一种太阳能光热和谷充峰放电加热固体储热换热介质

技术领域

本发明涉及太阳能光热利用的新能源技术领域，具体地说，是一种太阳能光热和谷充峰放电加热固体储热换热介质。

背景技术

储热是解决能源供需的时间和地点矛盾的有效手段；储热可以提高能源利用率，减少能源浪费，为社会提供绿色能源。能源与环境问题是当今世界普遍关注的两大主要问题，为了保护环境和经济的可持续发展，减少污染物排放，大力发展绿色能源技术尤为重要。在众多绿色能源中，风能和太阳能是地球上分布最广、资源总量最大的清洁能源。但太阳能的热利用在时间和空间上不稳定，给太阳能的热利用带来了较大的难度。为了有效利用太阳能、电网调峰和工业废热的回收再利用，储热技术是解决这些问题的有效手段。

依据储热机理的不同，储热系统可分为化学反应储热、显热储热和潜热储热3种类型。(1)化学反应储热：化学反应储热是指利用某些化合物在可逆化学反应过程中的吸热、放热机理，实现热量的储存。化学反应储热的储能密度一般都高于显热储热和潜热储热，而且通过催化剂或产物分离方法极易实现长期的能量储存，不需要保温，可以在常温下近似无损失地长期储存。(2)显热储热：显热储热是利用储热材料的温度变化进行热量的储存与释放，显热储热的热量与储热材料的质量、比热容、温度变化成正比。(3)潜热储热又称相变储热，是利用储热材料(P C M)相变时潜热非常大的特点，进行热量的吸收和释放。盐类材料与金属材料均可用作潜热储热材料。潜热储热具有储热密度大、使用时可保持在一定温度(相变温度附近)下进行吸热和放热、化学稳定性好和安全性好的突出优点，但在发生相变时，液-固两相界面处的热传导效果较差，换热器设计困难，成本较高，这些因素导致潜热储热在实际应用中规模较小，进展缓慢。

蓄热材料是蓄热装置的构成主体，同时也是影响其蓄释热性能的重要因素之一，不同材料的热力性能各参数有所差异，所以选择相对适合的蓄热材料对装置性能必然产生有利的作用。

热导热率是衡量材料导热能力的一项指标。热导热率高的材料能够有效传递热量，并且能够从环境中快速吸收热量。相反，不良的热导体会阻碍热流，并且缓慢的吸收环境的热量。目前导热性能前十的材料是：(1)金刚石：金刚石是热导热率最高的材料之一，其导热率值是铜的5倍。(2)银：银是一种相对便宜且储量丰富的热导体，银具有良好的延展性。(3)铜：铜的熔点较高且腐蚀速度适中，并且能够有效减少传热过程中能量损失。(4)金：黄金是一种稀有的贵金属，用于特定的导热应用，黄金一般不会失去光泽，而且具有很强的抗腐蚀性。(5)氮化铝：氮化铝是已知具有电绝缘性和高导热率的材料之一，具有优异的抗热震性。(6)碳化硅：碳化硅是一种由硅原子和碳原子均衡组成的半导体，将碳和硅相融合，两者结合在一起，可形成一种非常坚硬、耐用的材料。(7)铝：铝的熔点较低。(8)钨：钨的熔点高、蒸气压低，是接触高电流器具的理想性质，钨的化学性质稳定。(9)石墨：石墨是高分子混合物中的常用添加剂，可用来提高其导热性能。(10)锌。

中国专利申请：CN105318757A公开了一种无金属换热管道的混凝土蓄热器及混凝土蓄热块的制备方法。该蓄热器它由多个蓄热单元沿竖直方向排列。每个蓄热单元包括沿水平方向排列的多个混凝土蓄热块。每个混凝土蓄热块包括蓄热块本体及无机封孔涂层。蓄热块本体内设置有换热流道。相邻两个蓄热块本体的换热流道之间相互连通。所述无机封孔涂层设置在换热流道的外壁上。所述无机封孔涂层由活性氧化镁粉、氧化钡、硼酐、氧化铝及硅微粉混合涂覆而成。所述蓄热块本体由铝酸盐水泥、硅微粉、碳化硅粉、活性氧化铝粉、铝矾土粉、焦宝石或镁橄榄石、及铜矿渣或钢渣脱模养护而成。该混凝土蓄热器采用无金属管道的换热结构，彻底解决了金属管道的腐蚀性问题，而且成本低，换热效率高。

