本发明涉及一种储能系统，具体涉及的是一种为强化相变换热，提高储能效率而设计的具有分形网格金属泡沫结构的强化相变储能系统。
背景技术：
多数能源应用系统中，都会出现能源的供应和使用在时间上不匹配的问题，能量储存可以缓解这种能源供应与需求之间矛盾。常见的能量储存方式有显热储能、潜热储能、化学储能。其中，潜热储能具有贮能密度大，吸、放热过程在等温下进行等优点。因此，相变储能技术常常被用于电力的“移峰填谷”领域。
液体相变储能换热器是目前应用较为广泛的相变储能设备，在用电谷期，关闭载冷剂的进出口管道上的阀门，储能设备通过电热管加热箱体内不流动的载冷剂，将热量通过载冷剂传递给密封在储能体中的相变材料后，后者发生相变，将电能以热能的方式储存。用时打开载冷剂进出口管道上的阀门，通温度较低的载冷剂，使其被加热以供使用，该设备实现了谷电峰用，有效地缓解了能源供应和需求之间的矛盾。目前使用的储能元件内常用的相变介质虽然有很好的储能能力，但仍存在设备中储能块与载冷剂的位置布置不合理、储能块自身结构的不合理等问题，造成了目前的储能设备仍存在相变换热相率低，充放热时间长的问题。因此为了提高相变储能装置的相变换热效率，迫切需要一种新型高效的相变储能装置。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种具有分形网格金属泡沫结构特征的相变储能系统，该储能系统的储能装置利用分形网格结构优化了热流通道，改善了储能装置内的导热性能，提高了储能系统的储能效率，更好的达到了节电和节能的目的，同时使储能系统的结构更加紧凑，提高了空间利用率。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种分形网格金属泡沫强化相变储能系统，包括保温结构、箱体、储能装置以及加热装置，其特征在于：所述保温结构为真空保温壳体；所述箱体放置于所述真空保温壳体内，在所述箱体顶部设置有载冷剂输入管和载冷剂输出管；所述储能装置由储能体和其内填充的相变材料构成，所述储能体设置在所述箱体内部的上下两侧，在所述箱体内通过所述储能体形成一s型载冷剂流道，所述载冷剂输入管位于所述s型载冷剂流道的入口，所述载冷剂输出管位于所述s型载冷剂流道的出口；所述储能体内部填充分形网格金属泡沫结构，在所述分形网格金属泡沫结构的间隙中填充相变材料；所述分形网格金属泡沫结构由多级十字形金属肋片构成，第n级十字肋片将n-1级所述分形结构形成的最小孔隙四等分，其中2≤n＜n，n为整数；各级金属肋片厚度tn＝rtn-1t0，rt为比例常数，0≤rt≤1，t0为储能体第一级分形结构金属肋片厚度。
所述加热装置包括主电加热器和辅助电加热器，所述主电加热器布置在所述箱体的底部，所述辅助电加热器布置在所述载冷剂输出管的外部。
所述真空保温壳体由真空桶和真空桶盖组成。
所述真空桶和真空桶盖均为双层中空结构，其中填充固体粉末；所述真空桶桶体底部填充固体纤维。
所述储能体之间的距离从载冷剂入口处到载冷剂出口处逐步增加。
在所述储能体外表面设置有用于加强载冷剂扰动以强化换热的凹槽。
主电热管均布于箱体的底部，辅助电热管安装于载冷剂的输出管上，在电力使用的谷期，载冷剂的输入和输出管阀门关闭，主加热器开始工作，加热箱体内的载冷剂使之达到相变材料的熔点，此时相变材料由外向内融化，储存热能；在电力使用的峰期，主加热器停止工作，载冷剂输入输出管阀门打开，储能体中的相变材料在由外向内发生凝固释放热量给温度较低的载冷剂，若有载冷剂温度达不到要求的情况出现，启动位于载冷剂的出口管道上的辅助加热器来辅助加热。
保温结构由真空桶和真空桶盖组成，真空桶和所述的真空桶盖为双层中空结构，在其内部空腔中填充固体粉末并保持一定真空度，所采取的这种真空粉末绝热技术要求的真空度不高，比传统多层绝热方法更为简单和方便，真空桶的桶体底部填充固体纤维以增强桶底的承重能力。
金属泡沫凭借其比表面积大、孔隙率大、导热率大等优点受到关注。因此，本发明在储能体中加入泡沫金属，以达到强化相变材料与载冷剂之间的传热、提高储能效率的目的。
另外，受分形理论成功应用于传热优化设计问题的思想启迪，本发明对传统不规则金属泡沫填充物进行改进，将其设计为具有柱状孔隙的分形网格金属泡沫，意在通过分形结构优化热流通道，实现热量的快速扩散，保证相变储能装置的快速吸放热。
有益效果
本发明一种分形网格金属泡沫强化相变储能系统。该储能系统使用真空粉末绝热桶做保温结构，可有效减少储能系统运行过程中的能量损失；其内焊接储能体，将箱体分隔成为多层结构，以实现载冷剂的多流程流动，从而使储能体与载冷剂之间充分换热；储能体内部为分形网格金属泡沫结构，分形结构的运用优化了热流通道，从而强化了储能体内部的相变传热，达到了快速吸放热量的目的。
附图说明
图1本发明的分形网格金属泡沫储能系统的二维截面正视图；
