一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新型環(huán)保高效蓄能技術應用領域，特別涉及一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用。本發(fā)明在夏季對水合鹽晶體加熱至完全融化并具一定過熱度，將過熱液體注入到內(nèi)壁光滑的圓弧倒角或橢圓弧倒角扁平長方體容器內(nèi)密封；然后在室內(nèi)環(huán)境中靜置，相變材料便以過冷液態(tài)形式長期穩(wěn)定存在于容器內(nèi)，儲存下大部分融解熱，待到冬季有供熱需求時對裝置施加機械振動、電場、磁場、超聲波或局部低溫觸發(fā)其結(jié)晶釋能。與傳統(tǒng)的跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)相比，該蓄能裝置在能量存儲過程中散熱損失更小，蓄能效率更高，而且制造簡單，成本較低。所用相變材料蓄能密度大，應用于跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)中大大降低了蓄能裝置體積，節(jié)省初投資且操控方便。
【專利說明】一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于新型環(huán)保高效蓄能技術應用領域，特別涉及一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用。
【背景技術】
[0002]隨著各國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求出現(xiàn)了前所未有的高增長態(tài)勢。然而，大量常規(guī)化石能源的利用會導致溫室氣體的排放并污染環(huán)境。為了減少對常規(guī)能源的依賴，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，太陽能等可再生能源的開發(fā)利用技術逐漸成為各國關注焦點。
[0003]太陽能具有儲量“無限性”、存在普遍性、利用清潔性和開發(fā)經(jīng)濟性等明顯優(yōu)勢。然而，太陽能受地理位置、季節(jié)、晝夜及雨雪天氣因素的影響，具有能流密度低，間斷性和不穩(wěn)定性等缺點，必須結(jié)合高效儲能技術加以利用。特別地，在太陽能豐富的夏季進行儲熱，在太陽能不足的冬季將儲存的能量釋放以供利用，即跨季節(jié)儲能技術。實現(xiàn)此過程的關鍵在于儲能材料及技術的選擇。
[0004]傳統(tǒng)跨季節(jié)顯熱儲能，如水箱儲熱、土壤蓄能、巖石床堆積儲熱等，操作簡單、使用安全、成本較低且壽命長，但儲熱密度較小造成儲能體積大、輸入輸出熱量時溫差較大及熱流不穩(wěn)定等缺點，而且能量儲存期間蓄能裝置散熱損失很大，能源利用率低。
[0005]相變儲熱材料，以其具有儲熱密度高、蓄放熱過程近似等溫、過程易控制等優(yōu)點，成為具有發(fā)展?jié)摿Φ膬δ懿牧?。其中，有機相變材料如石蠟，物理化學性能穩(wěn)定，重復利用性較好，且無毒無腐蝕性，安全系數(shù)高。但其導熱系數(shù)較小，使用時，需要向材料中填充增強導熱性的物質(zhì)，常用的如泡沫銅；且與絕大部分水合鹽類相變材料相比儲熱密度較小，融化凝固時，體積變化較大，蓄能設備容積增大，設計成本增加。
[0006]水合鹽相變材料，具有使用范圍廣、融解熱高、儲熱密度大、導熱性能好、易得、價格便宜、一般呈中性等優(yōu)點，在太陽能中低溫熱利用、建筑采暖、生活熱水系統(tǒng)及航空航海設備等領域備受重視。但大部分水合鹽相變材料存在較嚴重的過冷和相分離缺點，造成傳熱效率低下，熱循環(huán)穩(wěn)定性較差。過冷的限制促使研究者進行成核劑的研究，在材料中加入成核劑降低過冷度以加速結(jié)晶過程。
