一种可用于光伏降温的柔性储能相变材料及其制备方法

本发明属于光伏降温及相变材料领域，具体涉及一种可用于光伏降温的柔性储能相变材料及其制备方法。

背景技术：

1、化石燃料的过度消耗及其温室气体排放正导致全球气候变暖。作为一种清洁、可再生的替代能源，光伏发电在发电过程中不产生温室气体，具有重要的环境优势。然而，光伏电池板在太阳光直射下温度升高，会降低发电效率并增加安全风险。因此，开发有效的冷却方法以维持电池板的适宜工作温度，对于提高光伏发电效率和保障系统安全至关重要。

2、现有的光伏板降温主要以水为冷却介质为主来进行降温。cn116333438a公开了一种可用于光伏降温的复合水凝胶，包裹有高导热金属层的高聚物水凝胶层伸至水中进行提水，来作用于光伏进行降温。cn104260519a公开了一种自降温型光伏背板，通过在吸水层中设置可聚合单体及固化剂，使其在一定温度下发生聚合反应，形成网状聚合物，可以有效锁住水分，利用水分蒸发为背板降温，相比常规背板，可以提高组件发电效率1-7％。这类降温方法往往需要额外大型设备来存储水源，循环利用率低，造价昂贵。

3、除此之外，还可以利用聚合物板材的高导热性，将热量散发到环境中。cn112968070a利用pp，pe，poe等作为基底材料，加入氮化硼纳米管(bnnt)和碳化硅晶须(sicw)，制备出一种高效冷却降温的太阳能光伏背板。长时间的重复使用，容易加速pp，pe等材料的老化，增加了使用成本。

4、以上方法均体现了聚合物在光伏板降温方面的使用价值，在一定程度上降低了光伏板的工作温度，延长了光伏板的使用年限和安全性，并且在一定程度上降低了光伏板的使用成本。但是也在一定程度上增加了光伏板降温设施的成本和人工的支出。因此需要一种价格低廉和方便实用的降温材料代替现有的光伏板降温的方法和所用的材料。

5、为提升光伏系统的能量利用效率，通过相变材料(phase change materials,pcms)来吸收和储存光伏板产生的热能，不仅可以降低光伏电池的工作温度，提高其光电转换效率，而且可以经历多次的重复循环使用，具有较长的使用寿命，降低了使用成本。pcms的使用显示出提升系统效率的潜力，是光伏领域中一个具有发展前景的技术方向。

6、cn107749431a提供了一种复合相变材料辅助的光伏电池组件，利用石蜡、石墨和金属丝网格的组成相变冷却腔体，对设置于相变材料腔体外的光伏组件进行冷却。cn102504541a公开了一种石墨相变导热硅脂及其制备方法，利用纳米多孔石墨封装高精度石蜡，将其与有机硅油进行混合，得到高导热硅脂，用于聚光电池片上具有良好的降温效果，并且可重复使用，具有较长的使用寿命。以上多为固-固相变材料，虽然解决了相变材料易发生液体泄露的情况，但还是具有柔性差，结晶刚性大、脆性易断裂，用法单一，造价高的缺点。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种可用于光伏降温的柔性储能相变材料及其制备方法，该相变材料具有较高的相变焓，良好的热循环性及定形效果。该材料通过特定的化学结构设计实现形态稳定，防止液体泄漏。具体而言，相变材料通过聚氨酯的软硬段结构以及引入的交联剂进行固定，确保了材料在相变过程中的完整性和稳定性。此外，本发明采用紫外光固化技术，以实现该相变材料的快速固化。

2、本发明采用水性聚氨酯(wpu)与相变材料结合制备出具有定形特性的复合材料，能够实现pcms的定形相变。此外，相变水性聚氨酯柔性材料不仅具有相变材料的可以经历多次循环使用、使用寿命长的优点，还可以通过涂层或薄膜形式应用于光伏板，解决了传统相变材料刚性大、无法裁剪到合适尺寸来贴合光伏板等问题。这种应用方式不仅提升了热能的吸收和储存效率，还有效降低了光伏电池的工作温度，从而增强了光伏系统的整体能效。

3、本发明采用的具体技术方案如下：

4、本发明的目的之一是提供一种可用于光伏降温的柔性储能相变材料，由包含聚乙二醇、聚醚二元醇或者聚酯二元醇、二异氰酸酯、含羧基的短链脂肪族二元醇、催化剂、小分子多元醇、含羟基和双键的烯丙基醚或丙烯酸酯的多元醇、扩链剂、中和剂、抗氧化剂、抗紫外线剂、光引发剂、有机溶剂、水在内的组分制备而成；上述组分总量为100重量份，所述水和有机溶剂占总重量的60～70份。

