一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置
2023-04-24 01:05:04 4
1.本發明涉及太陽能蓄熱技術領域，具體涉及一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置。
背景技術：
2.相變蓄熱是太陽能熱利用領域中的一項關鍵技術，因其成本較低、可調度性高，受到學術與工業界的廣泛關注。相變蓄熱具有蓄熱量大、放熱溫度穩定等特點，對太陽能資源的間歇性、時間不均勻性具有良好的匹配能力，是目前太陽利用技術發展的主要方向。然而，太陽能相變蓄熱的一個不足之處在於，相變材料普遍熱導率較低，蓄熱速度較慢，導致太陽能利用效率較低。
3.為了提高太陽能熱利用效率，需要強化傳熱。目前，有以下幾種強化傳熱的方法：(1)添加翅片結構；(2)添加石墨及金屬等高導熱材料(3)利用三維多孔定向傳熱骨架封裝蓄熱材料；(4)將蓄熱材料封裝在有機或無機殼層中製備成微膠囊複合相變介質。添加翅片結構在一定程度上限制了相變過程中的自然對流，且佔據一定空間。石墨、金屬高導熱材料及多孔定向傳熱骨架與蓄熱材料間存在較高的界面熱阻，導致介質內部傳熱速率較慢。微膠囊複合相變介質製備工藝較為複雜。且在上述方法中，由於填料或骨架結構對入射光子的吸收，致使光在蓄熱材料中傳輸深度只有幾毫米，在介質內部依舊主要依靠熱擴散方式完成相變界面移動，導致介質內部傳熱速率依舊非常緩慢。
4.目前實現大尺寸介質快速高效太陽能蓄熱的最大障礙是光子在相變介質內部的傳輸距離，優化太陽光在蓄熱材料內部的空間分布可實現介質快速相變蓄熱，提高太陽能熱利用效率。因此，需要提供一種新型的相變蓄熱通光技術及相變蓄熱裝置，以提高蓄熱速度。
5.專利cn 207019162 u公開了一種基於光纖傳輸太陽能的室內輻射採暖裝置，包括室外聚光裝置和室內輻射散熱裝置，室外聚光裝置包括室外固定支架，室外固定支架的一端安裝有透射式點聚光菲涅爾透鏡，透射式點聚光菲涅爾透鏡的後部設有雙凹形曲面透鏡，雙凹形曲面透鏡的後部設有光導纖維，光導纖維位於雙凹形曲面透鏡的光軸上，光導纖維與室內輻射散熱裝置連接；所述室內輻射散熱裝置包括保溫層、蓄熱層和輻射散熱鋁板；這種裝置中光只能在光導纖維端面出射，只有光導纖維端面附近很小區域的蓄熱材料能快速吸光後相變，熱量在其餘大部分區域蓄熱材料中的傳遞主要依靠熱傳導方式，因此這會導致蓄熱材料內部出現局部過熱、蓄熱速率慢等問題。
技術實現要素：
6.針對上述現有技術，本發明的目的是提供一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置。該裝置能加快界面移動速率，提高光熱利用效率，且結構簡單，加工過程簡便，適用於大尺寸介質的相變蓄熱。
7.為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
8.本發明提供一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置，包括聚光裝置、位於聚光裝置下方的光導纖維和包裹光導纖維的蓄熱材料；光導纖維分為不可側發光部分和可側發光部分，光導纖維的不可側發光部分位於聚光裝置的下方，暴露於蓄熱材料外部空氣中，且光導纖維的不可側發光部分的光入射端面位於聚光裝置焦平面上；可側發光部分貫穿於蓄熱材料內部。
9.作為優選，所述光導纖維為pmma光纖或二氧化矽光纖。
10.作為優選，所述光導纖維的可側發光部分由以下方法製備得到：將光導纖維物理剝除包層或利用有機溶劑浸泡去除包層後獲得裸光導纖維，將裸光導纖維浸泡於試劑中，獲得側發光光導纖維。
11.作為優選，對於pmma光纖，將需要側發光處理的光導纖維區域物理剝除包層後獲得裸光導纖維區域，將該裸光導纖維區域浸泡於體積比2：3的丙酮與正己烷混合液中，浸泡3-15秒後，獲得包括不可側發光部分和可側發光部分的光導纖維；
