CN115355626A - 一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，主要包括集热器、储热箱、复合相变材料、热交换板、磁铁和超声波换能器。本方案利用磁性纳米颗粒的磁场可控性与非磁性纳米颗粒的高导热性组成复合相变材料。磁性纳米颗粒不断被吸附在熔化界面上以强化导热性，同时非磁性纳米颗粒提高了液相区的传热效率，从而促进了熔化进程。当相变材料完全熔化后，潜热值吸收最大，此时利用超声场恢复纳米颗粒的分散性来实现系统可循环利用。在白天吸收热量并储存热水，在晚间利用热水进行使用，同时储水箱内壁包含相变材料，其可保证水温的稳定性。本方案能够进一步提高太阳能热能储存效率，改善能量供应的稳定性，具有制造简单，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及强化传热储热技术领域，尤其涉及一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统。
背景技术
太阳能作为最广泛的清洁可再生能源，其能量供应的随机性与间歇性成为限制其发展的主要因素。相变储热技术利用相变材料的高潜热特性，在相变过程中释放/吸收大量潜热，能够提高可再生能源的稳定性与高效性，对提升太阳能的使用效率有着重大意义。在2021年国家发改委发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中也明确指出要健全“新能源+储能”项目的系统性，以实现碳达峰，推动能源的绿色转型，构建安全高效的能源体系。
尽管相变储热系统作为提高太阳能利用率的有效手段之一，但该方法会受限于相变材料的低导热率。目前，改善相变材料导热率低的方法主要通过被动技术强化传热，如添加多孔介质，纳米颗粒，翅片等增强物。而主动方式增强相变过程也具有广泛的前景与应用，例如耦合磁场，超声场，电场等外场进行强化传热。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，主要包括集热器、储热箱、复合相变材料、热交换板、磁铁以及超声波换能器。
具体的，所述集热器设置在储热箱的左侧，用于向储热箱传递热量。所述复合相变材料填满储热箱内部，用于吸收集热器的热量。所述复合相变材料采用磁性混合纳米增强相变材料，由相变材料与磁性纳米颗粒材料、非磁性纳米颗粒材料混合制备而成(三种材料的选择与混合比根据系统供需条件而定)。所述磁铁可升降地设置在储热箱的右侧，为复合相变材料提供非均匀磁场。所述热交换板设置在储热箱的后侧，用于吸收复合相变材料的热量。所述超声波换能器设置在储热箱下方，释放超声波并在复合相变材料内产生空化效应，进而在液相磁性混合纳米增强相变材料中产生大量空化气泡，并且随着气泡孕育至爆破，会将液体中纳米颗粒的团聚体打散，从而提高整体的分散性，为下一轮复合相变材料传热储热创造有利条件。
作为本发明的优选方案，所述磁铁能够产生非均匀磁场，当固相复合相变材料吸收热量后逐渐熔化成液体，处于液相磁性混合纳米增强相变材料中的磁性纳米颗粒在磁场力的诱导下沿着磁场梯度方向移动，最终附着在固液界面上形成一层导热层。由于磁性纳米颗粒具有高导热性，其会强化界面处的传热性能从而加快固相复合相变材料的熔化速度，以提高系统整体的储热效率。使用非均匀磁场的好处在于其有利于将磁性纳米颗粒吸附在固液界面上，而使用均匀磁场只能使磁性纳米颗粒沿着磁场方向形成长链状纳米颗粒条，对固液界面处的强化传热效应影响较小，且链状效应容易受到温度影响，导致导热效果减弱。
进一步的，为了提高热量的转化吸收率，本发明所述热交换板内还设有热交换管和水泵。所述热交换管采用U型管结构。所述水泵设置在热交换管的进水端。
进一步的，为了最大程度保持储水箱内的水温，本发明所述耦合调控系统还包括储水箱和相变材料。所述储水箱与热交换板的出水端连通，储水箱的内部设有用于存储相变材料的夹层。所述相变材料填满储水箱的夹层。
进一步的，为了有效提高系统的储热效率以及操作灵活性，本发明所述耦合调控系统还包括控制箱、温度传感器、超声波发生器、升降控制器以及升降台。所述控制箱设置在储热箱的下方。所述超声波换能器设置在控制箱内，并与超声波发生器连接。所述温度传感器设置在储热箱底部且位于远离集热器的一侧，并与控制箱连接。所述升降控制器与升降台连接，所述升降台的驱动端与磁铁连接并驱动磁铁上下升降。工作时，打开控制箱开关，磁铁在升降台带动下升至储热箱右侧。储热箱内磁性混合纳米增强相变材料(复合相变材料)随着吸收由太阳能集热器转换而成的热能而不断升温熔化，待位于储热箱右下角的热电偶监测到该区域温度高于复合相变材料的相变温度时(由于该区域为储热箱最低温度区域，当该区域温度高于相变温度，则说明箱内的复合相变材料均已熔化为液态)，触发超声波发生器与升降控制器开关，此时，超声波被启动，而磁铁下降至初始位置，待到达设定时间时，超声自动停止，控制箱开关恢复关闭状态。
作为本发明的优选方案，所述温度传感器采用热电偶。
作为本发明的优选方案，所述超声波换能器采用矩阵式布置排列。
进一步的，所述控制箱还包括用于控制耦合调控系统的开关；所述开关设置在控制箱的前侧面板上。