5、其中：

6、所述聚乙二醇、聚醚二元醇或聚酯二元醇、二异氰酸酯、含羧基的短链脂肪族二元醇、小分子多元醇、含羟基和双键的烯丙基醚或丙烯酸酯的多元醇、扩链剂、中和剂、抗氧化剂、抗紫外线剂、光引发剂的重量比为(0.64～0.8)：(0～0.12)：(0.1～0.3)：(0.02～0.04)：(0.001～0.006)：(0.001～0.06)：(0.005～0.03)：(0.01～0.03)：(0.001-0.02)：(0.001～0.01)：(0.01～0.03)。

7、所述催化剂含量为聚乙二醇、聚醚二元醇或聚酯二元醇、二异氰酸酯、含羧基的短链脂肪族二元醇、小分子多元醇、羟基和双键的烯丙基醚或丙烯酸酯的多元醇总重量的0.01～0.5％。

8、所述聚乙二醇的分子量为2000～10000中的一种或多种。

9、所述聚醚二元醇或聚酯二元醇，选自聚丙二醇、聚乙二醇、聚碳酸酯二醇、聚己内酯二醇、聚四氢呋喃二醇中的一种或多种。

10、所述二异氰酸酯为芳香族或者脂肪族二异氰酸酯，选自2,4-甲苯二异氰酸酯、4,4’-二苯甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯三聚物、六亚甲基二异氰酸酯缩二脲、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种。

11、所述含羧基的短链脂肪族二元醇选自2,2-二羟基甲基丙酸、二羟甲基丁酸中的一种或多种。

12、所述小分子多元醇选自丁二醇、丙二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇中的一种或多种。

13、所述含羟基和双键的烯丙基醚或丙烯酸酯的多元醇选自丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、季戊四醇烯丙基醚、季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或多种。

14、所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡或有机铋；所述扩链剂为乙二胺或乙醇胺；所述中和剂为三乙胺或二乙胺。

15、所述抗氧化剂为抗氧化剂168、抗氧化剂b215、抗氧化剂264、抗氧化剂1010、抗氧化剂1076中的一种或多种。

16、所述抗紫外线剂为uv-p、uv-9、uv-326、uv-327和uv-328中的一种或多种。

17、所述光引发剂为500和1173等光固化引发剂中的一种或多种。

18、所述有机溶剂为甲酮、乙酮、丙酮或丁酮中的一种或几种；所述有机溶剂与所述聚醚二元醇或聚酯二元醇的重量比为1：(0.1～20)。

19、本发明另一目的是提供上述可用于光伏降温的柔性储能相变材料的制备方法，包括以下步骤：

20、(1)将聚乙二醇和聚醚二元醇或聚酯二元醇在80℃下，真空除水8h，其他有机试剂用分子筛除水3天以上；

21、(2)将聚乙二醇和二异氰酸酯混合加热到70～80℃，再滴加催化剂搅拌反应1～3h，得到聚氨酯混合物；

22、(3)在上述聚氨酯混合物中加入含羧基的短链脂肪族二元醇，保持反应温度为70～80℃，继续反应1～2h；随后加入小分子多元醇，在60～70℃下继续搅拌反应0.5～1h；

23、(4)升高并维持温度70～75℃，加入含羟基和双键的烯丙基醚或丙烯酸酯的多元醇，持续反应最少2h；

24、(5)降温至40～50℃，加入中和剂，得到丙烯酸改性交联聚氨酯预聚体；步骤(2)～(5)中反应过于黏稠时，添加有机溶剂；

25、(6)将得到的丙烯酸改性交联聚氨酯预聚体用计量的去离子水乳化至泛蓝光，静止至无泡沫，加入扩链剂，继续在搅拌下反应30min，最后在30℃左右进行低压蒸馏，除去有机溶剂，得到具有相变功能的水性聚氨酯乳液；

26、(7)将步骤(2)中聚乙二醇替换为聚醚二元醇或聚酯二元醇，重复步骤，得到良好拉伸性能的水性聚氨酯；

27、(8)将所述两种丙烯酸改性水性聚氨酯与光引发剂、抗氧化剂、抗紫外线剂混合均匀，紫外灯固化机中固化10～15秒，得到可用于光伏降温的柔性储能相变材料(可以浇筑于模具中进行固化制成薄膜，也可以涂敷于光伏板表面进行固化形成涂层)。

28、其中，所述步骤(6)中的水性聚氨酯乳化的搅拌速度为800～1000r/min。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本发明针对光伏降温及能量储存问题以及相变材料存在的刚性大、易碎等缺陷，采用紫外光固化技术，制备了一种可用于光伏降温的柔性储能相变材料。该材料不仅具备优异的相变焓值和热稳定性，而且具有良好的柔韧性，能够适应弯曲和折叠。固化形成薄膜后还可以根据光伏板实际尺寸大小进行裁剪，通过贴膜的方式易贴合于光伏板表面。此外，本发明中的相变水性聚氨酯材料，不仅可固化为薄膜材料，还可进一步加工成涂层形式，为光伏降温和能量储存提供了多样化的解决方案。所制备的相变水性聚氨酯还可以应用于建筑、工业以及智能纺织等多个领域，显著拓宽了其应用范围。