12.對於石英光纖，將需要側發光處理的光導纖維區域在丙酮中浸泡24小時，剝去有機包層後獲得裸光導纖維區域，將裸光導纖維區域浸入h2o2與h2so4體積比為3：7的混合液中，在90℃下預處理1小時；將2mmol草酸鈦鉀溶於40ml體積分數75％二乙二醇水溶液中，將預處理過的裸光導纖維區域插入二乙二醇水溶液中，在180℃下水熱反應6小時後，獲得包括不可側發光部分和可側發光部分的光導纖維。
13.作為優選，所述光導纖維的數量至少一個，聚光裝置與光導纖維一一對應。
14.作為優選，所述聚光裝置為複合拋物面聚光器或菲涅爾透鏡。
15.作為優選，所述聚光裝置位於蓄熱材料外部，聚光裝置的焦平面位於光導纖維不可側發光部分的入射端面。
16.作為更優選，所述光導纖維側發光部分貫穿於蓄熱材料的內部。
17.作為優選，所述蓄熱材料為硝酸鉀、硝酸鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈉、石蠟、聚氨酯中的一種或多種。
18.作為更優選，所述蓄熱材料中還均勻分散石墨烯。所述石墨烯具有優異的光熱轉換性能，因此從光導纖維側面出射的光可以快速被石墨烯吸收並轉換成熱能使得蓄熱材料升溫相變。
19.在蓄熱過程中，太陽光經聚光裝置聚集在光導纖維不可側發光部分的入射端面，並耦合進入光導纖維中，在pmma光導纖維中，光導纖維表面由於試劑的刻蝕形成凹陷，太陽光在光導纖維波導傳輸過程中由光導纖維側表面的凹陷處散射並輸出至蓄熱介質內部；在二氧化矽光導纖維中，可側發光部位的二氧化矽(折射率為1.45)表面覆蓋一層二氧化鈦(折射率為2.49)，太陽光在光導纖維纖芯(二氧化矽)波導傳輸過程中由於光無法滿足全反射條件從而折射進入二氧化鈦並從二氧化鈦層射出進入蓄熱介質內部。分散在蓄熱介質中的光熱材料即石墨烯吸收這些太陽光並將其轉換成熱量，這些熱量釋放給相變蓄熱材料使其逐漸升溫相變，將熱量存儲在相變蓄熱材料中。該過程中，光導纖維將太陽光波導並輸出到相變介質內部發生光熱轉換，在空間尺度上優化了蓄熱材料內部的光分布，調控了相變界面，提高了蓄熱材料充熱相變速率，可實現太陽能光熱在蓄熱材料中的較長距離、高效、快速存儲。
20.本發明的有益效果：
21.本發明的裝置處於蓄熱過程時，太陽光經聚光裝置聚集到光導纖維入射端面，經光導纖維傳輸至可側發光部位，並由該部分側發光輸出至蓄熱材料內部，在空間尺度上優化了蓄熱材料內部的光分布、調控了相變界面，有效提高相變介質蓄熱速率，可實現太陽能光熱在蓄熱材料中的較長距離、高效、快速存儲。
22.本發明採用光波導輸運光並將其側面輸出至蓄熱材料內部，通過優化光在介質內部的空間分布，解決了光在介質內部傳輸距離短的弊端，可有效提高相變蓄熱速度，進而提高太陽能熱利用效率。同時，光導纖維中光的長距離傳輸特點使得光波導內通光增強相變蓄熱速率的技術適用於大尺寸介質的相變蓄熱領域中。另外，本發明內通光相變蓄熱裝置結構簡單、成本低廉，便與加工製作及實際應用。
附圖說明
23.圖1：本發明的太陽能相變蓄熱裝置中只有一個光導纖維的示意圖；
24.圖2：本發明的太陽能相變蓄熱裝置中具有多個光導纖維的示意圖；
25.圖3：本發明的複合拋物面聚光器縱切圖。
具體實施方式
26.應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本技術提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本技術所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
27.正如背景技術所述，光在蓄熱材料中傳輸深度只有幾毫米，在介質內部依舊主要依靠熱擴散方式完成相變界面移動，導致介質內部傳熱速率依舊非常緩慢。基於此，本發明提供一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置，包括聚光裝置、位於聚光裝置下方的光導纖維和包裹光導纖維的蓄熱材料；光導纖維分為不可側發光部分和可側發光部分，光導纖維的不可側發光部分位於聚光裝置的下方，暴露於蓄熱材料外部空氣中，且光導纖維的不可側發光部分的光入射端面位於聚光裝置焦平面上；可側發光部分貫穿於蓄熱材料內部。