图2本发明的分形网格金属泡沫储能系统中储能体的内部分形网格示意图；
图3本发明的分形网格金属泡沫储能系统中储能体内部分形网格结构生成过程示意图；
图4不同rt和t0的分形网格结构的对比图；
图5内填金属网格泡沫的储能体；
图6普通结构储能体；
图7三种结构储能体内液相率随时间变化；
图8三种结构储能体内传热量随时间变化；
图9各时间点三种结构固液界面对比图；其中，a为5分钟时三种结构内部固液界面对比图；b为10分钟时三种结构内部固液界面对比图；
其中，1.真空桶；2.真空桶盖；3.箱体；4.载冷剂；5.储能体；6.相变材料；7.主加热器；8.辅助加热器；9.固体粉末；10.固体纤维毯。
具体实施方式
下面结合附图作进一步的描述：
图1给出了分形网格金属泡沫强化相变储能系统的整体示意图。是由真空桶1；真空桶盖2；箱体3；载冷剂4；储能体5；相变材料6；主加热器7；辅助加热器8；固体粉末9；固体纤维毯10构成，为了减少热量的散失，载冷剂出入管外包裹泡沫塑料保温材料。储能罐体3放置于真空桶内部，在真空桶盖2上预留两个孔洞，便于穿过载冷剂4的流入管和流出管。
图2给出了储能体5的内部结构示意图，储能体为板式中空结构，内部被十字形金属肋片分隔出许多长方体空腔，在空腔内填充相变材料6并密封。储能体依次安装在箱体内部的上下两侧，在箱体内部形成载冷剂4的多回程流道。储能体内部填充分形网格金属泡沫，该分形网格金属泡沫结构的具体生成方式如图3所示。
图3给出了储能体内部分形网格金属泡沫结构的生成示意图，该分形结构由多级十字形金属肋片构成，包含n(n≥2，n为整数)级，第n+1级十字肋片将n级分形结构形成的最小单元孔隙四等分，其中2≤n＜n，各级金属片厚度tn＝rtn-1t0，rt为常数，0≤rt≤1，t0为中间部分最厚的金属板的厚度，金属肋片在储能体的内部形成4n个体积相等的长方体空腔。
图4给出了不同参数下生成的分形网格金属泡沫的结构对比示意图。
在储能过程中，载冷剂4不发生流动，主加热器7加热载冷剂4使相变材料6发生融化，储存热量。在放热过程中，载冷剂4在储能装置内流动，吸收来自储能体5的热量，在热能供应不足的情况下启动辅助加热器8。
采用控制容积的有限差分法编写程序对本发明分形网格金属泡沫强化相变储能系统的凝固放热过程进行了模拟，同时也模拟了相同工况下具有相同孔隙率的没有肋片的储能块的凝固过程，对各个时间点两种不同结构储能体内部液相率与传热量进行对比，并对个别具有代表性的时间点两种种结构中固液界面进行了对比，以验证本发明的可靠性。
几何模型
分形结构金属网格结构的模型如图5所示，其模型边长为208mm，其外壳厚度为4mm，中间部分最厚的金属片厚度t0为4mm，上下级金属片之间的厚度比rt为0.613，第二级金属片厚度t1为2.452mm，第三级金属片厚度t2为1.504mm；普通储能体模型如图6所示，边长为208mm，外壳厚度为11.6mm。两种模型的总面积相等，均为43264mm2，且模型中金属框架面积也相等，均为9113mm2。
数学模型
为了简化储能介质在储能体中的凝固过程，在模拟过程中进行了以下假设
(1)金属外壳和其内金属肋片是各向同性的并且其热导率为常数。
(2)相变材料充满储能体的内部，并且相变材料在整个模拟过程中只存在固相或液相。
(3)当相变材料是固相或者液相时具有各向同性且其热物性稳定为常数。
利用焓法，得到下面的控制方程：
式中ρ为密度，h表示焓；t表示热力学温度；λ表示导热率；τ表示时间，x和y分别表示水平方向和竖直方向。此公式在固体骨架和相变材料中都适用。
对于固体骨架来说，式(1)中的焓值h可由下列公式得出：
h＝cbt(2)
(2)式中cb是固体基质的定压比热容；
在相变材料凝固过程中焓值的计算公式如下：
式中下标s和下标l分别表示固相和液相的物性；c为比热容，g为液相体积占储能介质总体积的比值；l为水的相变潜热，tref为对比温度。
边界条件
为通过对比测试分形网格结构储能体的传热性能，两种模型的边界条件相同：四边均采用定温边界条件，边界温度设置为-20℃。两种模型的初始温度均设置为10℃。
模拟结果分析
图7和图8中分别给出了两种模型的液相率和传热量随时间变化的曲线。由图可以看出随着时间增大，储能体内部液相率不断减少，一段时间后，在同一时刻下，具有分形网格结构的储能体液相率更低，传热量更高，在开始冷却十分钟时，分形网格结构的储能体液相率比普通结构的储能体的液相率低50.5％。由此可知：具有分形网格结构的储能体具有更高的相变换热效率。究其原因，可能是由于分形结构优化了热量的流通通道，从而加快了热量从内向外的散失，从而增强了相变换热的效率。
图9中给出了不同时刻具有分形结构和不具有分形结构储能块的固液界面的对比，从图中我们可以更加直观的看到具有分形网格结构的储能块具有更好的储能效率。