本发明还公开了一种基于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统的控制方法，该方法包括如下具体步骤：
步骤S1：集热器将太阳的辐射能转换成热能并传递到储热箱内，混合纳米增强相变材料开始熔化；
步骤S2：打开控制箱开关，将磁铁升至指定位置，产生非均匀磁场；
步骤S3：复合相变材料中的磁纳米颗粒在磁场力作用下被吸附在固液界面上，形成导热层；
步骤S4：当储热箱右下角测温点Ti大于相变温度时，开启超声波换能器，同时磁铁降至指定位置；
步骤S5：在超声场作用下，利用空化效应将磁性纳米颗粒均匀分散在液相复合相变材料中；
步骤S6：当超声波的加载时间到达设定值后停止，水泵启动，使冷水以一定流速进入热交换管，被储热箱加热成热水后，进入储水箱中储存；
步骤S7：当热水进入储水箱时，位于储水箱夹层内的相变材料熔化，吸收热量，当热水温度低于相变温度时，相变材料凝固放热，以维持储水箱内的水温。
作为本发明的优选方案，在步骤S4中，如果监测点的温度Ti小于相变温度，则重复步骤S3至步骤S4。
本发明的工作过程和原理是：本方案利用磁性纳米颗粒的磁场可控性与非磁性纳米颗粒的高导热性组成混合纳米增强相变材料。磁性纳米颗粒在相变过程中不断地被吸附在熔化界面上以强化界面处的导热性，同时非磁性纳米颗粒提高了液相区的传热效率，从而促进了整体的熔化进程。当复合相变材料完全熔化后，潜热值吸收最大，此时利用超声场恢复混合纳米颗粒的分散性来实现系统的可循环利用。在白天不断吸收热量并储存热水，在晚间利用储存的热水进行使用，同时储水箱内壁包含一层相变材料，其可保证水温的稳定性。本方案能够进一步提高太阳能热能储存效率，改善能量供应的稳定性，具有制造简单，成本低的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统结合主动与被动强化技术，利用非磁性纳米颗粒的高导热特性与磁性纳米颗粒的磁场可控性制备出高分散性与高稳定性的混合纳米增强相变材料。在外磁场的作用下，磁性纳米颗粒向磁场梯度增大方向移动，并被吸附在相变界面上，形成一层导热层以促进热量在界面处的传递。
(2)本发明所提供的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统可面向太阳能背景下的潜热储能技术的研发，提升外场与太阳能耦合作用下磁性混合纳米增强相变材料的相变传热储热性能。
(3)本发明所提供的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统还具有结构紧凑、操作简便和储热效率高等优点。
(4)本发明所提供的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统可有效提高太阳能热能储存效率，改善能量供应的稳定性。
附图说明
图1是本发明所提供的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统的结构示意图。
图2是本发明所提供的热交换板的结构示意图。
图3是本发明所提供的复合相变材料的相变过程示意图。
图4是本发明所提供的控制箱的结构示意图。
图5是本分阿明所提供的用于控制耦合调控系统的流程图。
上述附图中的标号说明：
1-集热器，2-储热箱，3-控制箱，4-复合相变材料(磁性混合纳米增强相变材料)，5-热交换板，6-储水箱，7-磁铁，8-超声波换能器，9-温度传感器(热电偶测温点)，10-进水端，11-水泵，12-相变材料，13-热交换管，14-磁性纳米颗粒，15-固液界面，16-开关，17-超声波发生器，18-升降控制器，19-升降台，S-南极，N-北极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1至图5所示，本实施例公开了一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，主要包括集热器1、储热箱2、复合相变材料4、热交换板5、磁铁7以及超声波换能器8。
具体的，所述集热器1设置在储热箱2的左侧，用于向储热箱2传递热量。所述复合相变材料4填满储热箱2内部，用于吸收集热器1的热量。所述复合相变材料4采用磁性混合纳米增强相变材料，由相变材料12与磁性纳米颗粒材料14、非磁性纳米颗粒材料混合制备而成(三种材料的选择与混合比根据系统供需条件而定)。所述磁铁7可升降地设置在储热箱2的右侧，为复合相变材料4提供非均匀磁场(南极S、北极N)。所述热交换板5设置在储热箱2的后侧，用于吸收复合相变材料4的热量。所述超声波换能器8设置在储热箱2下方，释放超声波并在复合相变材料4内产生空化效应，进而在液相磁性混合纳米增强相变材料中产生大量空化气泡，并且随着气泡孕育至爆破，会将液体中纳米颗粒的团聚体打散，从而提高整体的分散性，为下一轮复合相变材料4传热储热创造有利条件。
