CN112050676A - 一种内置超声波发生器的相变储能强化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内置超声波发生器的相变储能强化装置。该装置包括超声波发生模块及相变储能模块。其中，超声波发生模块包括内置超声波振子单元外部无线充电发射器及外部电源，所述内置超声波振子单元由感温开关、超声波发生器、无线充电接收器组成；相变储能模块包括封闭壳体，加热面，冷却面，相变材料及多孔材料。内置超声波振子单元具有两方面的布置需求：一为布置在多孔材料内部中间处，目的对全场相变材料进行强化；二为布置在位于装置冷却面下端与封闭壳体底部交界处的储能单元中难以熔化的固相区域，目的对局部换热不均匀处进行特殊强化。特别地，内置超声波振子单元的启停工况应根据相变材料实时熔化情况进行自动控制。

Description

一种内置超声波发生器的相变储能强化装置
技术领域
本发明属于强化储能换热领域，尤其涉及一种无线供电内置超声波发生器的相变储能强化装置及其控制逻辑，并对相变储能材料换热死角处进行针对性优化。
背景技术
可再生能源的间歇性和波动性是其实现稳定供能的主要制约因素。相变蓄热系统利用相变材料在相变过程中吸收或释放潜热储存热量,可以将波动的能量输入转化为较为稳定的能量进行输出,以解决能源供需在时间、空间和强度上的不匹配的问题，可以提高可再生能源的稳定性和可靠性，在被动式建筑、太阳能热利用、余热回收等领域有广泛应用。2017年10月11日，国家发改委发布《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》，明确指出加快储能技术和产业发展，对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推动我国能源行业供给侧改革和推动能源生产和利用方式变革具有重要的战略意义。
目前，相变储能材料普遍较低的热导率导致相变蓄热系统的蓄放热效率较低，这已成为制约其广泛应用的主要瓶颈之一，强化传热性能一直是相变蓄能领域研究的热点。当下对于相变蓄热系统普遍采用被动强化传热的方式如提高相变储能材料的导热系数及优化相变器件的几何结构。面对目前日益增长的蓄热需求，传统的被动强化方式面对暴露出普遍昂贵的填料增强换热难以满足大型设备使用需求，翅片强化和梯级相变蓄热系统也存在温度分布不匹配，存在换热瓶颈等缺点。通过热、光、超声等方式对相变传热过程进行主动强化具有广阔的研究价值和前景。而目前所应用的超声波强化相变储能材料装置均将超声波外置，存在设备庞大、超声波损耗高等缺点，因此，有必要提出一种内置超声波发生器的相变储能强化装置。
中国专利申请CN106885486和中国专利申请CN103743275，都公开了在相变储能装置中，可以利用内置超声波振子单元产生超声波强化相变介质的换热或促进相变反应的进行。但是，上述文件都没有完全公开超声发生模块的具体结构类型，相变材料的容器结构也各有不同。而且，上述文件都没有明确提及超声发生模块为多个内置的形式，也没有涉及对储能单元中难以熔化的固相区域的传热传质进行强化。
中国专利申请CN102384605和中国专利申请CN2861137，都公开了内置超声波发生器的结构，但均运用于单相换热领域，而相变储能单元中存在的复杂两相换热问题，如局部换热不均等现象。本发明基于上述专利存在的问题，针对相变换热独特机理提出了一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，在压电陶瓷片的空间布置和控制逻辑上提出了解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而创新性地提出一种内置超声波发生器的相变储能强化装置。特别地，本发明根据储能单元内相变材料熔化机理对超声波发生装置位置进行特殊布置，不仅对相变材料整体进行传热强化，而且对相变材料熔化过程中不可避免的难以熔化的固相区域进行针对性强化。
值得特殊说明的是，目前被动式相变储能装置多依靠自然对流现象进行换热，因此不适用于无自然对流的工作环境，如处于太空零重力条件下。本发明不仅适用于地面上的大小型相变储能设备，而且可以适用于航空航天等特种运用领域。
本发明拟采取以下技术方案实现本发明的目的：
