一种基于棉布铜的相变储热材料及其制备方法与应用

本发明涉及光热存储材料，具体涉及一种基于棉布铜的相变储热材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、化石燃料的短缺和能源需求的增长拉大了能源供应和消费之间的差距，因此有必要寻找可替代的技术和新型资源。目前，全球碳排放总量在不断增加，对气候造成的影响越来越显著，为了应对这一气候变化，改变当前的能源结构，达到国家“双碳”目标，积极地发展可再生能源，解决发展中遇到的技术壁垒，成为了重中之重的举措。在众多的可再生能源中，太阳能是最丰富的且最易获得的资源，在世界上的许多地区太阳直接辐射被认为是最具潜力的能源之一，储能应用在太阳能技术的利用中起着至关重要的作用。但是实际太阳辐射是不连续的，而相变储热材料可适用于各种太阳能系统，以延长热能的保存。

2、相变储热材料作为一种太阳能存储热量材料具有非常高的蓄热能力，在几乎等温的条件下具有较高的潜热存储密度和宽温度范围内的工作能力，并且能够在相变过程中保持恒定的温度，成为太阳能储能系统中最突出的候选者。其中，固液相变材料应用最为广泛，石蜡、脂肪酸等有机相变材料具有无毒、无腐蚀性、潜热值高、温度波动小和成本较低等众多优点，但通常表现出固有的导热系数低、较弱的光吸收能力和液相泄漏等问题，有机相变材料在熔化过程中会发生固液相变导致其形状发生改变，在很大程度上会限制它的实际应用。为了有效的解决上述这些问题，可以通过将有机相变材料纳入到有效的支撑材料中，研究人员普遍采用多孔碳骨架、泡沫金属和仿生多孔氮化铝陶瓷等来吸收和支撑。其中，多孔碳材料具有较高的比表面积和孔隙以及高存储容量，依据较强的相互作用力能把石蜡牢牢地吸附住。作为备受关注的材料它不仅导热能力强、吸光度范围广，而且重量轻、成本低，对环境友好，成为了一种性能优异的基体材料。它外观呈现黑色，因此具有很强的光热转换能力和光吸收能力。由于原始的多孔碳材料具有单调性，不能赋予相变复合材料较多的性能，可以适当引入一些添加剂。

3、通常金属材料的导热和光热效果较好，例如银、铜、铁、铝等金属，但这些金属材料质量较大，会增加使用成本和难度。如果能使这些材料具有较好的孔隙特点和较好的连接性，就可以将其作为导热骨架支撑相变材料，形成兼具导热、储热和光热转化效果良好的复合材料，同时可以降低装置的质量，使其更加轻便。然而，现有材料的连接性太差或者工艺比较复杂。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提高孔隙率且储热效果良好的相变储热材料。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明第一方面提供了一种基于棉布铜的相变储热材料，包括铜粉、棉布和相变材料；所述铜粉为片状纯铜粉，直径为35-65μm；所述棉布为纯棉布；所述相变材料为石蜡、硬脂酸、脂肪酸、三水醋酸钠、月桂酸和十水硫酸钠中任一种。

4、有益效果：本发明使用棉布因其具有定向导热作为相变储热材料的基础骨架，棉布本身具有良好的孔隙，在卷成棉布卷后又具有良好的各向异性导热特性；铜微米颗粒经过辊压机辊压后均匀的分散在棉纤维的表面，分散效果良好，界面相互作用均匀性强，掺入到相变材料中有助于提高其导热率，且铜微米颗粒因具有局域表面等离子体共振效应而具有较强的光热效果使其在太阳能发电领域有良好的应用基础。

5、本发明第二方面提供了上述基于棉布铜的相变储热材料的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)将铜粉置于分散剂中进行超声分散，再进行搅拌形成铜浆，然后将铜浆涂覆在预处理的棉布表面上，将涂覆铜浆后的棉布置于辊压机中辊压后，卷成圆柱体，并进行真空干燥，制得铜布；

