CN103743275A - 一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型环保高效蓄能技术应用领域，特别涉及一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用。本发明在夏季对水合盐晶体加热至完全融化并具一定过热度，将过热液体注入到内壁光滑的圆弧倒角或椭圆弧倒角扁平长方体容器内密封；然后在室内环境中静置，相变材料便以过冷液态形式长期稳定存在于容器内，储存下大部分融解热，待到冬季有供热需求时对装置施加机械振动、电场、磁场、超声波或局部低温触发其结晶释能。与传统的跨季节蓄能系统相比，该蓄能装置在能量存储过程中散热损失更小，蓄能效率更高，而且制造简单，成本较低。所用相变材料蓄能密度大，应用于跨季节蓄能系统中大大降低了蓄能装置体积，节省初投资且操控方便。

Description

一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用

技术领域

本发明属于新型环保高效蓄能技术应用领域，特别涉及一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用。

背景技术

随着各国经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，能源需求出现了前所未有的高增长态势。然而，大量常规化石能源的利用会导致温室气体的排放并污染环境。为了减少对常规能源的依赖，实现能源可持续发展战略，太阳能等可再生能源的开发利用技术逐渐成为各国关注焦点。

太阳能具有储量“无限性”、存在普遍性、利用清洁性和开发经济性等明显优势。然而，太阳能受地理位置、季节、昼夜及雨雪天气因素的影响，具有能流密度低，间断性和不稳定性等缺点，必须结合高效储能技术加以利用。特别地，在太阳能丰富的夏季进行储热，在太阳能不足的冬季将储存的能量释放以供利用，即跨季节储能技术。实现此过程的关键在于储能材料及技术的选择。

传统跨季节显热储能，如水箱储热、土壤蓄能、岩石床堆积储热等，操作简单、使用安全、成本较低且寿命长，但储热密度较小造成储能体积大、输入输出热量时温差较大及热流不稳定等缺点，而且能量储存期间蓄能装置散热损失很大，能源利用率低。

相变储热材料，以其具有储热密度高、蓄放热过程近似等温、过程易控制等优点，成为具有发展潜力的储能材料。其中，有机相变材料如石蜡，物理化学性能稳定，重复利用性较好，且无毒无腐蚀性，安全系数高。但其导热系数较小，使用时，需要向材料中填充增强导热性的物质，常用的如泡沫铜；且与绝大部分水合盐类相变材料相比储热密度较小，融化凝固时，体积变化较大，蓄能设备容积增大，设计成本增加。

水合盐相变材料，具有使用范围广、融解热高、储热密度大、导热性能好、易得、价格便宜、一般呈中性等优点，在太阳能中低温热利用、建筑采暖、生活热水系统及航空航海设备等领域备受重视。但大部分水合盐相变材料存在较严重的过冷和相分离缺点，造成传热效率低下，热循环稳定性较差。过冷的限制促使研究者进行成核剂的研究，在材料中加入成核剂降低过冷度以加速结晶过程。

本发明储能技术充分利用水合盐相变材料存在的过冷性能，采用特殊设计的蓄能装置，使其在环境条件下实现长期稳定过冷（过冷液态相变材料与周围环境处于热平衡状态），变不利为有利，避免了成核剂的选择问题，应用于跨季节蓄能系统，缓解了传统跨季节蓄能系统中存在的蓄能装置体积巨大，热量散失严重，热流不稳定等问题，提高了蓄能效率。蓄能装置采用内壁光滑的圆弧倒角或椭圆弧倒角扁平长方体容器，加工简单，制造方便，在蓄能系统应用中具有广阔前景。

发明内容

本发明为一项新型环保高效储能技术，特征在于充分利用水合盐相变储能材料存在的过冷性能，使完全融化并具有一定过热度的液态相变材料在室内环境条件下冷却，最终处于过冷液态的相变材料与周围环境达到热平衡，长期稳定存在于容器内，储存下大部分融解热。当有供热需求时，对蓄能装置施加机械振动、超声波、电场、磁场或外表面局部低温等方式触发结晶，将能量释放加以利用。将该技术应用到跨季节蓄能系统中，在太阳能丰富的夏季将能量储存起来，冬季有供热需求时，通过触发结晶释能以供利用。该技术大大降低了跨季节蓄能装置热量散失，提高了蓄能效率。同时由于水合盐相变材料具有较高的储能密度，应用时大大减小了跨季节蓄能装置容积，降低成本且方便操控。