28.光導纖維為pmma光纖或二氧化矽光纖；所述光導纖維的可側發光部分由以下方法製備得到：對於pmma光纖，將需要側發光處理的光導纖維區域物理剝除包層後獲得裸光導纖維區域，將該裸光導纖維區域浸泡於丙酮與正己烷(體積比為2：3)混合液中，浸泡3～15秒後，獲得包括不可側發光部分和可側發光部分的光導纖維；對於石英光纖，將需要側發光處理的光導纖維區域在丙酮中浸泡24小時，剝去有機包層後獲得裸光導纖維區域，將該裸光導纖維區域浸入h2o2與h2so4(所用h2o2與h2so4為購買的純溶液)體積比為3：7的混合液中，在90℃下預處理1小時；將2mmol草酸鈦鉀溶於40ml體積分數75％二乙二醇水溶液中，並將預處理過的裸光導纖維區域插入溶液中，在180℃下水熱反應6小時後，會在裸光導纖維區域的表面生長一層二氧化鈦，該區域具有可側發光特性，因此該光導纖維包括不可側發光部分和可側發光部分。
29.聚光裝置為複合拋物面聚光器或菲涅爾透鏡，聚光裝置位於蓄熱材料外部，光導纖維不可側發光部分也位於蓄熱材料的外部，聚光裝置的焦平面與光導纖維不可側發光部分的光入射端面處在同一位置，這樣光經聚光裝置聚焦到焦平面上，導入到光導纖維中。
30.蓄熱材料為硝酸鉀、硝酸鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈉、石蠟、聚氨酯中的一種或多種，所述蓄熱材料中還均勻分布石墨烯。
31.為了使得本領域技術人員能夠更加清楚地了解本技術的技術方案，以下將結合具體的實施例詳細說明本技術的技術方案。
32.本發明實施例中所用的試驗材料均為本領域常規的試驗材料，均可通過商業渠道購買得到。
33.實施例1
34.一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置，如圖1所示，包括一個聚光裝置、一個pmma光導纖維和蓄熱材料。
35.所述pmma光導纖維分為不可側發光部分和可側發光部分，光導纖維中不可側發光部分位於蓄熱材料外部，聚光裝置的焦平面與光導纖維不可側發光部分的光入射端面處在同一位置；所述光導纖維可側發光部分貫穿於蓄熱材料內部。光導纖維的可側發光部分由以下方法製備得到：將需要側發光處理的光導纖維區域物理剝除包層後獲得裸光導纖維區域，將該裸光導纖維區域浸泡於體積比為2：3的丙酮與正己烷混合液中，浸泡10秒後，獲得包括不可側發光部分和可側發光部分的光導纖維。
36.聚光裝置為複合拋物面聚光器，聚光裝置位於蓄熱材料外部，光導纖維不可側發光部分也位於蓄熱材料的外部，聚光裝置的焦平面位於光導纖維不可側發光部分的光入射端面處。蓄熱材料為石蠟，石蠟中還均勻分布著石墨烯。
37.複合拋物面聚光器參數確定步驟為：複合拋物面聚光器縱切面如圖3所示。聚光器幾何聚光比s入射、s出射分別表示入射和出射端面面積。根據拋物面聚光器性質，在確定出射端面半徑a
′
及幾何聚光比c的前提下，聚光器各幾何參量可由公式(1)-(4)唯一確定。
[0038][0039][0040]
f＝a'(1+sinθ)(3)
[0041][0042]
上述公式中，θ為最大接收角，a為入射端面半徑，a
′
為出射端面半徑，c為聚光器幾何聚光比，f為焦距，l為聚光器長度。
[0043]
實施例2
[0044]
一種光波導內通光強化蓄熱的太陽能相變蓄熱裝置，如圖2所示，包括九個聚光裝置、九根pmma光導纖維和蓄熱材料；所述pmma光導纖維分為不可側發光部分和可側發光部分，光導纖維中不可側發光部分位於蓄熱材料外部，聚光裝置的焦平面與光導纖維不可側發光部分的光入射端面處在同一位置；所述光導纖維可側發光部分貫穿於蓄熱材料內部。光導纖維的可側發光部分由以下方法製備得到：將需要側發光處理的光導纖維區域物理剝
除包層後獲得裸光導纖維區域，將該裸光導纖維區域浸泡於體積比為2：3丙酮與正己烷混合液中，浸泡10秒後，獲得包括不可側發光部分和可側發光部分的光導纖維。
