[发明专利]一种热化学-潜热-显热的复合储热大胶囊及其制备方法

说明书

本发明公开了一种热化学‑潜热‑显热的复合储热大胶囊及制备方法，该复合储热大胶囊包括金属相变材料核芯、有机牺牲层空腔、无机陶瓷显热储热壳层和热化学储热壳层，其中，金属核芯的直径在1～40mm，有机牺牲层空腔厚度为0.25～5mm，无机陶瓷显热储热壳层厚度为0.1～10mm，热化学储热壳层厚度为1～40mm。该方法制备出由热化学储热材料壳层和无机显热材料壳层包覆的金属基相变大胶囊，具有热化学、显热、潜热三种储热技术的优点，在解决了金属基相变材料的泄露及腐蚀问题基础上，增强了复合材料的机械性能，避免了类似于纯热化学储热材料小球力学性能差、反应扩散路径长的问题，本发明的复合储热胶囊具有长时循环性能和高储热密度，能够极大地促进其在高温储能领域尤其是具有化学储热系统的光热电站中的应用。

技术领域

本发明涉及储热技术的应用领域，具体涉及一种热化学-潜热-显热的复合储热大胶囊及其制备方法。

背景技术

随着环境污染和能源危机的问题日益突出，可再生能源及余热资源的开发利用作为能源领域的两大主题备受关注，但以太阳能和风能为代表的可再生能源以及工业余热资源，具有明显的波动性、间断性以及时间上的供应与需求不匹配等问题，会导致能源利用效率低下。热能储存是解决上述问题的关键，以太阳能光热发电为例，可再生能源直接转换后得到的热能被储存起来，克服昼夜转换及天气变化等不可控因素，平稳的输出能源；同时储热系统能够最大限度地利用设备能力和工业余热，起到调节耗能峰值负载的作用，即在负载低时将多余的热能吸收到储能装置中，在负载高时释放储存的热能，提高热能利用效率。

目前的储热技术根据储热方式不同分为热化学储热，潜热储热以及显热储热三种。其中热化学储热技术储热密度最高；潜热储热的储热密度适中且相变过程接近恒温；显热储热技术原理简单，材料来源丰富。

但是潜热储热存在相变过程易泄露，高温状态下部分金属合金的腐蚀性较强，成本较高，封装后易破裂等问题；近年来胶囊化封装技术被用来对金属基相变材料进行封装，用以克服潜热储热相变过程易泄露，腐蚀性强等问题。如以Al-25wt％Si(平均直径36.3μm，熔点577℃)微球为芯、Al₂O₃为壳的核壳型微胶囊^[1]，以Al芯为原料制备出具有良好的核壳结构Al@Al₂O₃复合材料，核芯质量分数为60～68wt％，潜热(289～312J/g)，过冷性能减弱。^[2]，这两种胶囊为微胶囊，其实现了对金属基相变材料的成功包覆，但复合材料的储热密度在封装后相较于纯相变材料储热密度均有所下降，限制了其应用范围。

而热化学储热技术由于通过可逆的化学反应进行储热，会存在着材料力学性能差，反应不完全，长时循环材料易烧结等问题，进而降低其储热密度，主要包括以下几个方面问题：(1)由于纯热化学储热材料制备的小球一般都较小，直径在2mm左右，当直径增大时，机械性能会有所下降，导致胶囊内存在裂纹；(2)热化学储热材料是通过化学反应进行储放热，在反应时，最外层的化学材料先发生反应导致气体难以进入小球内部发生反应，因此，以纯热化学储热材料制备的小球在储放热时，随着小球直径的增大，扩散控制起到主导作用，会有相当一部分在小球内部的热化学储热材料无法快速参与化学反应，造成反应不充分；(3)纯热化学储热材料制备的小球多次循环后，其储热性能会随着材料的烧结而显著下降，最后维持在一个较低的定值，这种现象随着小球的直径增大而明显。

因此开发具有高储热密度的热化学-潜热-显热的复合储热大胶囊具有广阔的应用前景。

[1]A T N,A N S,A C Z,et al.Microencapsulated phase change materialswith high heat capacity and high cyclic durability for high-temperaturethermal energy storage and transportation[J].Applied Energy,2017,188:9-18.