本发明所使用的水合盐相变材料采用具有一定过冷度ΔT（融点为T_m，室内环境温度T₀℃，存在T_m>T₀，且建议满足ΔT-(T_m-T₀)≥5℃时，水合盐相变材料保持过冷液态稳定不变），在凝固-融化循环中性能较稳定，储能密度大，导热性能好，腐蚀性较弱（或无腐蚀），价格低廉的水合盐，如Na₂S₂O₃·5H₂O、NaCH₃COO·3H₂O等可满足要求。

本发明蓄能装置材质可采用但不局限于不锈钢材料，其材料强度和耐温性能以及相应的水合盐溶液对该材料的腐蚀速率满足允许的工作条件要求（如腐蚀速率要求为≤0.1mm/a）即可；蓄能装置的结构形式为圆弧倒角或椭圆弧倒角(经实验验证，棱角等结构凸起会造成液态水合盐相变材料非均匀核化，实验结果如表一所示)扁平（以减弱水合盐相变材料相分离）长方体，结构要求内表面光滑；蓄能装置上表面末端左右两侧分别开孔（孔径在10mm左右），其中加液孔用于注入过热的水合盐溶液，排气孔用于排除容器内空气。蓄能装置形式简单，易于加工，应用方便。

针对现有技术不足，本发明提供了一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用。

一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法，充分利用水合盐相变材料固有的过冷性能，将完全融化的液态水合盐相变材料在室内无扰动环境条件下冷却，当冷却到环境温度时，水合盐相变材料处于过冷液态，且能长期稳定存在，储存融解热；当有热需求时，通过触发结晶将能量释放以供利用。

所述水合盐相变材料为具有过冷度ΔT，即当所述水合盐相变材料的相变温度为T_m，室内环境温度T₀，存在T_m>T₀，且满足ΔT-(T_m-T₀)≥5℃时，水合盐相变材料保持过冷液态稳定不变的相变材料。

所述水合盐相变材料可选用但不限于Na₂S₂O₃·5H₂O或NaCH₃COO·3H₂O。

一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置，所述蓄能装置为扁平形状密封导热容器，其上表面分别设置加液口和排气口以及二者对应的密封盖，所述蓄能装置的各棱及各顶点均为光滑弧形倒角，所述蓄能装置内表面及密封盖内侧面均为光滑面。

所述蓄能装置的材质可选用但不限于不锈钢材料。

所述弧形倒角为圆弧形倒角或椭圆弧形倒角。

所述蓄能装置的扁平形状为其高度不大于50mm，其宽度及长度根据实际负荷设计要求而定。

一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置的应用方法，在夏季太阳能丰富期间通过水合盐相变材料储存能量，过渡期水合盐相变材料以过冷液态形式稳定存在，待到冬季有供热需求时对蓄能装置触发结晶释能；

其具体方法如下：

所述水合盐相变材料溶液对蓄能装置的腐蚀速率满足设计要求；所述蓄能装置满足强度和耐温要求，其加液孔用于注入过热的水合盐溶液，其排气口用于排除容器内空气；为了避免进入大量空气，注入完毕立刻将两孔加盖密封；

所述蓄能装置与换热流体装置采用板式间壁换热器构型相连，所述蓄能装置及换热流体装置周围设置保温层；

所述蓄能装置在蓄能系统中的数量及布置情况依据实际的设计需求而定；

所述蓄能装置所用的相变触发装置，其触发位置依设计需求而定；当有热量需求时，通过相变触发装置触发水合盐相变材料相变凝固，使处于过冷状态的液态水合盐相变材料瞬间开始结晶，释放所储存的融解热。

