该基于蓄能的太阳能光伏组件冷却集热装置的示意图。u型换热盘管安装在太阳能光伏组件的背部，通过管道中流动的相变纳米乳液吸收大量热量，显著降低光伏组件的表面温度；与水相比，光伏组件的表面温度进一步降低10％。另外，通过板式换热器，相变纳米乳液中的大量潜热能够回收利用，提供生活热水所需的能量。图7为该u型换热盘管的结构示意图。进口处相变纳米乳液温度低，盘管分布相对稀疏，出口处相变纳米乳液温度高，盘管分布相对密集，温度分布更均匀。
63.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。