作为本发明的优选方案，所述磁铁7能够产生非均匀磁场，当固相复合相变材料4吸收热量后逐渐熔化成液体，处于液相磁性混合纳米增强相变材料中的磁性纳米颗粒14在磁场力的诱导下沿着磁场梯度方向移动，最终附着在固液界面15上形成一层导热层。由于磁性纳米颗粒14具有高导热性，其会强化界面15处的传热性能从而加快固相复合相变材料4的熔化速度，以提高系统整体的储热效率。使用非均匀磁场的好处在于其有利于将磁性纳米颗粒14吸附在固液界面15上，而使用均匀磁场只能使磁性纳米颗粒14沿着磁场方向形成长链状纳米颗粒条，对固液界面15处的强化传热效应影响较小，且链状效应容易受到温度影响，导致导热效果减弱。
进一步的，为了提高热量的转化吸收率，本发明所述热交换板5内还设有热交换管13和水泵11。所述热交换管13采用U型管结构。所述水泵11设置在热交换管的进水端。
进一步的，为了最大程度保持储水箱6内的水温，本发明所述耦合调控系统还包括储水箱6和相变材料12。所述储水箱6与热交换板5的出水端连通，储水箱6的内部设有用于存储相变材料12的夹层。所述相变材料12填满储水箱6的夹层。
进一步的，为了有效提高系统的储热效率以及操作灵活性，本发明所述耦合调控系统还包括控制箱3、温度传感器9、超声波发生器17、升降控制器18以及升降台19。所述控制箱3设置在储热箱2的下方。所述超声波换能器8设置在控制箱3内，并与超声波发生器17连接。所述温度传感器9设置在储热箱2底部且位于远离集热器1的一侧，并与控制箱3连接。所述升降控制器18与升降台19连接，所述升降台19的驱动端与磁铁7连接并驱动磁铁7上下升降。工作时，打开控制箱3开关16，磁铁7在升降台19带动下升至储热箱2右侧。储热箱2内磁性混合纳米增强相变材料(复合相变材料4)随着吸收由太阳能集热器转换而成的热能而不断升温熔化，待位于储热箱2右下角的热电偶监测到该区域温度高于复合相变材料4的相变温度时(由于该区域为储热箱最低温度区域，当该区域温度高于相变温度，则说明箱内的复合相变材料4均已熔化为液态)，触发超声波发生器17与升降控制器18开关，此时，超声波被启动，而磁铁7下降至初始位置，待到达设定时间时，超声自动停止，控制箱3开关16恢复关闭状态。
作为本发明的优选方案，所述温度传感器9采用热电偶。
作为本发明的优选方案，所述超声波换能器8采用矩阵式布置排列。
进一步的，所述控制箱还包括用于控制耦合调控系统的开关16；所述开关16设置在控制箱3的前侧面板上。
本发明还公开了一种基于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统的控制方法，该方法包括如下具体步骤：
步骤S1：集热器1将太阳的辐射能转换成热能并传递到储热箱2内，混合纳米增强相变材料开始熔化；
步骤S2：打开控制箱3开关16，将磁铁7升至指定位置，产生非均匀磁场；
步骤S3：复合相变材料4中的磁纳米颗粒14在磁场力作用下被吸附在固液界面上15，形成导热层；
步骤S4：当储热箱2右下角测温点Ti大于相变温度时，开启超声波换能器8，同时磁铁7降至指定位置；
步骤S5：在超声场作用下，利用空化效应将磁性纳米颗粒14均匀分散在液相复合相变材料4中；
步骤S6：当超声波的加载时间到达设定值后停止，水泵11启动，使冷水以一定流速进入热交换管13，被储热箱2加热成热水后，进入储水箱6中储存；
步骤S7：当热水进入储水箱6时，位于储水箱6夹层内的相变材料12熔化，吸收热量，当热水温度低于相变温度时，相变材料12凝固放热，以维持储水箱6内的水温。
作为本发明的优选方案，在步骤S4中，如果监测点的温度Ti小于相变温度，则重复步骤S3至步骤S4。
本发明的工作过程和原理是：本方案利用磁性纳米颗粒14的磁场可控性与非磁性纳米颗粒的高导热性组成混合纳米增强相变材料。磁性纳米颗粒14在相变过程中不断地被吸附在熔化界面15上以强化界面处的导热性，同时非磁性纳米颗粒提高了液相区的传热效率，从而促进了整体的熔化进程。当复合相变材料4完全熔化后，潜热值吸收最大，此时利用超声场恢复混合纳米颗粒的分散性来实现系统的可循环利用。在白天不断吸收热量并储存热水，在晚间利用储存的热水进行使用，同时储水箱6内壁包含一层相变材料12，其可保证水温的稳定性。本方案能够进一步提高太阳能热能储存效率，改善能量供应的稳定性，具有制造简单，成本低的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，包括集热器、储热箱、复合相变材料、热交换板、磁铁以及超声波换能器；
所述集热器设置在储热箱的左侧，用于向储热箱传递热量；所述复合相变材料填满储热箱内部，用于吸收集热器的热量；所述复合相变材料采用磁性混合纳米增强相变材料，由相变材料与磁性纳米颗粒材料、非磁性纳米颗粒材料混合制备而成；所述磁铁可升降地设置在储热箱的右侧，为复合相变材料提供非均匀磁场；所述热交换板设置在储热箱的后侧，用于吸收复合相变材料的热量；所述超声波换能器设置在储热箱下方，释放超声波并在复合相变材料内产生空化效应。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述磁铁能够产生非均匀磁场。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述热交换板内还设有热交换管和水泵；所述热交换管采用U型管结构；所述水泵设置在热交换管的进水端。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述耦合调控系统还包括储水箱和相变材料；所述储水箱与热交换板的出水端连通，储水箱的内部设有用于存储相变材料的夹层；所述相变材料填满储水箱的夹层。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述耦合调控系统还包括控制箱、温度传感器、超声波发生器、升降控制器以及升降台；所述控制箱设置在储热箱的下方；所述超声波换能器设置在控制箱内，并与超声波发生器连接；所述温度传感器设置在储热箱底部远离集热器的一侧，并与控制箱连接；所述升降控制器与升降台连接，所述升降台的驱动端与磁铁连接并驱动磁铁上下升降。