将多个蓄能装置平铺，或将多个蓄能装置沿竖直方向叠放；所述多个蓄能装置的数量及竖直叠放的间距位置按实际热交换器场地、运行条件而定。

所述相变触发装置通过对蓄能装置施加机械振动、超声波、电场、磁场或局部低温的方法，触发水合盐相变材料相变凝固。

本发明的有益效果为：

本发明蓄能装置及方法直接扩展了具有过冷的水合盐相变材料蓄能的应用范围。将其应用于跨季节蓄能系统中，与传统跨季节蓄能系统相比，大大降低过渡期热量散失，提高蓄能效率。同时由于水合盐相变材料潜热大，具有较高的储能密度，减少了长期（跨季节）蓄能装置容积，节省初投资且方便操控。

附图说明

图1为本发明实施例1装置外形和结构示意图，其中图1(a)为正视图；图1(b)为侧视图；图1(c)为俯视图，图1(d)为透视图；

图2为本发明实施例1装置圆弧倒角或椭圆弧倒角结构示意图，其中图2(a)为圆弧倒角或椭圆弧倒角棱结构示意图；图2(b)为圆弧倒角椭圆弧倒角棱相交构成的顶点结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及方法与应用，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明提供了一种散热损失小，蓄能效率高，装置加工简单，成本较低的新型环保高效蓄能装置和方法。夏季利用太阳能热水将水合盐相变材料晶体加热融化，待融化完全并具有一定过热度后，将其注入到内壁光滑的扁平长方体容器内，在室内无扰动（机械振动、电场、磁场、局部低温或超声波等）环境条件下进行冷却，最终相变材料以过冷液体状态长期稳定存在于蓄能装置内，储存下全部的融解热。将该技术应用到跨季节蓄能系统中，在太阳能丰富的夏季利用水合盐材料融化将能量储存起来，过渡期以稳定过冷液态形式静置，待到冬季有供热需求时对装置施加机械振动、超声波、电场、磁场或局部低温触发其结晶释能以供利用。

所述水合盐相变材料采用蓄能密度较大、导热系数较高、无毒、腐蚀性较小（或无腐蚀）、相变温度为T_m（环境温度T₀，T_m>T₀）、过冷度为ΔT的相变材料，且建议满足ΔT-(T_m-T₀)≥5℃时，水合盐相变材料保持过冷液态稳定不变，如Na₂S₂O₃·5H₂O、NaCH₃COO·3H₂O等可满足要求。

所述蓄能装置，简图如附图1所示，采用不锈钢材料（水合盐液体对容器的腐蚀速率为≤0.1mm/a），壁厚参考值为2mm，也可根据实际蓄能装置表面积适当放大，保证满足工作强度要求及换热效果；结构为圆弧倒角或椭圆弧倒角(经实验验证，棱角等结构凸起对水合盐相变材料Na₂S₂O₃·5H₂O和NaCH₃COO·3H₂O均会造成非均匀核化，实验结果如表一所示)扁平（以减弱水合盐相变材料相分离）长方体；为了保证适宜的传热性能，蓄能装置高度H值不能太大，参考值50mm；宽度B及长度L的值可依据实际负荷设计要求而定；蓄能装置上表面末端两侧分别开孔（孔径不宜太大，建议值10mm，位置见图1（c）），其中加液孔用于注入过热的水合盐溶液，排气孔用于排除容器内空气(经实验验证，大量空气将触发过冷液态相变材料结晶，同时为了降低容器腐蚀，注入水合盐液体过程中，尽量减少进入的空气量)，注入完毕立刻将孔加盖密封。蓄能装置中面与面之间的夹角均为光滑圆弧倒角或椭圆弧倒角，如图2（a）所示，建议曲率半径ρ₁＝15mm，也可据实际设计情况适当确定；顶角为光滑圆弧倒角或椭圆弧倒角相连接，如图2（b）所示；蓄能装置内壁为光滑表面。实际应用中，蓄能装置上下分别设有换热流体装置，蓄能装置与换热流体装置周围需要加设保温层，建议采用100mm厚的矿物棉。

