CN108662931B - 一种仿生相变储能板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生相变储能板，包括骨架以及填充在骨架内的相变材料，其特征在于：所述骨架由主骨架与换热骨架组成，所述换热骨架设置在所述主骨架内，所述换热骨架按如下规律生成并在所述主骨架内形成分隔开的空腔，所述换热骨架的生成规律为：在主骨架上任取一点，做主骨架的垂线，与相邻的另一条主骨架相交，将垂线N等分，取N‑1等分点为圆心作圆；相同的两条主骨架之间的两条相邻垂线的间距小于两条主骨架之间的间距；在圆内部作任意多边形，形成骨架结构。本发明相比储能板，极大地增加相变材料与骨架的平均换热面积，在很大程度上提高换热效率。该储能板能在一定体积下，利用其特殊结构，存储更多的能量，能够实现能量的高效存储和转换。

Description

一种仿生相变储能板
技术领域
本发明涉及一种传热装置，具体涉及的是一种仿生相变储能板。
背景技术
目前来说，储能的基本元器件主要有电池、电感、电容器等，对于一般的场合，这些储能元件有较高的效率以及较大的便捷性，使用非常方便，但一些特殊场合(比如较小尺度等)则限制了这些储能元件的使用，由于这些基本元件体积过大，不能适应小尺度的场合，因此就需要我们发明一种能够适用于这些场合的新型储能装置。
而对一般的平板结构来说，其换热表面为其平板面，相变材料在平板内部腔体内融化和凝固时，由于固液相变材料导热系数低，使得内部热流传递效能低，最为重要的是，骨架与相变材料间传热面积有限，阻碍储能板能量传递效能提升。
已有研究发现，在蝴蝶翅膀的表面有一种类蝶形鳞片状分形结构(见图1)，具有极大的表面积，因此我们考虑将其与储能结合起来，提出一种仿生相变储能的新方法，借助微小的结构，有效的增大平均换热面积，提高储能效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种能够在较小体积下实现大量能量的存储和高效率的转换，提高传热能力的相变储能板。
为解决传统储能板设计上存在的上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种仿生相变储能板，包括骨架以及填充在骨架内的相变材料，其特征在于：所述骨架由主骨架与换热骨架组成，所述换热骨架设置在所述主骨架内，所述换热骨架按如下规律生成并在所述主骨架内形成分隔开的空腔，所述换热骨架的生成规律为：
在主骨架上任取一点，做主骨架的垂线，与相邻的另一条主骨架相交，将垂线N等分，取N-1等分点为圆心作圆，其中N≥3；相同的两条主骨架之间的两条相邻垂线的间距小于两条主骨架之间的间距；
在圆内部作任意多边形，形成骨架结构；多边形的边数为n，n在4-6的范围内选取。
根据要生成的多边形边数，将圆n等分；当以相邻等分点为圆心的两圆不相交时，在每个圆上等分的每一段圆弧上随机取点形成多边形；当以相邻等分点为圆心的两圆相交时，以其中一个圆等分的每一段圆弧上随机取点形成一个多边形，另一个圆内的多边形的的顶点包括位于圆上等分的每一段圆弧上的点和位于圆弧内的点，其中位于圆弧内的点与另一个圆内的多边形的顶点重合。
在形成所述骨架结构的多边形内还逐级衍生出小多边形，其中小多边形的的衍生法则为：对于每个不规则多边形，连接其最长的两条对角线；通过两条对角线将多边形分为四个部分，在每个部分所包含的原多边形的边上随机取点，与最长的两条对角线的交点相连，构成多个小的多边形。
衍生出小多边形的级数为3-4级。
所述圆的直径为随机选取，在1.5mm-2.5mm之间。
所述主骨架为条状结构。
两条相邻主骨架的间距为3.5-4.5mm，相同的两条主骨架之间的两条相邻垂线的间距为3mm。。