提供一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，至少包括单层封闭壳体。该装置可分为超声波发生模块及相变储能模块两部分；所述超声波发生模块包括内置超声波振子单元，外部无线充电发射器及外部电源。其中，所述内置超声波振子单元由感温开关、超声波发生器及无线充电接收器三者组成，并固定布置在多孔材料内部。特别地，应存在内置超声波振子单元布置在储能单元中难以熔化的固相区域所对应的多孔材料区域内；所述相变储能模块包括封闭壳体、加热面、冷却面、相变材料及多孔材料。其中，所述封闭壳体具有至少一个加热面和冷却面；所述多孔材料填充在封闭壳体的内部空间中；所述相变材料均匀得填充在多孔材料内部，形成复合材料。
优选方案进一步包括如下任一技术特征:
所述相变材料为任何在系统工作温度范围内具有相变特性且相变化中至少有一相为液相的有机相变储能材料或无机相变储能材料。
所述多孔材料选用高导热系数的金属或非金属材料。
所述封闭壳体采用隔热材料。
所述加热面及冷却面可选用如铜板等导热率较高的材料，以提高传热效率。
所述超声波发生器是消耗电能的超声波发生器，并采用无线方式对其进行供电。具体而言，外置超声波发生器通过电磁波的形式将电能无线传输至内置超声波振子中的无线充电接收模块。
所述内置超声波振子单元可分为A、B两组。所述A组内置超声波振子单元均匀布置在多孔材料内部中间处，作用于强化相变材料整体的传热传质；所述B组内置超声波振子单元集中布置在储能单元中难以熔化的固相区域所对应的多孔材料内部区域处，作用于强化储能单元中难以熔化的固相区域的传热传质。
所述内置超声波振子单元的形状、大小、个数、功率等关键参数都可根据实际情况选择最优解。优化地，A组内置超声波振子单元中可选用全局覆盖型超声波发生器，B组内置超声波振子单元中可选用聚焦型超声波发生器。
所述感温开关可使用但不仅仅局限于：热电偶、热电阻等可用于判断温度是否达到相变材料融化平台温度的测温元件。
所述外部电源采用可调节功率大小的电源，并配置自动控制电路，以根据相变材料熔化过程改变运行功率对腔体内的内置超声波接收器进行供电。
所述内置超声波振子在相变材料与多孔材料中的固定方式为：将多孔材料在热量传播方向上根据切分为若干个薄板，在薄板上预留内置超声波振子孔位。安装时先将超声波振子嵌入多孔材料薄板，以固定超声波振子。之后将多孔材料薄板组合，置于储能单元壳体内。最后将相变材料注入已经放置完成了多孔材料以及超声波振子的储能单元中。
所述一种内置超声波发生器的相变储能强化装置采用如下控制逻辑根据相变材料实时熔化情况对超声波发生装置的启停工况及运行功率进行自动调节：
初始状态下，封闭壳体内的未熔化的相变材料温度较低，整个储能装置呈固态。当加热面受热流时，靠近加热面的相变材料开始熔化，靠近加热面的超声波发生装置上的感温开关测温到达相变温度，该超声波发生器已处于液相区，因此感温开关控制超声波发生器进行工作；以此类推，随着液相区的扩大，进入液相区的超声波强化装置相继在感温开关的控制下打开，直至储能单元全部变成液体，储热过程完成。
本发明所述的内置超声波发生装置强化相变储能技术相较于外置超声波发生装置强化相变储能技术不仅缩小了设备所占体积，且可以消除超声波通过壁面所带来的传导损耗，提高储能效率。将超声波发生装置供能方式设置为无线充电，降低装置密封难度。
目前，在相变储能领域中，储能单元中存在难以熔化的固相区域是制约其发展的重要瓶颈之一，大大降低了储能效率。本发明针对此问题提出将B组内置超声波振子单元集中布置在储能单元中难以熔化的固相区域所对应的多孔材料内部区域处的技术方案，较之全局性施加超声波条件下，本发明的熔化时间减少22％，储能效率提高28％。
由于超声波的空化和声流等效应只对液体产生作用，对固体并无效果，本发明针对此问题提出了一种自动控制逻辑，根据相变材料实时熔化情况来控制各超声波发生装置的启停工况及运行功率的调节。通过此控制逻辑，可大幅节省电能，提高超声波利用率。
优点，本发明具有良好的均温及控温能力，主要通过三方面实现：1.通过将超声波发生装置固定布置在多孔材料内部，并对其采用无线供电的方案，使超声波对相变材料传热的主动强化作用提高。2.通过对内置超声波振子单元位置的合理布置，使超声波在强化相变材料整体传质传热的条件下，针对性的强化储能单元中难以熔化的固相区域，提高全局温度场的均匀性。3.通过根据相变材料实时熔化情况对各内置超声波振子单元进行自动控制，调节其工作功率，以达到精准控温的目的。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为储能单元中难以熔化的固相区域未加超声波的相变材料熔化过程示意图
