CN105509524A - 一种具有高相变容积比的快速相变储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有高相变体容积比的快速相变储能装置，包括外箱体和三棱柱体组；外箱体的两端开口，且内部中空；三棱柱体组设置于外箱体的内部空腔内；三棱柱体组与外箱体之间的间隙内填充有传导交换媒介；三棱柱体组包括通过紧固件连接的呈蜂窝状排列的多个正三棱柱；任意相邻的两个正三棱柱之间设有间隙；每一个正三棱柱由Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体交替串接而成；Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的内部均中空，其内部空腔充装有可相变材料。在同等储能装置的容积内，所述快速相变储能装置的相变四面体可充装更多的可相变材料，与球形体相比，相当于球形体的1.31倍。

Description

一种具有高相变容积比的快速相变储能装置
技术领域
本发明涉及节能技术中冷能或者热能储存的技术领域。更具体地，涉及一种具有高相变容积比的快速相变储能装置。
背景技术
随着全球人类能耗水平持续增加，对在一定条件下存储冷能或者热能以提高能源利用水平的需求也不断增加。而现在有的储能装置采用球形体封装相变物质的结构，由于球形体是具有最小表面积的几何形体，以致相变物质存在换热面积小、球体的有效相变体容积占比偏低的情况，以致总体参与相变物质的容积占比不偏少，储能容积密度偏低，而表面积小也导致实现完全相变储能的换热面不足，储能时间长，而致使储能装置效率低、储能装置性价比偏高的缺陷，抵消了实际的储能效率。为了提高储能效率，美国杜邦公司采用在球形相变体中加入诱发晶核的方法，以诱发相变物质加快相变。国内某大学提出在球形体内增加导热棒以促进热量从球体表面到内部的传导。但以上改进均未能改变封装相变材料的几何外形，从而未能根本解决增加换热表面积和提高相变体容积占比的问题。
因此，需要提供一种具有高相变容积比的快速相变储能装置。
发明内容
本发明的目的在于是提供一种具有高相变容积比的快速相变储能装置。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有高相变体容积比的快速相变储能装置，包括外箱体和三棱柱体组；
外箱体的两端开口，且内部中空；三棱柱体组设置于外箱体的内部空腔内；三棱柱体组与外箱体之间的间隙内填充有传导交换媒介；
三棱柱体组包括通过紧固件连接的呈蜂窝状排列的多个正三棱柱；
任意相邻的两个正三棱柱之间设有间隙；
每一个正三棱柱由Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体交替串接而成；
Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的内部均中空，其内部空腔充装有可相变材料。
优选地，在每一个所述正三棱柱内，任意相邻的所述Ⅰ型相变四面体与所述Ⅱ型相变四面体之间设有间隙。
优选地，所述Ⅰ型相变四面体由一个等腰三角形面、两个直角三角形面和一个等边三角形面围成。
优选地，所述Ⅱ型相变四面体由两个直角三角形面和两个等腰三角形面围成。
优选地，所述等腰三角形面的腰长等于所述直角三角形面的斜边长；所述直角三角形面的第二直角边的边长等于其斜边长的一半；所述直角三角形面的第一直角边的边长和所述等边三角形面的边长均等于所述等腰三角形面的底边长。
优选地，所述Ⅰ型相变四面体和/或所述Ⅱ型相变四面体的任意两个相邻的三角形面通过冲压或焊接的方式固定连接。
优选地，所述传导交换媒介为流体。
优选地，当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的材质为耐低温的不锈钢、高分子材料或聚氟类材料；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的材质为耐高温耐腐蚀的不锈钢、钛或钛合金。
优选地，当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料为水、盐水、或者浓度与其相变温度相匹配的乙二醇；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料为与其相变温度相匹配的熔盐材料。
优选地，所述外箱体的形状为圆柱形，其两端分别设置有入口和出口。
本发明的有益效果如下：
(1)与现有技术相比，在同等储能装置的容积内，所述快速相变储能装置的相变四面体可充装更多的可相变材料，与球形体相比，相当于球形体的1.31倍，即在外箱体容积相同、相变四面体的材质相同及其工作温度相同的条件下，可多储存37.4％的冷能或热能；
(2)与现有技术相比，在等量相变物质材料情况下，所述快速相变储能装置的相变四面体的表面积是同体积球形体表面积的1.96倍，即在同等相变物质材料的体积下，可供冷(或热)量交换的面积增加96％；在材料相同、体积容量相同和工作温度相同的条件下，实现相变储能的速率快一倍；
(3)与现有技术相比，所述快速相变储能装置的Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的形状简单、规整，便于加工。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的具有高相变容积比的快速相变储能装置的立体示意图。
图2为本发明实施例提供的具有高相变容积比的快速相变储能装置的三棱柱体组的正三棱柱的立体示意图。
图3为Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的等腰三角形面的示意图。
图4为Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的直角三角形面的示意图。
图5为Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的等边三角形面的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的具有高相变体容积比的快速相变储能装置包括外箱体1和三棱柱体组2。
外箱体1的两端开口，且内部中空。外箱体1的形状优选但不限于为圆柱形。三棱柱体组2设置于外箱体1的内部空腔内。三棱柱体组2包括通过紧固件(图中未示出)连接的呈蜂窝状排列的多个正三棱柱。三棱柱体组2与外箱体1之间的间隙内填充有传导交换媒介3，且传导交换媒介3为流体。
三棱柱体组2的任意相邻的两个正三棱柱之间设有间隙，用于供传导交换媒介3从中流通，从而实现冷能或热能的传导。
如图2所示，三棱柱体组2的每一个正三棱柱由Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体交替串接而成。Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的内部均中空，其内部空腔充装有可相变材料。在每一个正三棱柱内，任意相邻的Ⅰ型相变四面体与Ⅱ型相变四面体之间设有间隙，用于供传导交换媒介3从中流通，从而实现冷能或热能的传导。
