CN102012103A - 微晶陶瓷电热储能复合管 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微晶陶瓷电热储能复合管，它集加热、储能、放热功能于一体；使用、维护和安装都很方便。其管壁由内到外依次由内绝缘层、电加热层和外绝缘层、外壳复合而成，内绝缘层和外绝缘保护层用微晶陶瓷材料制成，管壳的两端由端盖板将储能材料、导热笼、导热片封闭在管内，导热笼制成三维结构埋于储能材料中；导热片将装有储能材料和导热笼的复合管内部分隔成多个储能腔，电热储能复合管与电源之间采用星形接线或三角形接线。本发明适合各种储能装置使用，可以应用在工业、农业、民用等不同的领域中。

Description

微晶陶瓷电热储能复合管

技术领域

本发明涉及能源技术领域，确切地说是一种微晶陶瓷电热储能复合管。

背景技术

我国是一个能源供应十分紧张的国家，也是世界上电负荷最大的国家，但却存在着用电高峰负荷增长很快，而电网负荷率逐年下降，峰谷差很大等问题。

通过削峰或移峰填谷新技术，将高峰需求尽可能抑制到最低，或转移高峰需求到低谷时段，对能源的有效利用、减少发电厂投入、以及电网的经济运行都有好处。据日本东京电力公司统计，日本电网负荷率每提高1％，可降低供电成本1％，减少200～300KT左右的CO2排放量，还可以延缓或推迟新机组建设，潜在的经济效益和社会效益十分巨大。由于削峰填谷对节约资源、节能减排具有重要意义，因此电热储能技术做为电网削峰填谷、节能减排的一项重要而有效的技术手段在发达国家得到了广泛的推广和应用。但在我国发展的不快，其中既有国情和社会宏观政策方面的原因，也有技术方面的原因。

电是不能储存的，但可以采用多种方式使介质形态发生变化，通过电能与其它能量的转换，起到间接“储存”电能的作用，即采用电加热的方式将储能材料加热并在需要时释放出去。

电储能的主要方式：

早期的储能技术主要是采用水做为能量的存贮材料，如采用冰蓄冷、水储能的方式，随着应用的推广，后期逐渐开始研究专门的储能材料，目前主要有两大类：

潜热储能材料：即相变储能材料，就是利用电能使物质发生相变(如固态液态之间的转化)，将相变时吸收或释放的热能储存起来，在需要时释放出去。相变材料种类很多，又可分为有机材料和无机材料两大类，总体而言，有机材料的稳定性和使用寿命不如无机材料，国内在实践中多用于太阳能工程或热泵工程辅助电加热项目中，设计温度为摄氏110度以下的低温；无机材料的主要问题是熔化后温度很高、有一定的挥发性，对很多金属材料的腐蚀性较强，熔化前后体积有一定的变化。

显热储能材料：将物质发生温度变化时所吸收或释放的热能储存起来，如较高温度的水降低温度，需要向外界释放热能，从而达到升高外界温度的效果。实践中显热储能材料多采用无机材料。