图3为数值模拟下相变材料熔化过程中液相百分比随时间的变化曲线对比示意图
图4为立方体相变储能单元中难以熔化的固相区域示意图
图5为内置超声波振子单元的内部结构示意图
附图标记说明：1-内置超声波振子单元(包括1A、1B)；1A-A组内置超声波振子单元；1B-B组内置超声波振子单元；2-电磁波；3-相变材料(包括3A、3B)；3A-已熔化的相变材料；3B-未熔化的相变材料；4-加热面；5-冷却面；6-外部电源；7-封闭壳体；8-储能单元中难以熔化的固相区域；9-多孔材料；10-外部无线充电发射器；11-感温开关；12-超声波发生器13-无线充电接收器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本文针对相变材料熔化存在难以熔化的固相区域现象进行定性数值模拟，以60mm*120mm*100mm的三维立方体蓄热单元为例。模拟结果以图2、图3展示。图2为储能单元中难以熔化的固相区域未加超声波的相变材料熔化过程示意图，图3为数值模拟下相变材料熔化过程中液相百分比随时间的变化曲线示意图。当熔化过程尚未开始时，储能单元内相变材料均为固体，液相百分比为0；熔化过程开始后，当液相百分比达到98％时，视为相变材料储能完成。其中，熔化过程分为两阶段，第一阶段为相变材料熔化过程液相百分比从0达到72.7％，第二阶段为相变材料熔化过程液相百分比从72.7％达到98％。由图3可知，未利用超声波对储能单元中难以熔化的固相区域(8)进行强化的相变材料熔化过程第一阶段占总熔化时长的50％，熔化效率高；第二阶段占总熔化时长的50％。由图2可知，当相变材料熔化过程处于第二阶段时，储能单元内的主体部分已熔化完毕，仅存余下28％的相变材料于冷却面下端与封闭壳体底部交界处待熔化，却占据了50％的总熔化时长，大大降低了总熔化效率。由图3可知，在储能单元中难以熔化的固相区域(8)利用超声波进行针对性强化后，总熔化时长从5000s缩减至3900s，储能单元能量收放效率可有效提高28％。
图4为立方体相变储能单元中难以熔化的固相区域示意图。以模拟所采用的60mm*120mm*100mm的三维立方体蓄热单元为例，储能单元中难以熔化的固相区域位于冷却面下端与封闭壳体底部交界处约为边长为40mm*40mm，高为100mm的三棱柱。
图1为本发明提供的内置超声波发生器的相变储能强化装置结构示意图，该相变储能强化装置按功能可以划分为超声波发生模块及相变储能模块。
超声波发生模块包括内置超声波振子单元(1)，外部无线充电发射器(10)及外部电源(6)。图5为内置超声波振子单元的内部结构示意图。其中，所述内置超声波振子单元(1)由感温开关(11)，无线充电接收器(13)，超声波发生器(12)三者组成，结构不局限于图1所示的结构，但必须是上述三者的有机组成。所述内置超声波振子单元(1)包括均匀布置在多孔材料(9)内部中间处的A组内置超声波振子单元(1A)及集中布置在储能单元中难以熔化的固相区域(8)所对应的多孔材料(9)内部区域处的B组内置超声波振子单元(1B)。
相变储能模块包括封闭壳体(7)、加热面(4)、冷却面(5)、相变材料(3)及多孔材料(9)。其中，所述封闭壳体(7)具有至少一个加热面(4)和冷却面(5)；所述多孔材料(9)填充在封闭壳体(7)的内部空间中；所述相变材料(3)均匀得填充在多孔材料(9)内部，形成复合材料。
该装置中，强化换热是通过A组内置超声波振子单元发出的超声波及B组内置超声波振子单元发出的超声波以加强相变材料(3)内部扰动实现的，而A组内置超声波振子单元(1A)及B组内置超声波振子单元(1B)布置于多孔材料(9)内部，直接与相变材料(3)接触，实现超声波在传入相变材料(3)前的零损耗，提高超声波利用率及储能效率。需要注意的是，A组内置超声波振子单元(1A)集中作用于强化相变储能材料整体传热传质，B组内置超声波振子单元(1B)作用于强化储能单元中难以熔化的固相区域(8)传热传质。
基于上述相变储热强化装置，本发明还提供了一种相变储热强化运行控制逻辑。
系统运行时为储热工况。当储热时，热流经过加热面(4)流入储能单元，未熔化的相变材料(3B)呈固体，在热流的加热下发生相变，变成液体储存潜热。
在不开启压电陶瓷片的情况下，相变蓄热系统存在能量收支较慢，相变不均匀，冷却面下端与封闭壳体底部传热薄弱等缺陷。我们研究表明，无超声强化的情况下，由于自然对流的影响，温度分布不均，储能系统上部固液相分界面明显超前于下部，导致储能系统能量利用率较差。基于此，本发明提出将超声波振子单元内置储能器对储能单元进行超声强化。
