一种基于微波-石墨烯复合相变材料体系的储能方法与流程

本发明属于石墨烯应用技术领域和能量转换与存储技术领域，具体涉及一种基于微波-石墨烯复合相变材料体系的能量转换与存储的方法。

背景技术：

相变材料作为潜热储存的介质，在一定温度范围内，发生固相和液相的转变，在这个过程中，材料吸收或释放大量的热。相比一般的显热储热材料，相变储热材料具有更高的储能密度，并且在其相变吸收或者释放热能时可以保持温度恒定。这种高储能密度和恒温吸/放热性能在节能减排和清洁能源利用中有极大的应用空间。目前相变储热方法都是采用电炉丝加热块体或封装于块体载体的相变材料，由于相变材料和/或载体材料导热性差，储热过程中相变材料出现温度梯度，即相变材料表面温度已经达到温度上限，而内部还没有达到规定储热温度，从而降低了储热材料的实际利用率。所以，需要一种新的加热储热机制或方法来改善储热材料的实际利用率。基于之前的研究，我们发现石墨烯有着优异的吸收微波而发热的性能，

技术实现要素：

本发明针对上述现有相变储热技术的不足，提出了一种高效储热的新机制。本发明利用这一原理提出了一种新的能量转换和存储新机制。石墨烯吸波领域和储热领域的交叉应用却鲜有研相变储热材料里混合石墨烯，储热转换为热能领域有得天独厚的优势，不仅是复合相变材料具有了吸波发热储热性能，而且相比普通相变储热材料具有更优异的导热性能和稳定的吸放热循环性能。

加热迅速且材料受热均匀，保温时间持久，可反复利用，循环寿命好，加热条件容易达到，有广阔的应用前景。

本发明采用以下技术方案：

一种基于微波-石墨烯复合相变材料体系的储能方法，包括以下步骤：

s1：将石墨烯与相变材料混合制得复合相变材料，相变材料包括石蜡、水合醋酸钠、水合硝酸镁、水合氢氧化钡、2，2-二羟甲基丙酸中的至少一种；

s2：对步骤s1制备的石墨烯复合相变材料进行电能驱动的微波辐照，石墨烯吸收微波产生热并传导至复合相变材料，将电能经微波/石墨烯作用转换为热能并存储于该石墨烯复合相变材料。

具体的，步骤s1中，相变材料与石墨烯的质量比为1：(0.01～0.05)。

具体的，步骤s1中，将相变材料熔化后添加石墨烯并充分搅拌至完全分散，自然冷却后制得复合相变材料；或将相变材料和石墨烯机械混合后再熔化、搅拌制得复合相变材料。

进一步的，加热温度可高于相变材料相变温度，加热至完全熔化，搅拌时间为10～15min。

进一步的，步骤s1中，石墨烯包括膨胀石墨、热剥离石墨烯、机械剥离石墨烯、液相剥离石墨烯、高温碳化石墨烯、3d石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和cvd石墨烯中的至少一种。

更进一步的，石墨烯为粉体或薄膜。

具体的，步骤s2中，微波发生器的功率为0.5～15kw，作用时间为20～360s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于微波-石墨烯复合相变材料体系的储能方法，由于加入吸波材料，复合材料可以在微波中可以被快速加热，完成相变材料储热过程快捷、便利；复合材料依然保留了相变材料储热时间长，降温慢的特性，且循环寿命长。

进一步的，相变材料与石墨烯的质量比为1：(0.01～0.05)，材料加热时间短，且容易制备，若石墨烯占比太低，则吸波效果不明显；若石墨烯占比太高，不容易均匀分布在相变材料中，且成本提高，相变材料储热效果也变差。

进一步的，加热装置设置温度略高于相变材料相变温度，并加入转子在磁力搅拌器上搅拌，可以快速均匀分散石墨烯，方便复合材料的制备。

进一步的，相变材料种类多，方便选取应用于不同场合时不同相变温度的材料。

进一步的，石墨烯来源多，应用时可以按成本、加热速度要求选取不同种类的石墨烯。

进一步的，微波功率范围大，应用器件小，可以直接使用家用微波炉加热，方便快捷；应用设备大，可以使用大型工业微波发生器，或定制频段的微波。微波时间根据用户需求设置，时间越长，温度越高。