总体上看，显热储能材料的储能密度与潜热储能的相变材料相比储能密度较低，因而所生产的产品重量大、体积也庞大，而采用潜热储能材料的产品则相对体积小、重量轻。

做为储能产品需要根据储能材料的特点同时解决加热、储能和放热的问题。目前市场所能见到的除采用水为储能材料之外的储能产品中有三种典型的方法：一是采用通过专门加工的金属合金做为储能材料，例如铁基合金材料，该方法在技术上对储能、放热问题解决较好，主要生产方法是将一定颗粒度的铁粉和一定颗粒度的无机相变储能材料等按一定的配比混均后，经模具和压力机加压成型，再将压制成型的坯料经过高温烧结而成。其特点是铁粉经高温熔化再冷却后，形成一个铁质的类似海绵状的骨架，骨架表面和内部形成一个个尺寸较小的蜂窝孔洞，孔洞内含有储能相变材料，相变材料储能熔化后因表面张力的作用而被固定在孔洞内，铁质的骨架同时起到导热的作用，加热时将热量传导给储能材料，放热时再将热量传导出来。该方法较好的解决了储能材料的加热和放热问题，但该产品的重量较大，铁质骨架存在锈蚀问题，其加工过程对环境的污染很大，不符合环保的要求，同时采用红外加热的方法，加热器的寿命只有3000小时，寿命较短，加热的效率和速率相对不高。另一种典型方法是将有机相变储能材料封闭在一个小型容器内，制成储能胶囊、储能球、储能柱或者是储能板，再将装有储能材料的小型容器置于一个较大的容器内制成储能箱，这种方法多采用低温相变材料，由水(也有采用导热油)做为导热介质，储能时由独立的热源将导热介质加热，再由导热介质将热量传导给储能材料，放热时导热介质再将储能材料中的热量传导出来。该方法成本较高，因有机相变材料的稳定性相对较差、储能能力衰减较快。目前市场上还有一种采用显热储能的方法，该方法是使用无机固体储能材料，将无机固体储能材料制成一定规格和尺寸的块体，在制作过程中将电热丝或电热管直接埋入到固体材料中。该方法成本最低，实践中也有一定的应用，但使用寿命短，可靠性、工艺和质量最差。

同时，目前在电热储能市场上已经推广的产品中还普遍存在采用低电压加热的问题，限制了电热储能项目的推广和应用。一方面是现有的相变储能材料在设计过程中均未考虑耐电压的问题，例如专门开发的金属合金储能材料，有机相变材料的耐电压较低，无机相变材料在熔融状态下耐电压水平很低或者导电，使其储能装置无法采用高电压加热方式。许多非相变储能材料，如无机固体类储能材料耐电压水平较高但其储能密度很低，制成产品后重量太重，体积庞大。另一方面是我国商住楼、居民小区和成规模的工业企业等一般均采用10KV高压供电，但线路到达用户后，多会经过低压配电变压器等设备转换成380v或220v低电压供其他电器使用，因此目前的储能电热装置基本上均使用电压为380V或220V的电源加热。但是，电热储能需要在6-8小时的低谷时段内，将全天需要的热能存储起来，就需要较大的电功率，多数用户的低压配电设备(如变压器)容量有限，如果安装目前的电热储能装置，用户常常需要更换现有的部分或全套供电设备，包括变压器、开关柜、控制柜和线路等，常常造成较大的额外支出。因此，低电压加热方式对电热储能项目的推广使用造成了制约，形成了一种瓶颈，限制了电热储能项目的发展。

为解决上述问题，本发明人曾提出了一种“可用于高压电源的纳米电加热储能装置”，实践中发现仍然有继续改进的必要。

微晶陶瓷是近些年发展起来的新型陶瓷材料，由于微晶陶瓷材料具有优良的力学、电学、磁学、光学等性能，如机械强度高、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、绝缘性质优良、膨胀系数可调、热稳定性好等，特别是它同时具备的抗热振性和耐腐蚀性是其他材料所不具备的，且简单的制备工艺技术、廉价的原材料和低的制造成本，以及能工业化大规模生产的优势，不失为一种高性能低价位、应用市场广阔的新型陶瓷材料，已成为新型陶瓷材料开发应用的热点之一，开辟了一个没有替代材料可以满足其技术要求的全新领域，从而在许多领域获得了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时具有电热转换和热能存储功能的微晶陶瓷电热储能复合管。微晶陶瓷电热储能复合管由储能材料、网状导热笼、导热片与具有电加热功能、且散热性能良好、可装填相变储能材料的微晶陶瓷电热复合管组成。微晶陶瓷电热储能复合管的管壁由内到外依次由内绝缘层、电加热层和外绝缘层、外壳复合而成，微晶陶瓷电热储能复合管的两端由端盖板将储能材料、导热笼、导热片封闭在管内，导热笼制成三维结构埋于储能材料中；导热片将装有储能材料和导热笼的复合管内部分隔成多个储能腔，电热储能复合管与电源之间采用星形接线或三角形接线。