[0007]本發(fā)明儲能技術充分利用水合鹽相變材料存在的過冷性能，采用特殊設計的蓄能裝置，使其在環(huán)境條件下實現(xiàn)長期穩(wěn)定過冷(過冷液態(tài)相變材料與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài))，變不利為有利，避免了成核劑的選擇問題，應用于跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)，緩解了傳統(tǒng)跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)中存在的蓄能裝置體積巨大，熱量散失嚴重，熱流不穩(wěn)定等問題，提高了蓄能效率。蓄能裝置采用內(nèi)壁光滑的圓弧倒角或橢圓弧倒角扁平長方體容器，加工簡單，制造方便，在蓄能系統(tǒng)應用中具有廣闊前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為一項新型環(huán)保高效儲能技術，特征在于充分利用水合鹽相變儲能材料存在的過冷性能，使完全融化并具有一定過熱度的液態(tài)相變材料在室內(nèi)環(huán)境條件下冷卻，最終處于過冷液態(tài)的相變材料與周圍環(huán)境達到熱平衡，長期穩(wěn)定存在于容器內(nèi)，儲存下大部分融解熱。當有供熱需求時，對蓄能裝置施加機械振動、超聲波、電場、磁場或外表面局部低溫等方式觸發(fā)結(jié)晶，將能量釋放加以利用。將該技術應用到跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)中，在太陽能豐富的夏季將能量儲存起來，冬季有供熱需求時，通過觸發(fā)結(jié)晶釋能以供利用。該技術大大降低了跨季節(jié)蓄能裝置熱量散失，提高了蓄能效率。同時由于水合鹽相變材料具有較高的儲能密度，應用時大大減小了跨季節(jié)蓄能裝置容積，降低成本且方便操控。
[0009]本發(fā)明所使用的水合鹽相變材料采用具有一定過冷度ΛΤ(融點為Tm，室內(nèi)環(huán)境溫度IVC，存在TJTci,且建議滿足Λ T- (Tm-T0) ^ 5 °c時，水合鹽相變材料保持過冷液態(tài)穩(wěn)定不變)，在凝固-融化循環(huán)中性能較穩(wěn)定，儲能密度大，導熱性能好，腐蝕性較弱(或無腐蝕)，價格低廉的水合鹽，如Na2S2O3.5H20、NaCH3CO0.3H20等可滿足要求。
[0010]本發(fā)明蓄能裝置材質(zhì)可采用但不局限于不銹鋼材料，其材料強度和耐溫性能以及相應的水合鹽溶液對 該材料的腐蝕速率滿足允許的工作條件要求(如腐蝕速率要求為(0.1 mm/a)即可；蓄能裝置的結(jié)構(gòu)形式為圓弧倒角或橢圓弧倒角(經(jīng)實驗驗證，棱角等結(jié)構(gòu)凸起會造成液態(tài)水合鹽相變材料非均勻核化，實驗結(jié)果如表一所示)扁平(以減弱水合鹽相變材料相分離)長方體，結(jié)構(gòu)要求內(nèi)表面光滑；蓄能裝置上表面末端左右兩側(cè)分別開孔(孔徑在IOmm左右)，其中加液孔用于注入過熱的水合鹽溶液，排氣孔用于排除容器內(nèi)空氣。蓄能裝置形式簡單，易于加工，應用方便。
[0011]針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明提供了一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用。
[0012]一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法，充分利用水合鹽相變材料固有的過冷性能，將完全融化的液態(tài)水合鹽相變材料在室內(nèi)無擾動環(huán)境條件下冷卻，當冷卻到環(huán)境溫度時，水合鹽相變材料處于過冷液態(tài)，且能長期穩(wěn)定存在，儲存融解熱；當有熱需求時，通過觸發(fā)結(jié)晶將能量釋放以供利用。
