CN115200400B - 一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统及其方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，所述系统由：单片圆柱形热电材料外壳、上电极板、下电极板、内部换热管、换热流体、电压放大器连接线、电压放大器、极性相变材料组成。本发明基于火积耗散理论分析使用多级相变系统可降低相变储热系统的总传热热阻，提升相变储能系统的储热和供热效率；采用多达m种(m>20)不同温区的高焓值极性相变材料，组成覆盖超广温区的储热系统，实现供热温度的无极调控。利用热电材料、电极板和电压放大器产生强度可调的电场，使极性相变材料的极性分子按电场方向有序排列，提升相变材料的径向导热系数，从而提高储热效率。相反的，保温工况下热电材料不发电，削弱散热从而有助保温。
Description
技术领域
本发明涉及相变储能和蓄热器技术领域，尤其涉及一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统及其方法。
背景技术
在我国提出2030年达到碳高峰，2060年前实现碳中和的两个战略目标下，清洁可再生能源的地位日益提高。而太阳能、风能等可再生能源普遍存在波动性和间歇性的特点，因此需要采用储能技术来提高太阳能、风能等的利用效率。相变材料具有储热密度高、储/供热过程中温度几乎不变、熔点分布广、化学性质稳定以及耐腐蚀等优点，近些年来在储热领域引起广泛研究。然而，常见的相变材料导热系数低，储能效率低，难以实现短时间高效、迅速、均匀地传热，严重影响系统的储热和放热效率。
为了强化控温系统的相变传热，研究者们通过在相变材料中添加具有高导热系数的泡沫金属材料或者碳纳米颗粒显著增加了复合相变材料的等效导热系数。然而添加物的存在一方面会严重抑制液相相变材料的自然对流换热，另一方面会造成系统蓄热能力的大量损失。
同时相变材料的熔点具有局限性，只能适用于固定温区范围，造成大量中低温区的热能被浪费。目前中低温区间相变材料应用以石蜡为主，而目前有研究发现常作为食品添加剂的醇类相变材料的导热系数和相变焓值均比石蜡要高。但是醇类相变材料在应用中过冷度高，存在结晶放热的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统及其方法。通过火积耗散理论分析确定使用多级相变系统可以降低整个相变储热系统的总传热热阻，提升相变储能系统的储热和供热的效率；采用多达m种(m>20)不同温区的高焓值极性相变材料，组成覆盖超广温区的储热、供热系统，实现供热温度的无极调控。利用热电材料、电极板和电压放大器产生强度可调的电场，使极性相变材料的极性分子可以根据电场方向有序排列，提升相变材料的导热性能。保温工况下相变材料温度均匀恒定，热电材料不发电，因此保温工况下相变材料径向的导热系数较小，强化了保温性能；节能、减排、低碳、高效、环保。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，所述系统由n个圆柱形热电材料单元、换热流体、电压放大器连接线、电压放大器组成；其中圆柱形热电材料单元包括圆柱形热电材料外壳、极性相变材料、多根内部换热管、上电极板和下电极板；多根内部换热管均匀布置在单片圆柱形热电材料外壳内，圆柱形热电材料外壳和内部换热管之间的空隙填充满了极性相变材料，单片圆柱形热电材料外壳的圆周表面被上电极板和下电极板包裹；内部换热管内流通换热流体；根据火积耗散理论，沿着轴向，设计n个圆柱形热电材料单元进行组合，下电极板和电压放大器之间通过电压放大器连接线连接。
优选的，所述的圆柱形热电材料外壳的表面材料均为热电材料，通过储热和放热过程中的温差发电，有效利用热能自产自销。
优选的，所述极性相变材料的种类通过火积耗散理论确定，多达m种以上(m>20)。这是因为依据火积理论分析，对于相变储热系统来说当火积耗散达到最大值时，整个相变储热系统的传热性能达到最优。而为了火积耗散最大，就需要总热阻达到最小。根据火积耗散理论，使用多级相变系统可以降低整个相变蓄热器的总热阻。进一步基于火积耗散理论分析确定，采用多达20种以上的相变材料可以使整个相变储热系统的性能达到最优。
优选的，所述一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，圆柱形热电材料单元多达n种以上(n≥m>20)；单个圆柱形热电材料单元内只含有一种极性相变材料，组成含有m种相变材料，覆盖广温区的蓄热/供热系统，实现供热温度的无极调控；多个圆柱形热电材料单元顺次串联，多个圆柱形热电材料单元的内部换热管顺次连通。
优选的，所述电压放大器的电压可调节，从而调节电场强度。
优选的，所述上下电极板形成垂直圆柱形热电材料单元轴向的径向电场线。