其中所述相变储热强化运行控制逻辑为：超声波对于液态的相变材料有较强的传热强化作用。初始状态下，封闭壳体(7)内的未熔化的相变材料(3B)温度较低，整个储能装置呈固态。当加热面(4)受热流时，靠近加热面(4)的相变材料(3)开始熔化，靠近加热面的超声波发生器上的感温开关(11)测温到达相变温度，该超声波发生器(12)已处于液相区，因此感温开关(11)控制超声波发生器(12)进行工作；以此类推，随着液相区的扩大，进入液相区的超声波强化器(12)相继在感温开关(11)的控制下打开，直至储能单元全部变成液体，储热过程完成。
需要注意的是，上述的“高温”、“低温”仅仅是相对性的表述，并没有明确的温度范围，实际的流体温度需根据实际工况确定。
本发明未对自动控制电路进行详细描述。
本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (17)

1.一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，至少包括单层封闭壳体，其特征在于，所述相变储能强化装置包括超声波发生模块及相变储能模块两部分；
所述超声波发生模块包括内置超声波振子单元(1)，外部无线充电发射器(10)及外部电源(6)，其中，所述内置超声波振子单元(1)由感温开关(11)、超声波发生器(12)、无线充电接收器(13)组合而成，其中，所述内置超声波振子单元(1)固定布置在多孔材料(9)内部，特别地，由于相变储能单元中存在难以熔化的固相区域(8)，因此设置两组超声波振子单元(1A、1B)分别负责整体和局部的传热强化；在实际运行过程中，外部无线充电发射器(10)将电能以电磁波(2)的方式无线传输至内置超声波振子单元(1)，并通过自动控制逻辑对不同位置的内置超声波振子单元(1)进行启停及工作功率调节设置；
所述相变储能模块包括封闭壳体(7)、加热面(4)、冷却面(5)、相变材料(3)、多孔材料(9)，其中，所述封闭壳体(7)具有至少一个加热面(4)和冷却面(5)；所述多孔材料(9)填充在封闭壳体(7)的内部空间中；所述相变材料(3)均匀得填充在多孔材料(9)内部，形成复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述内置超声波振子单元(1)由感温开关(11)，超声波发生器(12)，无线充电接收器(13)三者组成，其中，超声波发生器(12)是消耗电能的超声波发生器，或者是自供能的热声转化装置。
3.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述内置超声波振子单元(1)可分为A、B两组，A组内置超声波振子单元(1A)均匀布置在多孔材料(9)内部中间处，B组内置超声波振子单元(1B)集中布置在储能单元中难以熔化的固相区域(8)所对应的多孔材料(9)内部区域处。
4.根据权利要求3所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述A组内置超声波振子单元(1A)均匀布置在多孔材料(9)内部中间处，A组内置超声波振子单元产生的超声波作用于强化相变材料整体的传热传质。
5.根据权利要求3所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述B组内置超声波振子单元(1B)集中布置在储能单元中难以熔化的固相区域(8)所对应的多孔材料(9)内部区域处，B组内置超声波振子单元产生的超声波作用于强化储能单元中难以熔化的固相区域(8)的传热传质。
6.根据权利要求5所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述储能单元中难以熔化的固相区域(8)是指相变材料(3)熔化过程中由于重力因素下自然对流产生的垂直温度的不均匀分布等因素造成的传热薄弱区域，储能过程中，熔化初始阶段加热面(4)附近温度较高、流速较大，形成强烈的自然对流扰动，熔化迅速；当熔化进行到后期时，液相已熔化的相变材料(3A)区域逐渐变大，区域温度逐渐接近加热温度，流体流速逐渐变小，自然对流效应逐渐降低，当封闭壳体为长方体时，使得冷却面下端与封闭壳体底部交界处以及以交界线为棱的三棱柱相变材料区域形成储能单元中难以熔化的固相区域(8)，实际储能单元中难以熔化的固相区域(8)具体位置应视封闭壳体(7)形状及加热面(4)、冷却面(5)设置位置等因素共同决定。