7、(2)将铜布放入瓷舟中转移至高温管式炉中进行煅烧，逐渐降至室温取出，并将其命名为棉布铜；

8、(3)利用真空浸渍法将相变材料浸在棉布铜中，制得基于棉布铜的相变储热材料。

9、有益效果：本发明将微米铜粉作为原料调制铜浆辊压至棉布表面后形成稳定、连续的铜布，在经过高温煅烧后，棉布转化为吸热、光热效果较好的多孔碳，并且在其表现附着了大量的铜微米颗粒，从而形成具有定向导热效果的高导热骨架。

10、棉布被高温碳化后形成空心、多孔的表面结构，这种结构可以有效防止相变材料液化时的泄露，并且微米铜粉在其表面可以提高相变储热材料的导热效果和光热转化效果，同时提高相变储热材料中的相变材料的储热效率和储热密度，本发明所制备的基于棉布铜的相变储热材料能够为工业余热、光热的回收利用的提供广阔的前景。

11、本发明制备工艺简单，成本低廉，得到的基于棉布铜的相变储热材料表现出优异的储热性能，易于工业化大批量生产。

12、优选的，所述预处理的棉布是将纯棉布浸没在氢氧化钠溶液中进行加热煮沸；然后，用纯水反复清洗纯棉布数次，洗至纯棉布为中性；最后，将洗净的纯棉布摊平放于干燥箱烘干即可。

13、优选的，所述纯棉布长为2.5m、宽为6cm。

14、优选的，所述氢氧化钠溶液的质量分数为20-40％。

15、优选的，所述加热煮沸时间为2-3h。

16、优选的，所述烘干温度为50-70℃。

17、优选的，所述分散剂为羧甲基纤维素钠(cmc)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚乙烯醇(pva)、聚酰胺(pa)、聚丙烯腈(pan)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)中任一种。

18、优选的，所述超声分散的时间为1h。

19、优选的，所述搅拌为机械搅拌，搅拌速度为400-1000rmp，时间为2-4h。

20、优选的，所述铜粉与棉布的质量比为0.03-0.15。

21、优选的，所述圆柱体的直径为2.5-4cm。

22、优选的，所述真空干燥后圆柱体切成直径为2.5-4cm，高为1-2cm的小圆柱体。

23、优选的，所述煅烧时的气氛为真空、氩气或氮气的气氛下进行的，煅烧温度为600-1000℃，时间为2h。

24、优选的，所述相变材料为石蜡、硬脂酸、脂肪酸、三水醋酸钠、月桂酸和十水硫酸钠中任一种。

25、本发明第三方面提供了上述制备方法制得相变储热材料在太阳能发电装置中的应用。

26、优选的，所述相变储热材料与太阳光模拟器、热电发电器、恒温冷水板进行有效连接，得到能够产生稳定电流的太阳能发电装置。

27、有益效果：本发明将相变储热材料与热电发电器等器件进行有效组合后形成具有太阳能发电效果的太阳能发电装置，这对于太阳能的利用提供了新的思路。

28、本发明将相变储热材料与热电发电器、热电发电器底部与恒温冷水板隐形连接，恒温冷水板的温度由恒温连续循环水维持恒温，在太阳光模拟器的光照下，因相变储热材料内部铜微米颗粒的存在，这种微米结构在光照下产生局域表面等离子体共振效应，同时伴随热量的产生，相变储热材料中的相变材料有较高的潜热，可以大量、有效地将光热存储，因此相变储热材料可以持久、有效地保持较高的温度，这样与热电发电器和恒温冷水板形成有效地温差，由于塞贝克效应而产生的稳定的电流。

29、本发明的优点在于：

30、本发明使用棉布作为相变储热材料的基础骨架，因棉布具有良好的孔隙和定向效果、并有良好的连续性和柔性；铜微米颗粒的比表面积大，分散性好，界面相互作用均匀性强，掺入到相变材料中有助于提高其导热率，且铜微米颗粒因具有较强的光热效果使其在太阳能发电领域有良好的应用基础。

31、本发明制备工艺简单，成本低廉，得到的基于棉布铜的相变储热材料表现出优异的储热性能，易于工业化大批量生产。

32、本发明将相变储热材料与热电发电器等器件进行有效组合后形成具有太阳能发电效果的太阳能发电装置，这对于太阳能的利用提供了新的思路。