优选的，所述的极性相变材料选用具有极性的高焓值相变材料，所述具有极性的高焓值相变材料包括极性的醇类相变材料分子。
优选的，所述的储热、保温及供热方法，其特征在于：对于用于储热用途，n个圆柱形热电材料单元根据沿着换热流体的流动方向极性相变材料熔点依次降低的原则组装，拆卸，最终使接近常温的低温换热热流体通过内部换热管流出相变储能系统，使绝大部分的热能被有效回收，减少能量浪费；
对于用于供热用途，n个圆柱形热电材料单元可以根据沿着换热流体的流动方向极性相变材料凝固点依次升高的原则组装，拆卸，最终达到设定温度值的换热流体通过内部换热管流出相变储能系统。
所述一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统的储热、保温及供热方法是：
在储热过程中，高温的换热流体通过内部换热管流入相变储能系统内；圆柱形热电材料单元中的极性相变材料依次吸热熔化，进行换热；圆柱形热电材料外壳因为温差产生电压；该感应电压通过电压放大器进行挡位的调节，产生不同大小的电压；不同大小的电压联通上电极板和下电极板，产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场；因为极性相变材料的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布；根据理论分析，线性的分子结构可以提升该方向的导热系数；因此换热流体和极性相变材料之间的换热效率增大；电场强度越大，极性相变材料线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大；
在保温过程中，因为极性相变材料温度的均匀分布，圆柱形热电材料单元不产生感应电压，则此时无电场；液态极性相变材料分子无序排布，因此极性相变材料沿着径向的导热系数没有增强，抑制了无极相变储能系统的径向散热，从而提升了其保温性能；
在供热过程中，低温的换热流体通过内部换热管流入相变储能系统；圆柱形热电材料单元的极性相变材料依次放热凝固，与内部换热管内流动的换热流体进行换热；圆柱形热电材料单元因为温差产生电压；该感应电压通过电压放大器进行挡位的调节，产生不同大小的电压；不同大小的电压联通上电极板和下电极板，产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场；因为极性相变材料的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布；根据理论分析，线性的分子结构可以提升该方向的导热系数。因此沿着径向的换热流体和极性相变材料的换热效率增大；电场强度越大，极性相变材料线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)依据火积理论，圆柱形热电材料单元采用超过20种相变材料，形成多级相变，并且可以自由组合、分配，有利于调节供热温度，实现供热温度的无极调控，精准、高效，使相变储能系统的相变换热效率达到最优，提高能源利用效率；
(2)利用极性相变材料分子在电场作用下线性排列，可以提升线性方向导热系数的特性，提升相变储能系统径向导热系数，提升整体换热效率；
(3)利用热电材料自身特性，在供热储热工况下利用温差自发电，产生电场，节能减排，提高能源利用效率；在保温工况下不发电，使得相变材料径向的导热系数较小，强化了保温性能。
附图说明
图1为本发明基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统的结构示意图。
图2、3分别为本发明圆柱形热电材料单元结构示意图和剖面示意图。
附图中，各部件的列表如下：
1：圆柱形热电材料单元； 2：换热流体；
3：电压放大器连接线； 4：电压放大器；
1-1：圆柱形热电材料外壳； 1-2：极性相变材料；
1-3：内部换热管； 1-4：上电极板；
1-5：下电极板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
如图1和图2所示，本发明的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，由n个圆柱形热电材料单元1、换热流体2、电压放大器连接线3、电压放大器4组成；其中圆柱形热电材料单元1包括圆柱形热电材料外壳1-1、极性相变材料1-2、多根内部换热管1-3、上电极板1-4和下电极板1-5；多根内部换热管1-3均匀布置在单片圆柱形热电材料外壳1-1内，圆柱形热电材料外壳1-1和内部换热管1-3之间的空隙填充满了极性相变材料1-2，单片圆柱形热电材料外壳1-1的圆周表面被上电极板1-4和下电极板1-5包裹；内部换热管1-3内流通换热流体2；根据火积耗散理论，沿着轴向，设计有n个圆柱形热电材料单元1进行组合，下电极板1-5和电压放大器4之间通过电压放大器连接线3连接。根据火积耗散理论，设计采用m种极性相变材料1-2，单个圆柱形热电材料外壳1-1内只含有一种极性相变材料1-2，极性相变材料1-2互相不会混合，便于安装、储存和更换。极性相变材料1-2包括但不限于烷烃类、醇类、糖醇类、脂类、酸类和钙钛矿类具有高焓值的相变材料。例如：丙三醇、赤藓糖醇、D-苏糖醇、L-苏糖醇、核糖醇、D-阿拉伯糖醇、L-阿拉伯糖醇、木糖醇、D-艾杜糖醇、L-艾杜糖醇、D-甘露糖醇、L-甘露糖醇、D-山梨糖醇、L-山梨糖醇、D-半乳糖醇、D-蒜糖醇、D-塔罗糖醇、L-塔罗糖醇、庚七醇、D-麦芽糖醇、乳糖醇等。