[0013]所述水合鹽相變材料為具有過冷度AT，即當所述水合鹽相變材料的相變溫度為Tm，室內(nèi)環(huán)境溫度Ttl，存在TmXTtl,且滿足AT-(Tm-Ttl) ^ 5°C時，水合鹽相變材料保持過冷液態(tài)穩(wěn)定不變的相變材料。
[0014]所述水合鹽相變材料可選用但不限于Na2S2O3.5H20或NaCH3CO0.3H20。
[0015]一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置，所述蓄能裝置為扁平形狀密封導熱容器，其上表面分別設置加液口和排氣口以及二者對應的密封蓋，所述蓄能裝置的各棱及各頂點均為光滑弧形倒角，所述蓄能裝置內(nèi)表面及密封蓋內(nèi)側(cè)面均為光滑面。
[0016]所述蓄能裝置的材質(zhì)可選用但不限于不銹鋼材料。
[0017]所述弧形倒角為圓弧形倒角或橢圓弧形倒角。
[0018]所述蓄能裝置的扁平形狀為其高度不大于50_，其寬度及長度根據(jù)實際負荷設計要求而定。
[0019]一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置的應用方法，在夏季太陽能豐富期間通過水合鹽相變材料儲存能量，過渡期水合鹽相變材料以過冷液態(tài)形式穩(wěn)定存在，待到冬季有供熱需求時對蓄能裝置觸發(fā)結(jié)晶釋能；[0020]其具體方法如下:
[0021]所述水合鹽相變材料溶液對蓄能裝置的腐蝕速率滿足設計要求；所述蓄能裝置滿足強度和耐溫要求，其加液孔用于注入過熱的水合鹽溶液，其排氣口用于排除容器內(nèi)空氣；為了避免進入大量空氣，注入完畢立刻將兩孔加蓋密封；
[0022]所述蓄能裝置與換熱流體裝置采用板式間壁換熱器構(gòu)型相連，所述蓄能裝置及換熱流體裝置周圍設置保溫層；
[0023]所述蓄能裝置在蓄能系統(tǒng)中的數(shù)量及布置情況依據(jù)實際的設計需求而定；
[0024]所述蓄能裝置所用的相變觸發(fā)裝置，其觸發(fā)位置依設計需求而定；當有熱量需求時，通過相變觸發(fā)裝置觸發(fā)水合鹽相變材料相變凝固，使處于過冷狀態(tài)的液態(tài)水合鹽相變材料瞬間開始結(jié)晶，釋放所儲存的融解熱。
[0025]將多個蓄能裝置平鋪，或?qū)⒍鄠€蓄能裝置沿豎直方向疊放；所述多個蓄能裝置的數(shù)量及豎直疊放的間距位置按實際熱交換器場地、運行條件而定。
[0026]所述相變觸發(fā)裝置通過對蓄能裝置施加機械振動、超聲波、電場、磁場或局部低溫的方法，觸發(fā)水合鹽相變材料相變凝固。
[0027]本發(fā)明的有益效果為:
[0028]本發(fā)明蓄能裝置及方法直接擴展了具有過冷的水合鹽相變材料蓄能的應用范圍。將其應用于跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)相比，大大降低過渡期熱量散失，提高蓄能效率。同時由于水合鹽相變材料潛熱大，具有較高的儲能密度，減少了長期(跨季節(jié))蓄能裝置容積，節(jié)省初投資且方便操控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實施例1裝置外形和結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)為正視圖；圖1 (b)為側(cè)視圖；圖1(c)為俯視圖，圖1(d)為透視圖；
[0030]圖2為本發(fā)明實施例1裝置圓弧倒角或橢圓弧倒角結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(a)為圓弧倒角或橢圓弧倒角棱結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)為圓弧倒角橢圓弧倒角棱相交構(gòu)成的頂點結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明提供了一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能裝置及方法與應用，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0032]實施例1