换热骨架上不规则多边形孔洞紧密排列，可以使相变材料分散在各个孔洞之中，由于每一个孔洞包围的面积极小，因此孔洞中填充的相变材料很少，而相对来说，孔洞四周壁面均为换热面，因此可以使相变材料与所述的换热骨架的换热面充分接触，从而能够更容易更快速的实现所述的换热骨架与相变材料之间的热量传递，实现热流的高效分配。
仿生相变储能板的结构特殊，因此其平均换热面积极大，可在较小体积下实现较多能量的存储和转换，且能量利用效率高。
本发明仿生相变储能板上的主骨架内生成具有一定规律排布的换热骨架，从而在主骨架内布满不规则多边形的空腔，每个大空腔内部会衍生出多个小空腔；相变材料为固液两相工质，填充在仿生相变储能板上非骨架的空腔区域。
所述的换热骨架上不规则多边形空腔紧密排列，使所述的相变材料分散在各个孔洞之中，由于每一个多边形包围的空腔面积极小，因此空腔中的相变材料很少，而相对来说，空腔四周壁面均为换热面，因此使相变材料与换热骨架的换热面充分接触，从而能够更容易更快速的实现换热骨架与相变材料之间的热量传递，提高换热效率，实现热流的高效分配。
相变材料为固液相变材料，仿生相变储能板为封闭式，可以由外部填充进相变材料。如果相变材料为固态，则表示该储能板存储能量低，当外界通过换热骨架有热量输入时，相变材料与换热骨架之间发生热量的交换，相变材料可以吸收能量，自身则转变为液态，当相变材料全部转化为液态时，表示该储能板存储的能量已满，不能继续储能。储能板释放能量时，相变材料由液态转变为固态，与换热骨架的换热面之间发生热量传递，失去能量，从而实现储能板释放能量的过程。
所述相变材料可根据实际的工作条件选用水合盐、熔盐等无机相变材料和石蜡、脂酸类、多元醇等有机相变材料。
所述骨架可根据实际应用情况选用铜、铝、不锈钢以及合金等材料。
所述仿生相变储能板的平均换热面积极大，可在较小体积下实现较多能量的存储和转换，且能量利用效率高。
本发明公开了一种实现能量高效存储和转换的仿生相变储能板，其平板类蝶形鳞片状分形结构可在体积一定的条件下有效的增大平均换热面积，使相变材料与换热面之间的接触更加充分，从而可以更加快速，更加充分完成融化一凝固的相变过程，实现热流的高效分配。
附图说明
图1为蝴蝶翅膀；其中a为蝴蝶翅膀图；b为翅膀蝴蝶鳞片显微图。
图2为本发明的仿生相变储能板骨架立体结构示意图；
图3为骨架生成法则示意图；
图4为相邻圆相交时多边形的生成示意图；
图5为第一层多边形分布示意图；
图6为衍生多边形的生成法则示意图；
图中，1.主骨架；2.换热骨架。
具体实施方式
下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：
图1所示为能够实现能量高效存储和转换的仿生相变储能板骨架的立体结构示意图，是由主骨架1和换热骨架2组成的储能板，主骨架1起到主要支撑作用，换热骨架2依附于主骨架上沿垂直于主骨架的方向延伸，总体呈现出平板类蝶形鳞片状分形结构，上面布满不规则多边形的孔洞。图中虚线表示相变材料的填充。
换热骨架的生成法则为：在主骨架上任取一点，做主骨架的垂线，与相邻的另一条主骨架相交，如图2所示，将垂线四等分，取四等分点为圆心作圆，圆的直径为随机选取，在1.5mm-2.5mm之间。随后我们便可在圆内部作任意多边形，形成骨架结构。多边形的做法如下：首先选定我们需要操作的空间区域，确定符合条件的圆，然后可由计算机随机生成多边形的边数n，n在4-6的范围内选取，根据生成的多边形边数，将圆n等分，然后在每一段圆弧上随机取点，从而可以构成随机的多边形。如图2所示，在一条垂线上的三个等分圆上，分别形成随机四边形，随机五边形以及随机六边形。如果出现图3所示的情况，即已经构成的多边形的顶点同时在另一个圆内部，即A点为大圆上的点，但同时，A点在小圆的内部，那么小圆相应区域圆弧上的随机点用A点代替。
衍生小多边形的生成法则为：对于每个不规则多边形，连接其最长的两条对角线，如图中虚线所示，可以将多边形分为四个部分，在每个部分所包含的原多边形的边上随机取点，与最长的两条对角线的交点相连，构成多个小的多边形。对于按照生成法则生成的小多边形，其内部按照同样的生成法则继续衍生出多个更小的多边形。衍生多边形层数为3-4层。