中国专利申请：CN103342560A公开了一种陶瓷材料组成的热交换元件及其制备方法，更具体地说，是一种具有热震性好、耐腐蚀、耐磨损、低成本、高强度、换热效率高等特性的陶瓷材料、陶瓷热交换元件，以及制备方法。本发明选取70-85％碳化硅、0-5％氮化硅、0-5％塞隆、0-5％氮化铝、0.9-3.2％助熔剂、10-20％黏合剂、0-2.5％成型助剂，制作陶瓷材料及热交换元件，具有良好导热和热震性，特别是用于余热回收时，油气燃烧排放尾气温度可以降至水露点以下，充分回收了尾气中的显热，并回收了干蒸汽的液化潜热，为有效治理油气燃烧排放尾气工艺提供了一种新的技术路线，可用于有效阻止油气燃烧排放物形成雾霾天气的技术方案。

但是我们看到现有技术要么存在材料种类繁多、成本高的缺点，要么存在储热换热性能差的缺点。所以基于此，本发明提供了一种原材料少且储热换热效果优良的材料组成的介质，关于本发明一种太阳能光热和谷充峰放电加热固体储热换热介质目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供“一种太阳能光热和谷充峰放电加热固体储热换热介质”，尤其涉及一种太阳能光热利用领域将“带凸透镜阵列聚能模块”折射聚焦收集的高温太阳光热和电价低谷采用电加热自电能转化而来的热能临时储存起来，根据需要放热或换热给工质的固体储热换热介质。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种太阳能光热和谷充峰放电加热固体储热换热介质，所述介质是由以下材料组成：氧化镁、碳化硅和石墨。

优选地，所述材料氧化镁、碳化硅和石墨均呈固态。

优选地，所述材料氧化镁、碳化硅和石墨均呈颗粒状和/或粉末状。

优选地，所述介质是应用于惰性气体或真空环境中。

优选地，所述惰性气体包括二氧化碳或氩气或氦气。

优选地，所述介质所耐受的温度大于1000℃。

第二方面，本发明提供了如上所述的介质在高温储热、换热装置中的应用。

优选地，所述装置包括储热容器、管道阀门和换热器。

氧化镁是镁的氧化物，是一种碱土金属氧化物，氧化镁在高温高压下，性能稳定，绝缘性强，可以在800℃以上的高温高压储能环境下使用，有高度耐火绝缘性能。这种卓越的高温高压性能，再加上其较高的比热容，可以作为显热储热材料。氧化镁储热材料具有极佳的耐火性能，根据氧化镁的纯度，最高可达2000℃，因而具备极高的使用温度，其适用的储热工作温度几乎能满足1600℃以下的所有储热工况，而现在的加热原件最高使用温度也无法达到这样的温度，因此大大降低了储热体的维护成本。氧化镁作为一种高温储热材料，也具有较高的储热容量，氧化镁的比热容约为1000J/kg.℃，相比金属、混凝土和熔盐等其他储热材料和熔盐类材料，在相同的质量和温升下，氧化镁储存的热量更多，氧化镁的膨胀系数也相对较高。

碳化硅是一种人工合成的碳化物，分子式为SiC，俗称金刚砂，通常是由二氧化硅和碳在通电后2000℃以上的高温下形成的，是一种典型的共价键结合的化合物。当碳化硅材料在空气中加热到1300℃时，在其碳化硅晶体表面开始生成二氧化硅保护层。随着保护层的加厚，阻止了内部碳化硅继续被氧化，这使得碳化硅有较好的抗氧化性。当温度达到1627℃以上时，二氧化硅保护膜开始被破坏，碳化硅氧化作用加剧，所以1627℃是碳化硅在含氧化剂气氛下的高温。常温下工业碳化硅是一种半导体，属杂质导电性。高纯度碳化硅随着温度的升高电阻率下降，含杂质碳化硅根据其含杂质不同，导电性能也不同。各种碳化硅晶型的颗粒度十分接近，一般认为是3.20g/mm