[0033]本發(fā)明提供了一種散熱損失小，蓄能效率高，裝置加工簡單，成本較低的新型環(huán)保高效蓄能裝置和方法。夏季利用太陽能熱水將水合鹽相變材料晶體加熱融化，待融化完全并具有一定過熱度后，將其注入到內(nèi)壁光滑的扁平長方體容器內(nèi)，在室內(nèi)無擾動(機械振動、電場、磁場、局部低溫或超聲波等)環(huán)境條件下進行冷卻，最終相變材料以過冷液體狀態(tài)長期穩(wěn)定存在于蓄能裝置內(nèi)，儲存下全部的融解熱。將該技術應用到跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)中，在太陽能豐富的夏季利用水合鹽材料融化將能量儲存起來，過渡期以穩(wěn)定過冷液態(tài)形式靜置，待到冬季有供熱需求時對裝置施加機械振動、超聲波、電場、磁場或局部低溫觸發(fā)其結(jié)晶釋能以供利用。[0034]所述水合鹽相變材料采用蓄能密度較大、導熱系數(shù)較高、無毒、腐蝕性較小(或無腐蝕)、相變溫度為Tm (環(huán)境溫度Ttl, TmXTtlX過冷度為AT的相變材料，且建議滿足Λ T- (Tm-T0)≥5 °C時，水合鹽相變材料保持過冷液態(tài)穩(wěn)定不變，如Na2S2O3.5H20、NaCH3CO0.3H20等可滿足要求。
[0035]所述蓄能裝置，簡圖如附圖1所示，采用不銹鋼材料(水合鹽液體對容器的腐蝕速率為< 0.lmm/a)，壁厚參考值為2_，也可根據(jù)實際蓄能裝置表面積適當放大，保證滿足工作強度要求及換熱效果；結(jié)構(gòu)為圓弧倒角或橢圓弧倒角(經(jīng)實驗驗證，棱角等結(jié)構(gòu)凸起對水合鹽相變材料Na2S2O3.5H20和NaCH3CO0.3H20均會造成非均勻核化，實驗結(jié)果如表一所示)扁平(以減弱水合鹽相變材料相分離)長方體；為了保證適宜的傳熱性能，蓄能裝置高度H值不能太大，參考值50_ ；寬度B及長度L的值可依據(jù)實際負荷設計要求而定；蓄能裝置上表面末端兩側(cè)分別開孔(孔徑不宜太大，建議值10mm，位置見圖1 (c))，其中加液孔用于注入過熱的水合鹽溶液，排氣孔用于排除容器內(nèi)空氣(經(jīng)實驗驗證，大量空氣將觸發(fā)過冷液態(tài)相變材料結(jié)晶，同時為了降低容器腐蝕，注入水合鹽液體過程中，盡量減少進入的空氣量)，注入完畢立刻將孔加蓋密封。蓄能裝置中面與面之間的夾角均為光滑圓弧倒角或橢圓弧倒角，如圖2 (a)所示,建議曲率半徑P ? = 15mm,也可據(jù)實際設計情況適當確定；頂角為光滑圓弧倒角或橢圓弧倒角相連接，如圖2 (b)所示；蓄能裝置內(nèi)壁為光滑表面。實際應用中，蓄能裝置上下分別設有換熱流體裝置，蓄能裝置與換熱流體裝置周圍需要加設保溫層，建議采用IOOmm厚的礦物棉。
[0036]所述蓄能裝置在蓄能系統(tǒng)中的布置情況可依據(jù)實際的設計需求而定，可將多個蓄能裝置平鋪，或?qū)⒍鄠€蓄能裝置沿豎直方向疊放；所述多個蓄能裝置的數(shù)量及豎直疊放的間距位置按實際熱交換器場地、運行條件而定。
[0037]所述相變觸發(fā)裝置，可根據(jù)實際設計要求對蓄能裝置施加機械振動、超聲波、電場、磁場或局部低溫等方法，觸發(fā)具體位置依設計需求而定。當有熱量需求時，通過施加機械振動、超聲波、電場、磁場或局部低溫接觸制冷，使處于過冷液態(tài)的相變材料瞬間開啟結(jié)晶，釋放儲存的融解熱。
[0038]表一兩種水合鹽穩(wěn)定過冷實驗裝置結(jié)構(gòu)及實驗結(jié)果表