换热骨架依附于主骨架横向延伸，呈现平板类蝶形鳞片状分形结构，布满不规则多边形孔洞，每个大孔洞内部会衍生出多个小孔洞；不规则多边形孔洞为不规则四边形、不规则五边形或不规则六边形，两条相邻主骨架的间距为l，其中3.5mm＜l＜4.5mm。不规则多边形孔洞可以增加平均换热面积，从而能够提高换热量，提高换热效率。
图2、图3所示为换热骨架生成法则示意图主骨架为条状直板，两条相邻主骨架之间的距离为4mm，而换热骨架的结构为随机生成，换热骨架的厚度取0.5-0.75mm，，视具体生成情况而定，其生成法则为：在主骨架上任取一点，做主骨架的垂线，与相邻的另一条主骨架相交，如图2所示，将垂线四等分，取四等分点为圆心作圆，圆的直径为随机选取，在1.5mm-2.5mm之间。随后我们便可在圆内部作任意多边形，形成骨架结构。多边形的做法如下：首先选定我们需要操作的空间区域，确定符合条件的圆，然后可由计算机随机生成多边形的边数n，n在4-6的范围内选取，根据生成的多边形边数，将圆n等分，然后在每一段圆弧上随机取点，从而可以构成随机的多边形。如果出现图3所示的情况，即已经构成的多边形的顶点同时在另一个圆内部，即A点为小圆上的点，但同时，A点在大圆的内部，那么大圆相应区域圆弧上的随机点用A点代替。
图5所示为衍生小多边形的生成法则：对于每个不规则多边形，连接其最长的两条对角线，如图中虚线所示，将多边形(图中为六边形)分为四个部分，在每个部分所包含的原多边形的边上随机取点，与最长的两条对角线的交点相连，构成多个小的多边形。对于按照所述的生成法则生成的小多边形，其内部按照同样的生成法则继续衍生出多个更小的多边形。衍生多边形层数为3-4层。
主骨架附近如果有空白区域，没有被多边形包围，则填充骨架材料。

Claims (5)

1.一种仿生相变储能板，包括骨架以及填充在骨架内的相变材料，其特征在于：所述骨架由主骨架与换热骨架组成，所述换热骨架设置在所述主骨架内，所述换热骨架按如下规律生成并在所述主骨架内形成分隔开的空腔，所述换热骨架的生成规律为：
在主骨架上任取一点，做主骨架的垂线，与相邻的另一条主骨架相交，将垂线N等分，取N-1等分点为圆心作圆，其中N≥3； 相同的两条主骨架之间的两条相邻垂线的间距小于两条相邻主骨架的间距；
在圆内部作任意多边形，形成骨架结构；多边形的边数为n，n在4-6的范围内选取；根据要生成的多边形边数，将圆n等分；当以相邻等分点为圆心的两圆不相交时，在每个圆上等分的每一段圆弧上随机取点形成多边形；当以相邻等分点为圆心的两圆相交时，以其中一个圆等分的每一段圆弧上随机取点形成一个多边形，另一个圆内的多边形的顶点包括位于圆上等分的每一段圆弧上的点和位于圆弧内的点，其中位于圆弧内的点与另一个圆内的多边形的顶点重合；
所述圆的直径为随机选取，在1.5mm-2.5mm之间；
两条相邻主骨架的间距为3.5-4.5mm，相同的两条主骨架之间的两条相邻垂线的间距为3mm。
2.根据权利要求1所述的仿生相变储能板，其特征在于：在形成所述骨架结构的多边形内还逐级衍生出小多边形，其中小多边形的衍生法则为：对于每个不规则多边形，连接其最长的两条对角线；通过两条对角线将多边形分为四个部分，在每个部分所包含的原多边形的边上随机取点，与最长的两条对角线的交点相连，构成多个小的多边形。
3.根据权利要求2所述的仿生相变储能板，其特征在于：衍生出小多边形的级数为3-4级。
4.根据权利要求1所述的仿生相变储能板，其特征在于：所述相变材料为水合盐、熔盐、石蜡、脂酸类或多元醇。
5.根据权利要求1所述的仿生相变储能板，其特征在于：所述主骨架为条状结构。
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