石墨是碳的一种同素异形体，为灰褐色、不透明固体，化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应，人工石墨导热系数较好(约700-1800W/m.k)，天然石墨导热系数为300-700W/m.k。石墨比热710J/(kg.k)，电导率0.061*10

在所有固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1％的普通碳钢的导热系数为45W/m·K，不锈钢的导热系数仅为16W/m·K。图4是常用固体材料的导热系数。

液体分成金属液体和非液体两类，前者导热系数较高，后者较低。在非金属液体中，水的导热系数最大，除去水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。一般来说，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。图5列出了几种液体的导热系数值。

气体的导热系数随温度升高而增大。在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小，只有在压力大于196200kN/m

本发明优点在于：

本技术发明作为太阳能光热利用的固体储热介质具有如下有益效果：

(1)本发明采用以颗粒或粉末状氧化镁、碳化硅或石墨等固体物质根据其各自在导热系数、比热容等工程热力学方面参数的特点按照一定的配合比混合后所形成的具有高导热系数、体积储热密度大、高温度参数运行等独特优点的固体储热换热介质，能将“带凸透镜阵列聚能模块”折射聚焦的温度高达500～1200℃高温太阳光热能量临时储存起来，根据需要放热或换热给工质的储热介质，从而解决了阴雨天气、夜间等无法采集到太阳光热能量时段的太阳能光热利用的间歇性问题，使太阳能光热发电、物料烘干、污水处理等光热利用的领域的可调节、连续性成为可能，为光热利用的商业化应用、节能减排和“双碳”目标的实现有着重大的战略意义；

(2)本发明所采用的三种储热导热介质中的石墨是层状结构，沿层片面向的导热系数非常高，而轴向导热系数较低；碳化硅、氧化镁的分子结构比较规则，两个方向的导热系数区别不大，正好弥补了石墨轴向导热系数偏小的弱点，本发明采用氧化镁、碳化硅与石墨按照一定比例二元或三元混合能提高导热、换热介质总体的导热系数，有利于提高储热换热的系统效率；

(3)本发明采用氧化镁、碳化硅和石墨均具有较高的体积密度、比热容接近1000J/KG·K，远大于一般的金属、非金属材料，如砼、砂石、岩石、土壤、粉煤灰等常用储热材料的比热容，因而单位温升所储存的能量远大于一般常用固体储热材料的储热量，能获得较高的单位质量和体积密度，减少在储热保温系统的成本投入、减少热损失、提高储热效率；

(4)本发明采用氧化镁、碳化硅和石墨按一定比例混合作为储热换热介质主要基于三种物质的耐热温度都远超1000℃，其中氧化镁的熔点2852℃、碳化硅熔点2700℃、石墨的熔点超过3800℃，因此，从耐高温的角度来看本发明非常适合500～1000℃中高温储热应用，如储热容器、管道阀门和换热器等系统其他零部件能经受住1000℃以上超高温的考验，本发明应用的温度范围还有很大的提升空间；更为突出的优点在于本发明的储热介质在中高温储热应用中不发生固-液相变，所以储热换热过程中不会造成管道、罐体冻结损坏的故障，本发明的储热换热介质在中高温的储热换热应用中不发生固-气相变，因此不会造成系统压力过高而损坏管道、换热器等系统部件，系统始终处于低压安全运行状态；