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法，其特征在于:充分利用水合鹽相變材料固有的過冷性能，將完全融化的液態(tài)水合鹽相變材料在室內(nèi)無擾動環(huán)境條件下冷卻，當冷卻到環(huán)境溫度時，水合鹽相變材料處于過冷液態(tài)，且能穩(wěn)定存在，儲存融解熱；當有熱需求時，通過觸發(fā)結(jié)晶將能量釋放以供利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法，其特征在于:所述水合鹽相變材料為具有過冷度△ T，即當所述水合鹽相變材料的相變溫度為Tm，室內(nèi)環(huán)境溫度Ttl,存在且滿足Λ T- (Tm-T0) ^ 5 °C時，水合鹽相變材料保持過冷液態(tài)穩(wěn)定不變的相變材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法，其特征在于:所述水合鹽相變材料為Na2S2O3.5H20或NaCH3CO0.3H20。
4.如權(quán)利要求1~3任意一項權(quán)利要求所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置，其特征在于:所述蓄能裝置為扁平形狀密封導熱容器，其上表面分別設置加液口和排氣口以及二者對應的密封蓋，所述蓄能裝置的各棱及各頂點均為光滑弧形倒角，所述蓄能裝置內(nèi)表面及密封蓋內(nèi)側(cè)面均為光滑面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置，其特征在于:所述蓄能裝置的材質(zhì)選用需滿足換熱效果、工作強度和耐腐蝕性設計要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置，其特征在于:所述弧形倒角為圓弧形倒角或橢圓弧形倒角。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置，其特征在于:所述蓄能裝置的扁平形狀為其高度不大于50mm，其寬度及長度根據(jù)實際負荷設計要求而定。
8.如權(quán)利要求4~7任意一項權(quán)利要求所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置的應用方法，其特征在于:在夏季太陽能豐富期間通過水合鹽相變材料儲存能量，過渡期水合鹽相變材料以過冷液態(tài)形式穩(wěn)定存在，待到冬季有供熱需求時對蓄能裝置進行觸發(fā)結(jié)晶釋能； 其具體方法如下: 所述水合鹽相變材料溶液對蓄能裝置的腐蝕速率滿足設計要求；所述蓄能裝置滿足強度和耐溫要求，其加液孔用于注入過熱的水合鹽溶液，其排氣口用于排除容器內(nèi)空氣；為了避免進入大量空氣，注入完畢立刻將兩孔加蓋密封； 所述蓄能裝置與換熱流體裝置相連，所述蓄能裝置和換熱流體裝置周圍均設置保溫層； 所述蓄能裝置在蓄能系統(tǒng)中的數(shù)量及布置情況依據(jù)實際的設計需求而定； 所述蓄能裝置所用的相變觸發(fā)裝置，依觸發(fā)方法而不同，其觸發(fā)位置根據(jù)設計需求而定；當有熱量需求時，通過相變觸發(fā)裝置觸發(fā)水合鹽相變材料相變凝固，使處于過冷狀態(tài)的液態(tài)水合鹽相變材料瞬間開始結(jié)晶，釋放所儲存的融解熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置的應用方法，其特征在于:將多個蓄能裝置平鋪，或?qū)⒍鄠€蓄能裝置沿豎直方向疊放；所述多個蓄能裝置的數(shù)量及豎直疊放的間距位置按實際熱交換器場地、運行條件而定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種利用水合鹽相變材料穩(wěn)定過冷蓄能方法所使用的蓄能裝置的應用方法，其特征在于:所述相變觸發(fā)裝置通過對蓄能裝置施加機械振動、超聲波、電場、磁場或局部低溫 的方法，觸發(fā)水合鹽相變材料相變凝固。
【文檔編號】F28D20/02GK103743275SQ201410025949
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】周國兵, 韓玉維, 王雪皎 申請人:華北電力大學