本发明的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统的储热、保温及供热过程如下：
在储热过程中，高温换热流体2通过内部换热管1-3流入相变储能系统内。圆柱形热电材料单元1中的极性相变材料1-2依次吸热熔化，进行换热。圆柱形热电材料外壳1-1因为温差产生电压。该感应电压通过电压放大器4进行挡位的调节，产生不同大小的电压。不同大小的电压联通上电极板1-4和下电极板1-5，产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场。因为极性相变材料1-2的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布。根据理论分析，线性的分子结构可以提升该方向的导热系数。因此换热流体2和极性相变材料1-2之间的换热效率增大。电场强度越大，极性相变材料1-2线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大。在储热状态下，n个圆柱形热电材料单元根据沿着换热流体的流动方向极性相变材料熔点依次降低的原则组装，拆卸，最终使接近常温的低温换热热流体通过内部换热管流出相变储能系统，使绝大部分的热能被有效回收，减少能量浪费；
在保温过程中，因为极性相变材料1-2温度的均匀分布，圆柱形热电材料单元1不产生感应电压，则此时无电场。液态极性相变材料1-2分子无序排布，因此极性相变材料1-2沿着径向的导热系数没有增强，抑制了无极相变储能系统的径向散热，提升了其保温性能。
在供热过程中，低温换热流体2通过内部换热管1-3流入相变储能系统。圆柱形热电材料单元1的极性相变材料1-2依次放热凝固，与内部换热管1-3内流动的换热流体2进行换热。圆柱形热电材料单元1因为温差产生电压。该感应电压通过电压放大器4进行挡位的调节，产生不同大小的电压。不同大小的电压联通上电极板1-4和下电极板1-5，产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场。因为极性相变材料1-2的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布。根据理论分析，线性的分子结构可以提升该方向的导热系数。因此沿着径向的换热流体2和极性相变材料1-2的换热效率增大。电场强度越大，极性相变材料1-2线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大。在供热状态下，n个圆柱形热电材料单元1可以根据沿着换热流体2的流动方向极性相变材料1-2凝固点依次升高的原则组装，拆卸，最终达到设定温度值的换热流体2通过内部换热管1-3流出相变储能系统。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述实施例序号仅仅用于描述，不代表实施例的优劣。上述实施例仅为本发明的较佳实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本发明的精神和原则之内，所作的修改、替代、组合、简化、改进等，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述系统由：n个圆柱形热电材料单元（1）、换热流体（2）、电压放大器连接线（3）、电压放大器（4）组成，其中圆柱形热电材料单元（1）包括圆柱形热电材料外壳（1-1）、极性相变材料（1-2）、多根内部换热管（1-3）、上电极板（1-4）和下电极板（1-5）；多根内部换热管（1-3）均匀布置在单片圆柱形热电材料外壳（1-1）内，圆柱形热电材料外壳（1-1）和内部换热管（1-3）之间的空隙填充满了极性相变材料（1-2），单片圆柱形热电材料外壳（1-1）的圆周表面被上电极板（1-4）和下电极板（1-5）包裹；内部换热管（1-3）内流通换热流体（2）；沿着轴向，有n个所述圆柱形热电材料单元（1）进行组合，下电极板（1-5）和电压放大器（4）之间通过电压放大器连接线（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述的圆柱形热电材料外壳（1-1）的表面材料均为热电材料，通过储热和放热过程中的温差发电，有效利用热能自产自销。