综上所述，本发明中的储能方法由于引入吸波材料，材料在微波中加热迅速且受热均匀，同时保留了相变材料保温时间持久，反复利用，循环寿命好的优点，在储热领域有广阔应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为石墨烯含量为0.5％的石墨烯/石蜡复合材料效果图；

图2为实施例1中石墨烯/石蜡复合材料保温图；

图3为实施例3中石墨烯/mg(no3)2·6h2o水合盐复合材料保温循环图。

具体实施方式

本发明一种基于微波-石墨烯复合相变材料体系的储能方法，包括以下步骤：

s1、将相变材料与石墨烯混合制得复合相变材料；

将相变材料加热熔化，添加石墨烯充分搅拌至完全分散，自然冷却制得复合相变材料或将相变材料和石墨烯放入球磨机中搅拌制得复合相变材料；

相变材料与石墨烯的质量比为1：(0.01～0.05)；加热时间为5～15分钟，加热温度为100～200℃，搅拌时间为10～15分钟，如图1所示。

相变材料包括但不限于石蜡、水合醋酸钠、水合硝酸镁、水合氢氧化钡、2，2-二羟甲基丙酸中的至少一种。

石墨烯包括膨胀石墨、热剥离石墨烯、机械剥离石墨烯、液相剥离石墨烯、高温碳化石墨烯、3d石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和cvd石墨烯中的至少一种。

石墨烯为粉体或薄膜，层数小于等于10层。

s2、使用功率0.5～15kw的微波发生器对步骤s1制备的复合相变材料加热20～360s用于储能。

复合材料微波加热时所用容器必须是微波可以穿透的器具，同时熔点要高，防止材料温度过高容器熔化，实验室所用为烧杯或玻璃培养皿。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将30克石蜡在100℃加热5分钟，添加石墨烯充分搅拌至完全分散得到复合相变材料，石蜡与石墨烯的质量比为1：0.01，搅拌时间为10分钟，冷却后得到石墨烯复合相变材料。使用功率0.5千瓦的微波发生器对制备的石墨烯复合相变材料加热20秒用于储能。

放热测试结果：

20秒后从微波发生器中取出时复合材料温度为82℃，在环境中，10分钟后降至相变温度60℃，45分钟后降至33℃。如图2所示。

实施例2

将30克石蜡在140℃加热5分钟，添加石墨烯充分搅拌至完全分散得到复合相变材料，石蜡与石墨烯的质量比为1：0.02，搅拌时间为20分钟，使用功率1千瓦微波发生器对制备的复合相变材料加热15秒用于储能。

放热测试结果：

从微波炉中取出时温度为102℃，13分钟降至相变温度60℃，随后在环境中降至32℃所需时间约47分钟。

实施例3

将mg(no3)2·6h2o在160℃加热10分钟，添加石墨烯充分搅拌至分散得到复合相变材料，mg(no3)2·6h2o与石墨烯的质量比为1：0.03，超声搅拌10分钟，使用1千瓦的微波发生器对制备的复合相变材料加热3分钟用于储能，如图3所示。

放热测试结果：

从微波炉中取出时温度为155℃，15分钟降至相变温度90℃，随后在环境中降至室温25℃所需时间35分钟。再次进行微波储热后可很好进行放热。

实施例4

将2，2-二羟甲基丙酸和石墨烯放入球磨机中搅拌15分钟，2，2-二羟甲基丙酸与石墨烯的质量比为1：0.05，使用15kw的微波发生器对制备的复合相变材料加热1分钟用于储能。

保温测试结果：

从微波炉中取出时温度为170℃，3分钟降至相变温度150℃，随后在环境中降至室温55℃所需时间50分钟。

给出的实例对应不同种类的相变材料和添加不同比例的石墨烯，丰富了相变材料的选择，使用者根据具体温度选择具体的添加配比，说明了该储能方法适用范围广泛，实行条件要求低，具有很好研究和应用价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。