根据所选用的储能材料的不同，可以设置内衬层也可以不设内衬层，内衬层即可以采用金属材料(如不锈钢材料)，也可以采用耐温防腐材料(如陶瓷烧结材料)

当采用高温相变储能材料时，可在相邻两个导热片之间加装有导热性好、耐腐蚀性好、可形成较大孔隙率的丝状填料(如不锈钢丝状材料)。

复合管上带有安装固定卡扣，卡扣由金属导电材料制成，与由微晶陶瓷材料制成的、内埋有导电体的安装支架相连，安装支架通过导电螺栓将电热储能复合管与电源导线连接起来，并通过安装支架实现电热储能复合管之间的串联、并联和串并联的连接，电热储能复合管与电源之间的星形接线或角形接线。

采用微晶陶瓷材料做为复合管的内绝缘层和外绝缘层，同时起到导热的作用。电加热材料层可按不同需要采用电热板、电热带、电热丝等也可以采用电热浆料、电热涂料等不同的电热材料。

微晶陶瓷电热储能复合管内装填有储能材料，储能材料可以有较宽的选择范围，可以是无机材料(如氯化钾、氯化钠、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂、硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠等以及由其构成的组合盐)，也可以是有机材料(如石蜡、棕榈酸、硬脂酸等)，还可以是金属及其合金(如镁、铝、铝-硅合金、铝-硅-镁合金等等)，还可以是各种相变储能复合材料(如铁基合金储能材料、铝基合金储能材料、陶瓷基储能复合材料、多孔石墨储能复合材料等等。

利用该微晶陶瓷电热储能复合管可以生产电热储能装置，包括储能室、换热室和控制室和外壳，其特征在于：储能复合管安装在储能室内，储能室和换热室用隔热层分开，隔热层上装有换热风门，换热室内装有换热器，储能室内装有安装有风机叶片(19)或与风机连通，控制室设在装置内或设在装置外。储能复合管用隔板隔开分组，由隔板构成风道和循环风道。循环风道装有循环风门。外壳内有内衬层。

采用微晶陶瓷电热储能复合管制成的微晶陶瓷电热储能装置，该装置包括

储能室、换热室和控制室，控制室可以设在装置内也可以不设在装置内。储能室主要由微晶陶瓷电热储能复合管(也可以是其他同时带有电加热和储能功能的电热储能组合单元)、隔板及由隔板构成的风道、风机、循环风门和循环风道构成，换热室主要由换热器和换热风门构成。其他部分主要有结构架、内衬层、隔热层、外壳、传感器和自动控制系统等。

本发明的优点是：一是相变材料选择范围大，可以采用已有的大多数的有机或无机相变材料，相变温度可以从几十摄氏度到一千多摄氏度；二是使用加热电源的电压等级可以从0.22千伏到10千伏；三是电热储能复合管集加热、储能、放热功能于一体；四是使用、维护和安装都很方便。适合各种储能装置使用，可以应用在工业、农业、民用等不同的领域中

附图说明

图1是微晶陶瓷电热储能复合管结构原理示意图。

图2是电热储能装置结构示意图。

图中1是内衬层，2是内绝缘层，3是电加热层，4是外绝缘层，5是外壳，6是端盖板，7是导热笼，8是储能材料，9是丝状填料，10是导热片，11是管壳，12是固定卡扣，13是储能室，14是换热室，15是控制室，16是微晶陶瓷电热储能复合管，17是隔板，18是风道，19是风机叶片，20是循环风门，21是循环风道，22是换热器，23是换热风门，24是隔热层，25内衬层，27是外壳