7.根据权利要求3～5所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述A组内置超声波振子单元(1A)中可选用以全局覆盖型为主的超声波发生器；所述B组内置超声波振子单元(1B)中可选用聚焦型为主的超声波发生器，以对储能单元中难以熔化的固相区域(8)进行特殊强化，实际可根据封闭壳体(7)形状，相变材料(3)特性以及购买难度等因素综合决定。
8.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述内置无线充电接收器(13)和感温开关(11)以集成的方式布置于腔体内的超声波发生器(12)上，一个超声波发生器(12)对应一个无线电接收器(13)和感温开关(11)模组，感温开关(11)通过感知超声波发生器处的温度决定是否打开对应的超声波发生器(12)；由于超声波对液相材料的强化作用较为显著，开关打开的温度设置为相变材料的融化平台温度，以保证超声波发生器在处于液相相变材料的时候开始工作。
9.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述感温开关(11)可使用但不仅仅局限于：热电偶、热电阻等可用于判断温度是否达到相变材料融化平台温度的测温元件。
10.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述外部电源(6)与外置无线充电发射器(10)连接，外部电源(6)采用可调节功率大小的电源，并配置自动控制电路，以根据相变材料熔化过程改变运行功率对腔体内的内置超声波接收器(13)进行供电。
11.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述封闭壳体(7)材料可采用隔热材料，如有机玻璃等。
12.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述加热面(4)及冷却面(5)可选用如铜板等导热率较高的材料，以提高传热效率。
13.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述相变材料(3)可为任何在系统工作温度范围内具有相变特性且相变化至少有一相为液相的有机相变储能材料或无机相变储能材料。
14.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述多孔材料(9)可为金属或非金属材料。
15.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，其特征在于：所述工作环境可为具有自然对流条件的地面，也可应用于零重力无自然对流的环境，如太空中。
16.根据权利要求1所述的一种内置超声波发生器的相变储能强化装置，提供其内置超声波振子在相变材料与多孔材料中的固定方式，其特征在于：由于腔体中的多孔材料并不要求为各向同性的，只需在热量传播方向上为同性为佳，因此将多孔材料在热量传播方向上根据切分为若干个薄板，在薄板上预留内置超声波振子孔位；
所述固定方式为：先将超声波振子嵌入多孔材料薄板，以固定超声波振子，之后将多孔材料薄板组合，置于储能单元壳体内，最后将相变材料注入已经放置完成了多孔材料以及超声波振子的储能单元中。
17.根据权利要求1-16任一所述的内置超声波发生器的相变储能强化装置的控制方法，其特征在于：提供内置超声波振子单元(1)的逻辑控制方法，所述超声波的空化和声流等效应只对液体产生作用，因此只需对已熔化的相变材料(3A)施加超声波进行换热强化，即使已熔化的相变材料(3A)区域所对应的内置超声波振子单元(1)工作；
初始状态下，封闭壳体(7)内的未熔化的相变材料(3B)温度较低，整个储能装置呈固态；当加热面(4)受热流时，靠近加热面(4)的相变材料(3)开始熔化，靠近加热面的超声波发生器(12)上的感温开关(11)测温到达相变温度，该超声波发生器(12)已处于液相区，因此感温开关(11)控制超声波发生器(12)进行工作；以此类推，随着液相区的扩大，进入液相区的超声波强化器(12)相继在感温开关(11)的控制下打开，直至储能单元全部变成液体，储热过程完成。
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