3.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述的极性相变材料（1-2）的种类m通过火积耗散理论确定，m>20，使整个相变储热系统的传热性能达到最优。
4.根据权利要求3所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述圆柱形热电材料单元（1）的数量为n，n≥m>20；单个圆柱形热电材料单元内只含有一种极性相变材料（1-2），组成覆盖广温区的蓄热/供热系统，实现供热温度的无极调控；所述多个圆柱形热电材料单元（1）顺次串联，所述多个圆柱形热电材料单元（1）的内部换热管（1-3）顺次连通。
5.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述的电压放大器的电压可调节，从而调节电场强度。
6.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述的上下电极板形成垂直所述圆柱形的轴向的径向电场线。
7.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于所述的极性相变材料选用具有极性的高焓值相变材料，所述具有极性的高焓值相变材料包括极性的醇类相变材料分子。
8.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统，其特征在于对于用于储热用途，n个圆柱形热电材料单元（1）根据沿着换热流体（2）的流动方向极性相变材料（1-2）熔点依次降低的原则组装，最终使接近常温的低温换热流体（2）通过内部换热管（1-3）流出相变储能系统，使绝大部分的热能被有效回收，减少能量浪费；
对于用于供热用途，n个圆柱形热电材料单元（1）可以根据沿着换热流体（2）的流动方向极性相变材料（1-2）凝固点依次升高的原则组装，最终达到设定温度值的换热流体（2）通过内部换热管（1-3）流出相变储能系统。
9.根据权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统的储热、保温及供热方法，其特征在于：
在储热过程中，高温的换热流体（2）通过内部换热管（1-3）流入相变储能系统内；圆柱形热电材料单元（1）中的极性相变材料（1-2）依次吸热熔化，进行换热；圆柱形热电材料外壳（1-1）因为温差产生感应电压；该感应电压通过电压放大器（4）进行挡位的调节，产生不同大小的电压；不同大小的电压联通上电极板（1-4）和下电极板（1-5），产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场；因为极性相变材料（1-2）的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布；线性的分子结构可以提升该方向的导热系数；因此换热流体（2）和极性相变材料（1-2）之间的换热效率增大；电场强度越大，极性相变材料（1-2）线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大；
在保温过程中，因为极性相变材料（1-2）温度的均匀分布，圆柱形热电材料单元（1）不产生感应电压，则此时无电场；液态极性相变材料（1-2）分子无序排布，因此极性相变材料（1-2）沿着径向的导热系数没有增强，抑制了无极相变储能系统的径向散热，从而提升了其保温性能；
在供热过程中，低温的换热流体（2）通过内部换热管（1-3）流入相变储能系统；圆柱形热电材料单元（1）的极性相变材料（1-2）依次放热凝固，与内部换热管（1-3）内流动的换热流体（2）进行换热；圆柱形热电材料单元（1）因为温差产生电压；该感应电压通过电压放大器（4）进行挡位的调节，产生不同大小的电压；不同大小的电压联通上电极板（1-4）和下电极板（1-5），产生正负电极，从而产生垂直于轴向的不同强度的径向电场；因为极性相变材料（1-2）的线性分子具有极性，因此在电场作用下，在液态下，该线性分子会旋转从而平行于电场方向，沿着径向线性分布；线性的分子结构可以提升该方向的导热系数，因此沿着径向的换热流体（2）和极性相变材料（1-2）的换热效率增大；电场强度越大，极性相变材料（1-2）线性的分子结构分布越显著，导热系数的增强越大，换热效率的提升也会越大。
10.权利要求1所述的一种基于火积理论的电场强化型无极相变储能系统在储能供热领域的应用。
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| KR20200002438A (ko) * | 2018-06-29 | 2020-01-08 | 한국과학기술연구원 | 상변화물질을 이용한 잠열축열장치 |
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