相变墙板复合储能材料的制备与性能研究

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本文针对农用温室大棚夜间采暖需求,通过选择合适的相变储热材料及性能改进,并依据济南地区全年的太阳日辐照量等信息,设计建造了包含集热、储热、散热功能的相变储热墙板系统。该系统利用收集储存的太阳能在夜间进行供暖,以解决太阳能利用在时间上的供需不匹配问题及化石能源采暖造成的环境污染问题。实验根据相变材料的筛选原则和实际应用需求,选择使用十二水磷酸氢二钠作为制备墙板用相变储热材料,加入2wt%的Al2O3形核剂,2wt%的CMC增稠剂和0.2wt%的PVP分散剂来配制DHPD-CAP复合体系,通过加热冷却循环实验并结合SEM、XRD、FT-IR、TG、DSC等表征测试手段对复合体系的储热性能进行了测试分析。结果表明,与纯DHPD相比,DHPD-CAP复合体系的过冷度明显降低,为4.0℃,且复合体系的相分离也得到了明显的改善,其相变潜热为175.71J/g,与纯DHPD相比,相变潜热提高了10%。向DHPD-CAP复合体系中继续添加0.25wt%、0.5wt%、0.75wt%、1wt%、1.25wt%的MWCNTs导热增强剂来配制DHPD-CAP/MWCNT复合材料,通过加热冷却循环实验并结合SEM、XRD、FT-IR、TG、DSC等表征测试手段对复合体系的储热性能进行了测试分析。结果表明,与DHPD-CAP相比,DHPD-CAP/MWCNT复合材料的过冷度进一步降低,为0.8℃,几乎没有过冷现象。且复合材料的相分离也进一步得到改善,随着M WCNTs质量分数的增大,复合材料的相变潜热先增大后减小,当MWCNTs添加量为1wt%时,复合材料的相变潜热最大,为217.57J/g,与纯DHPD相比,相变潜热提高了36.19%。另外,加入MWCNTs以后,DHPD-CAP/MWCNT复合材料的传热性能也得到了提高,与纯DHPD相比,其储热和放热时间分别减少11.74%和16.51%。最后,对DHP D-CAP/MWCNT4复合材料的热循环稳定性进行了测试分析,实验结果表明,复合相变材料的稳定性良好,经50次热循环后的步冷曲线基本重合。50次热循环以后DHPD-CAP/MWCNT4复合相变材料的熔化温度为35.40℃,相变潜热为214.65 J/g,与第1次循环(217.57 J/g)相比几乎没有衰减。所设计的DHPD基复合相变材料能够满足农用温室储能墙板的应用需求。在上述相变材料研究基础上,本文对相变储热墙板的结构进行了设计,确定了相变材料的封装方式为双层复合管状封装;然后对相变墙板结构进行了设计和改进,建造了集热、储热、散热一体化墙板,从后往前依次为保温层、后通风层、相变储热层、前通风层、玻璃层,相变墙板尺寸为250mm×2200mm×1000mm。然后结合农用温室大棚的实际情况,将12组相变墙板(250mm×2200mm×1000mm)彼此相连,建成了厚250mm,高2200mm,宽12000mm的相变墙板系统。相变储热墙板系统的运行结果表明:(1)在典型的阴天天气条件下,室内温度、相变材料之间温度、吸热层表面温度、下通风口温度和上通风口温度均没有明显的上升和下降趋势,相变材料之间在一天内的最高温度为8.5℃,室内在一天内的最低温度为6.8℃,相变储热墙板系统没有进行集热、储热和散热。(2)在典型的多云天气条件下,室内温度、相变材料之间温度、吸热层表面温度、下通风口温度和上通风口温度均有明显的上升和下降趋势,相变材料之间在一天内的最高温度为34.0℃,且最高点处的温度曲线只维持了很短的时间,只有部分相变材料发生了相变,室内在一天内的最低温度为5.6℃,相变储热墙板系统在白天进行了集热和部分储热,在夜间进行了散热。(3)在典型的晴天天气条件下,室外温度、室内温度、吸热层表面温度、下通风口温度和上通风口温度均有明显的上升和下降趋势,相变材料之间在一天内的温度维持在34.0℃至36.2℃之间,室内温度全天保持在15.7℃以上,相变储热墙板系统在白天进行了集热和储热,在夜间进行了散热。上述结果表明,本文制备的相变材料及相变储热墙板具有较好的太阳能储热能力和大棚室温调控能力,可以显著提高农作物所需的温度环境。
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