所述蓄能装置在蓄能系统中的布置情况可依据实际的设计需求而定，可将多个蓄能装置平铺，或将多个蓄能装置沿竖直方向叠放；所述多个蓄能装置的数量及竖直叠放的间距位置按实际热交换器场地、运行条件而定。

所述相变触发装置，可根据实际设计要求对蓄能装置施加机械振动、超声波、电场、磁场或局部低温等方法，触发具体位置依设计需求而定。当有热量需求时，通过施加机械振动、超声波、电场、磁场或局部低温接触制冷，使处于过冷液态的相变材料瞬间开启结晶，释放储存的融解热。

表一两种水合盐稳定过冷实验装置结构及实验结果表

Claims (10)

1.一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法，其特征在于：充分利用水合盐相变材料固有的过冷性能，将完全融化的液态水合盐相变材料在室内无扰动环境条件下冷却，当冷却到环境温度时，水合盐相变材料处于过冷液态，且能稳定存在，储存融解热；当有热需求时，通过触发结晶将能量释放以供利用。

2.根据权利要求1所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法，其特征在于：所述水合盐相变材料为具有过冷度ΔT，即当所述水合盐相变材料的相变温度为T_m，室内环境温度T₀，存在T_m>T₀，且满足ΔT-(T_m-T₀)≥5℃时，水合盐相变材料保持过冷液态稳定不变的相变材料。

3.根据权利要求2所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法，其特征在于：所述水合盐相变材料为Na₂S₂O₃·5H₂O或NaCH₃COO·3H₂O。

4.如权利要求1～3任意一项权利要求所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置，其特征在于：所述蓄能装置为扁平形状密封导热容器，其上表面分别设置加液口和排气口以及二者对应的密封盖，所述蓄能装置的各棱及各顶点均为光滑弧形倒角，所述蓄能装置内表面及密封盖内侧面均为光滑面。

5.根据权利要求4所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置，其特征在于：所述蓄能装置的材质选用需满足换热效果、工作强度和耐腐蚀性设计要求。

6.根据权利要求4所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置，其特征在于：所述弧形倒角为圆弧形倒角或椭圆弧形倒角。

7.根据权利要求4所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置，其特征在于：所述蓄能装置的扁平形状为其高度不大于50mm，其宽度及长度根据实际负荷设计要求而定。

8.如权利要求4～7任意一项权利要求所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置的应用方法，其特征在于：在夏季太阳能丰富期间通过水合盐相变材料储存能量，过渡期水合盐相变材料以过冷液态形式稳定存在，待到冬季有供热需求时对蓄能装置进行触发结晶释能；

其具体方法如下：

所述水合盐相变材料溶液对蓄能装置的腐蚀速率满足设计要求；所述蓄能装置满足强度和耐温要求，其加液孔用于注入过热的水合盐溶液，其排气口用于排除容器内空气；为了避免进入大量空气，注入完毕立刻将两孔加盖密封；

所述蓄能装置与换热流体装置相连，所述蓄能装置和换热流体装置周围均设置保温层；

所述蓄能装置在蓄能系统中的数量及布置情况依据实际的设计需求而定；

所述蓄能装置所用的相变触发装置，依触发方法而不同，其触发位置根据设计需求而定；当有热量需求时，通过相变触发装置触发水合盐相变材料相变凝固，使处于过冷状态的液态水合盐相变材料瞬间开始结晶，释放所储存的融解热。

9.根据权利要求8所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置的应用方法，其特征在于：将多个蓄能装置平铺，或将多个蓄能装置沿竖直方向叠放；所述多个蓄能装置的数量及竖直叠放的间距位置按实际热交换器场地、运行条件而定。

10.根据权利要求8所述的一种利用水合盐相变材料稳定过冷蓄能方法所使用的蓄能装置的应用方法，其特征在于：所述相变触发装置通过对蓄能装置施加机械振动、超声波、电场、磁场或局部低温的方法，触发水合盐相变材料相变凝固。

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