如图2-5所示，Ⅰ型相变四面体由一个等腰三角形面(如图3所示)、两个直角三角形面(如图4所示)和一个等边三角形面(如图5所示)围成。
如图2-5所示，Ⅱ型相变四面体由两个直角三角形面(如图4所示)和两个等腰三角形面(如图3所示)围成。
在本实施例的一种优选实施方式中，Ⅰ型相变四面体和/或Ⅱ型相变四面体的任意两个相邻的三角形面通过冲压或焊接的方式固定连接。
上述等腰三角形面的腰长等于直角三角形面的斜边长；直角三角形面的第二直角边的边长等于其斜边长的一半；直角三角形面的第一直角边的边长和等边三角形面的边长均等于等腰三角形面的底边长。
如图3所示，等腰三角形面的腰长为c，其底边长为a，且其腰长与底边长之间的计算公式为：
c = 2 3 3 a 公式(1)。
如图4所示，直角三角形面的斜边长为c，其第一直角边的边长为a，其第二直角边的边长为b，且其第一直角边的边长a与第二直角边的边长b之间的计算公式为：
a = 3 b 公式(2)；
其第二直角边的边长b与斜边长c之间的计算公式为：
c＝2b公式(3)。
如图5所示，等边三角形面的边长均为a。等边三角形面的边长a优选为75-100厘米。
制备Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的材质取决于所述快速相变储能装置的用途，即取决于所述快速相变储能装置用于储存冷能或储存热能的用途。当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的材质优选但不限于为耐低温的不锈钢、高分子材料或聚氟类材料；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的材质优选但不限于为耐高温耐腐蚀的不锈钢、钛或钛合金。
类似地，Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料取决于所述快速相变储能装置的用途。当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料优选但不限于为水、盐水、或者浓度与Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的相变温度相匹配的乙二醇；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料优选但不限于为与Ⅰ型相变四面体或Ⅱ型相变四面体的相变温度相匹配的熔盐材料。
本实施例中，如图1所示，外箱体1的形状为圆柱形，且外箱体1的两端分别设置有入口和出口。例如，出口设置于外箱体1的顶端，入口设置于外箱体1的底端。使用时，传导交换媒介3从入口流入外箱体1内，然后在外箱体1内与Ⅰ型相变四面体和/或Ⅱ型相变四面体进行热交换，再从外箱体1的出口流出。
应用中，本领域技术人员很容易理解，三棱柱体组2可以设置为多级或多层。如果三棱柱体组2为多级或多层，各级或各层的形状和结构均相同。
根据热力学原理，不同物质间热能的传导，在单位时间内传导的热能量与传导的表面积成正比。因此，在等量体积的条件下，表面积越大，传导的热能量越快、越多，即热能量的传导效率越大。与现有技术相比，由于本实施例的Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的表面积均大于与其体积相同的球体，从而能够提高传导交换媒介3与Ⅰ型相变四面体和/或Ⅱ型相变四面体进行热交换时的传导效率。此外，Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的形状简单、规整，便于加工。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，包括外箱体和三棱柱体组；
外箱体的两端开口，且内部中空；三棱柱体组设置于外箱体的内部空腔内；三棱柱体组与外箱体之间的间隙内填充有传导交换媒介；
三棱柱体组包括通过紧固件连接的呈蜂窝状排列的多个正三棱柱；
任意相邻的两个正三棱柱之间设有间隙；
每一个正三棱柱由Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体交替串接而成；
Ⅰ型相变四面体和Ⅱ型相变四面体的内部均中空，其内部空腔充装有可相变材料。
2.根据权利要求1所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，在每一个所述正三棱柱内，任意相邻的所述Ⅰ型相变四面体与所述Ⅱ型相变四面体之间设有间隙。
3.根据权利要求2所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述Ⅰ型相变四面体由一个等腰三角形面、两个直角三角形面和一个等边三角形面围成。
4.根据权利要求2所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述Ⅱ型相变四面体由两个直角三角形面和两个等腰三角形面围成。
5.根据权利要求3或4所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述等腰三角形面的腰长等于所述直角三角形面的斜边长；所述直角三角形面的第二直角边的边长等于其斜边长的一半；所述直角三角形面的第一直角边的边长和所述等边三角形面的边长均等于所述等腰三角形面的底边长。
6.根据权利要求3或4所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述Ⅰ型相变四面体和/或所述Ⅱ型相变四面体的任意两个相邻的三角形面通过冲压或焊接的方式固定连接。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述传导交换媒介为流体。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的材质为耐低温的不锈钢、高分子材料或聚氟类材料；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的材质为耐高温耐腐蚀的不锈钢、钛或钛合金。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，当所述快速相变储能装置用于储存冷能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料为水、盐水、或者浓度与其相变温度相匹配的乙二醇；当所述快速相变储能装置用于储存热能时，所述Ⅰ型相变四面体或所述Ⅱ型相变四面体的内部空腔充装的可相变材料为与其相变温度相匹配的熔盐材料。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的具有高相变体容积比的快速相变储能装置，其特征在于，所述外箱体的形状为圆柱形，其两端分别设置有入口和出口。
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