[0045]
聚光裝置為複合拋物面聚光器，聚光裝置位於蓄熱材料外部，光導纖維不可側發光部分也位於蓄熱材料的外部，聚光裝置的焦平面位於光導纖維不可側發光部分的入射端面處。蓄熱材料為石蠟，石蠟中還均勻分布著石墨烯。
[0046]
複合拋物面聚光器參數確定步驟為：複合拋物面聚光器縱切面如圖3所示。聚光器幾何聚光比s入射、s出射分別表示入射和出射端面面積。根據拋物面聚光器性質，在確定出射端面半徑a
′
及幾何聚光比c的前提下，聚光器各幾何參量可由公式(1)-(4)唯一確定。
[0047][0048][0049]
f＝a'(1+sinθ)(3)
[0050][0051]
上述公式中，θ為最大接收角，a為入射端面半徑，a
′
為出射端面半徑，c為聚光器幾何聚光比，f為焦距，l為聚光器長度。
[0052]
對比例1
[0053]
本對比例中無pmma光導纖維，其餘與實施例1相同。
[0054]
對比例2
[0055]
本對比例中pmma光導纖維在蓄熱材料內部為不可側發光部分，其餘與實施例2相同。
[0056]
實驗例
[0057]
利用實施例1-2、對比例1-2的裝置進行蓄熱材料充熱相變速率測量，具體步驟為：將實施例1-2、對比例1-2的裝置同時放置在太陽光下，利用紅外相機記錄裝置側面溫度分布隨光照時間的演變進程，實施例1-2、對比例1中相變界面(溫度為蓄熱材料相變溫度)隨光照時間的延長是從蓄熱材料上端往下端移動的，因此分析實施例1-2、對比例1中蓄熱材料相變界面位置(相變界面到蓄熱材料上表面的距離)與光照時間的變化關係。在對比例2中的光導纖維是不可側發光的，光經光導纖維傳輸後只能由其底部端面輸出後被其周圍的光熱材料吸收並轉換為熱能，該熱能使得光導纖維出光端面附近區域的蓄熱材料快速升溫相變，同時熱量依靠熱傳導方式傳遞給其他區域的蓄熱材料。在對比例2中，光導纖維出光端是處在蓄熱材料底端的，因此在對比例2中底部的蓄熱材料先升溫達到相變溫度，該部分熱能再傳遞給上部分附近區域的蓄熱材料使其升溫相變，以此類推，因此，對比例2中相變界面隨光照時間的延長是從蓄熱材料下端往上端移動的，所以對比例2中所記錄的相變界面位置是相變界面到蓄熱材料下表面的距離。實施例1-2與對比例1-2的實驗結果如表1所示。
[0058]
表1
[0059][0060]
相變界面到蓄熱材料表面距離越大，說明達到相變溫度以上的蓄熱材料越多；相同光照時間，越多的相變材料達到相變溫度以上說明蓄熱速率越快。
[0061]
實施例1與對比例1相比，在15分鐘時相變界面到蓄熱材料表面距離較小，在20-65分鐘時相變界面到蓄熱材料表面距離較對比例1逐漸增大，實施例1的蓄熱速率最快。
[0062]
實施例1和對比例1的蓄熱材料的上表面和下表面之間的距離為5cm，實施例2和對比例2的蓄熱材料的上表面和下表面之間的距離為12cm；實施例1和實施例2的蓄熱材料的相變界面幾乎達到了蓄熱材料的下表面，這表明熱量從蓄熱材料的頂部一直傳導至其底部，蓄熱材料儲熱量多，蓄熱速率快；對比例1的相變界面到蓄熱材料上表面的距離僅為1.9cm，熱量在蓄熱材料中僅傳導了1.9cm，蓄熱材料中儲熱量低，蓄熱速度慢；對比例2的相變界面到蓄熱材料下表面的距離僅為4.9cm，蓄熱材料中儲存熱量的部分佔40.8％，蓄熱材料儲熱量低，儲熱速度慢。
[0063]
本發明的裝置處於蓄熱過程時，太陽光經聚光裝置聚集到光導纖維入射端面，經光導纖維傳輸至可側發光部位，並由該部分側發光輸出至蓄熱材料內部，在空間尺度上優化了蓄熱材料內部的光分布、調控了相變界面，有效提高相變介質蓄熱速率，可實現太陽能光熱在蓄熱材料中的較長距離、高效、快速存儲。
[0064]
以上所述僅為本技術的優選實施例而已，並不用於限制本技術，對於本領域的技術人員來說，本技術可以有各種更改和變化。凡在本技術的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本技術的保護範圍之內。