6.根据权利要求5所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述温度传感器采用热电偶。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述超声波换能器采用矩阵式布置排列。
8.根据权利要求1所述的用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统，其特征在于，所述控制箱还包括用于控制耦合调控系统的开关；所述开关设置在控制箱的前侧面板上。
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| CN202210929671.0A Active CN115355626B (zh) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | 一种用于太阳能储热的磁场和超声场耦合调控系统 |
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| CN (1) | CN115355626B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0012053D0 (en) * | 2000-05-18 | 2000-07-12 | Youds Mark W | Formulae, methods and apparatus for the: treatment of; processing of; pasteurisation; dissociating water in; and the communication of: materials; |
| CN102252939A (zh) * | 2010-05-21 | 2011-11-23 | 广州标际包装设备有限公司 | 一种测试高阻隔性薄膜透气性的测试装置 |
| CN111453936A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-28 | 上海巷西环境科技有限公司 | 一种多能场全效反应生态耦合系统 |
| AU2021100025A4 (en) * | 2021-01-05 | 2021-04-15 | Beibu Gulf University | Phase-change Energy Storage Solar Panel and Preparation Method Therefor |
-
2022
- 2022-08-02 CN CN202210929671.0A patent/CN115355626B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0012053D0 (en) * | 2000-05-18 | 2000-07-12 | Youds Mark W | Formulae, methods and apparatus for the: treatment of; processing of; pasteurisation; dissociating water in; and the communication of: materials; |
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| AU2021100025A4 (en) * | 2021-01-05 | 2021-04-15 | Beibu Gulf University | Phase-change Energy Storage Solar Panel and Preparation Method Therefor |
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| Publication number | Publication date |
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| CN115355626B (zh) | 2024-04-16 |
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