(5)三种储热材料中氧化镁、碳化硅和石墨的比热容均随温度的升高而增加，因此，温度越高单位质量的储能密度越高；另外，300℃以下的中低温段储热换热三种材料都表现出良好的导热性，导热系数都大于20W/(m.k)，储热换热的效率大于绝大部分金属，具有良好的导热性能；随着温度的升高，导热系数均减小这在客观上减少了高温工况的热损失，但即使超过1000℃其导热系数依然远高于水、导热油、热熔盐、各种气体在200℃以下的导热系数，仍具有较高的储热、换热效率；

(6)三种储热换热无论是二元或三元按一定的配合比混合相互之间均不会发生任何化学反应、物理作用降低作为储热材料的必须具有较高的导热系数、比热容等物理性质，有很好的化学和热稳定性，三者均不与二氧化碳发生反映，为了避免空气中的氧气对石墨的氧化、空气中水汽会造成氧化镁和碳化硅的结块给储热换热材料的管道泵送造成影响，本发明的应用都在二氧化碳的气体环境或者真空环境中应用；

三种储热材料的密度远大于常用的储热材料液态水1.0g/cm

附图介绍

附图1-2是氧化镁与其他材料(包括混凝土、熔盐等材料)的质量密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、高温耐压强度、高温抗折强度等各项性能的比较结果。

附图3是重结晶碳化硅砖的性能结果。

附图4是常用固体材料的导热系数。

附图5是常用液体的导热系数。

附图6是常用气体的导热系数。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

1方法

1.1分组

实验一组：将氧化镁、碳化硅、石墨固体颗粒或粉末充分混合(按照重量份比为石墨：氧化镁：碳化硅＝5:3:2)干燥后注入“带凸透镜阵列聚能模块”的集热管道和储热容器内作为储热介质，同时为了避免空气中的氧气对石墨的氧化、空气中水汽会造成氧化镁和碳化硅的结块给储热换热材料的管道泵送造成影响，应用都在二氧化碳(氩气、氦气等惰性气体均可)的气体环境或者真空环境中应用；需要将集热管道、储热容器内抽真空，或者抽真空后灌入二氧化碳。利用氧化镁、碳化硅、石墨固体颗粒在集热管道中的流动、吸收高温太阳热能后带入储能装置进行能量储存或进行换热为污水蒸馏、物料除湿加热等提供能量。

实验二组：与实验一组区别仅在于储热介质的各原材料重量份不同，具体地：氧化镁：石墨：碳化硅＝5:3:2。

实验三组：与实验一组区别仅在于储热介质的各原材料重量份不同，具体地：碳化硅：石墨：氧化镁＝5:3:2。

对照一组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用石墨作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)。

对照二组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用碳化硅作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)。

对照三组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用氧化镁作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)。

对照四组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用石墨和碳化硅的混合物作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)，各原材料重量份比为：石墨：碳化硅＝1:1。

对照五组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用石墨和氧化镁的混合物作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)，各原材料重量份比为：石墨：氧化镁＝1:1。

对照六组：与实验一组区别仅在于储热介质不同，具体地：使用氧化镁和碳化硅的混合物作为储热介质(储热介质总量与实验一组相同)，各原材料重量份比为：氧化镁：碳化硅＝1:1。

1.2检测方法

分别检测上述各组储热介质在0-600℃环境下热工性能(包括导热系数、比热容)。

2结果

实验一组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

实验二组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

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实验三组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

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对照一组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

对照二组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

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对照三组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

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对照四组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

对照五组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

对照六组储热介质在0-600℃环境下热工性能表

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3结论

以上实验数据说明：在实验温度范围内，石墨、碳化硅、氧化镁及其二元或三元混合物的导热系数均随温度升高而逐渐降低，比热容均随温度增高而逐渐增大；相同温度下混合物相较于其中单种物质的导热系数更高，一定比例下的三元混合物在提高导热系数方面更为突出。

本发明采用颗粒状或粉末状氧化镁、碳化硅、石墨等固体物质作为太阳能光热利用的储热介质是综合了其比密度大、比热容高、传热系数大、高温下状态下组织结构稳定彼此不会发生化学反应等优点，能更好的储存利用“带凸透镜阵列聚能模块”折射聚焦的高温太阳光热能量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。