具体实施方式

微晶陶瓷电热储能复合管的管壁由内到外依次由内绝缘层2、电加热层3和外绝缘层4、外壳5复合而成，复合管壳11的两端由端盖板6将储能材料8、导热笼7、导热片10封闭在管内，导热笼7制成三维结构埋于储能材料8中；导热片10将装有储能材料8和导热笼7的复合管内部分隔成多个储能腔，电热储能复合管与电源之间采用星形接线或三角形接线。

微晶陶瓷电热储能复合管的工作原理是：当电热材料层的电极端接通电源时，电热材料开始发热将电能转换成热能，热能通过微晶陶瓷材料层向复合管内和复合管外传导，并给管内的储能材料加热，传导到复合管外部分热能，给储能室内的传导介质加热，并经传导介质将热能再传递给储能复合管。复合管内的导热笼可提高管内储能材料受热均匀性，加快热能向储能材料传导的速度。储能材料受热后温度开始升高，达到熔点后开始相变过程，随着储能材料不断被加热、材料的温度的不断升高和相变过程的发展，热能被储能材料吸收并被存储在已经升温并发生相变的储能材料中。当需要复合管释放热能时，电热材料层的电极端与电源断开，储能材料中所存储的热能通过导热笼和各复合层传递给储能室的热能传导介质并不断给传导介质加热，传导介质不断的将复合管所存储的热能带出。

以利用装置内的空气做为热能传导的介质为例。

整个装置的储能过程是：控制室15接通电源后，控制主机开始工作并进行个参数的自动检测，换热风门23关闭，循环风门20打开，微晶陶瓷电热储能复合管16开始加热，传感器同时检测循环风道上端和下端的温度，当温度差大于设定值时，风机开始工作。当控制主机通过传感器和控制软件判定储能量已经达到设定值时，微晶陶瓷电热储能复合管16停止工作，随后风机停止工作。

放热过程：循环风门20关闭，换热风门23打开，风机开始工作，在风机的带动下，热能由传导介质空气传递给换热器22，换热器22将热能输出。控制主机根据传感器检测的参数和控制软件，通过调节风机转数和换热风门23大小来控制装置的输出功率。放热时电热储能复合管16可以按设定的条件(如低谷时段内)，继续加热。当个根据传感器检测的参数和设定条件控制主机判断需要停止热量输出时，风机减速工作，换热风门23关闭，循环风门20打开，控制主机按判断判断条件胖判断电热储能复合管16和风机此时是否需要停止工作。

Claims (6)

1.微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：管壁由内到外依次由内绝缘层(2)、电加热层(3)和外绝缘层(4)、外壳(5)复合而成，内绝缘层(2)和外绝缘保护层(4)用微晶陶瓷材料制成，管壳(11)的两端由端盖板(6)将储能材料(8)、导热笼(7)、导热片(10)封闭在管内，导热笼(7)制成三维结构埋于储能材料(8)中；导热片(10)将装有储能材料(8)和导热笼(7)的复合管内部分隔成多个储能腔，电热储能复合管与电源之间采用星形接线或三角形接线。

2.根据权利要求1所述的微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：微晶陶瓷电热储能复合管设置内衬层(1)。

3.根据权利要求1所述的微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：在相邻两个导热片之间装有可形成较大孔隙率的丝状填料(9)。

4.根据权利要求1所述的微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：管上安装有金属导电材料制成的固定卡扣(12)，与由微晶陶瓷材料制成的、内埋有导电体的安装支架相连，安装支架通过导电螺栓将电热储能复合管与电源导线连接起来，并通过安装支架实现电热储能复合管之间的串联或并联或串并联的连接。

5.根据权利要求1所述的微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：电加热层(3)采用电热板或电热带或电热丝或采用电热浆料或电热涂料或组合使用上述材料。

6.根据权利要求1所述的微晶陶瓷电热储能复合管，其特征在于：储能材料是无机材料或是金属及其合金或是各种相变储能复合材料。

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