一种废热发电装置及电池储能系统的制作方法

本发明涉及一种能源回收利用技术领域，特别涉及对废热进行回收利用发电的一种废热发电装置和电池储能系统。

背景技术：

随着国家节能减排政策的推进，高耗能产业和企业对节能装备和技术利用的重视程度越来越深。政府应积极落实节能环保的各项优惠政策，加大对企业低温余热利用项目的金融支持。虽然现有的储能方案在各种不同的高质量的废热利用中发挥很大的作用，但高温废热的储能方案对低温是不适用的，不能产生经济价值。

目前大型工厂和企业产生的低温废热可以通过一些低温发电机组回收利用。这些机组可以提高整体发电效率。可是中国总体能源利用率只有33%左右。然而仍有三分之二的能源能源在工业生产中被直接拍走浪费掉。即使现有的技术能够对低温废热进行回收，但是由于成本高，并网难等问题。实际应用率也低的可观。尤其是非大型工业环境中的低温废热的利用率很低，在工业区的大型设备无论从造价和对环境产生的噪音等，都是不合时宜的。

目前对低温废热的利用方法，比如加州大学柏克莱分校材料科学与工程学副教授lanemartin领导的团队现在采用不同方法，开发出可从热电转换过程中收集废热并转化成电力的纳米材质薄膜。随在实验室中的能量密度和功率密度都刷新了现有记录。可是在实际应用的过程中会受到温度的限制，或者在某一范围内才产生理想效果。

因此相对于工业区，电子设备相对集中的办公区，或者是大型数据中心等非工业区，低温废热的产生和浪费也很严重，然而这却是很多人忽视了地方。对于这些用户和业者，这些能源的浪费就会直接产生高额的运行费用。分布式清洁能源-储能-区块链技术的结合是未来能源发展的方向。目前来说新能源只能通过电池储能，已有的方法有通过记忆材料产生形变带动液压设备储能后再发电，能量转换之间都会产生效率损失。而且电池储能的成本高于传统的抽水蓄能。如果储能设备不经济实用，那么对新能源的推动将会是一个巨大的阻碍。因此此亟待开发出一种能有效利用低温废热的且经济实用的废热回收利用技术。

发明技术内容

本发明旨在提供一种结构简单，经济方便实用的有效利用的一种废热发电装置和电池储能系统。

本发明的目的之一在于提供一种废热发电装置，包括装置本体，所述装置本体包括换热区和发电区，所述换热区包括一气体通过空间，所述形状记忆材料贯穿设置于所述换热区和所发电区，所述压电材料设置于所述发电区，所述形状记忆材料和所述压电材料均固定于传动连接器上，形状记忆材料在受热和冷却的过程产生形变，由所述形状记忆材料的形变产生的压力通过所述传动连接器带动压电材料产生电能，其中所述形状记忆材料为形状记忆金属或形状记忆合金，所述压电材料为压电陶瓷、压电铁电性材料、压电聚合物、压电复合材料中的一种后几种组合制成。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述传动连接器上设置有用于放置所述形状记忆材料的第一通道，和用于放置所述压电材料的第二通道，所述第一通道和所述第二通道相连通且呈90度夹角。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述压电材料平行间隔设置有多组，进行多点联动发电。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述换热区通过废气热源控制热气流动，通过室温空气进行降温，通过控制气体通过和绕过换热区使形状记忆材料在受热和冷却的过程产生形变，并通过传动连接器带动压电陶瓷产生电流。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述压电材料为压电陶瓷，所述形状记忆材料为形状记忆合金。优选为镍钛形状记忆合金。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述换热区所述发电区之间设置有隔热层，所述隔热层的材质为绝热石墨材料。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述废热发电装置设置有多组，沿着废气排放方向进行分布。

本发明的另一目的在于提供一种电池储能系统，包括废热收集装置，用于收集包含有低温废热的废气；废热发电装置，用于通过记忆材料将废热中的热能转换为形状记忆材料的形变，通过压电材料将记忆材料的形变做功转换为电能；电能变换装置，用于将压电发电装置转换的电能进行回收和还原变换；储能装置，用于储存经电能变换装置回收和还原变换后的电能，其中所述废热发电装置为上述任一所述废热发电装置。

进一步地，本发明的电池储能系统，所述储能装置为电池集装箱。

进一步地，本发明的电池储能系统，所述电池集装箱的电池为回收蓄电池。

有益效果：本发明的废热发电装置结构简单，经济方便实用，可分布式扩展，能够有效利用废气中的废热来发电，特别适合于非工业低温废热的利用。利用形状记忆材料的双程记忆效应，在低于相变温度下的塑性形变后再加热可以恢复到形变前的原始状况对压电材料进行做功而将热能转换成电能。因为压电材料的反应速度很快，而形状记忆材料反应时间和热循环的周期比较长，所以大量的工作花在减少镍钛记忆金属热循环工作周期上，这样可以极大地提高能量转换效率。而且压变需要的形变比不是特别大，所以记忆金属的变形都在线性范围内。使得热能进行电能转换的控制更加精准。目前的这套设计方案是对于废气的利用。

本发明的电池储能系统通过和电池集装箱的集成，减少了其现有技术中储能后再发电的过程；过程的简化直接的增加了整个系统的转换效率。而且通过技术处理回收的蓄电池做成蓄电池集装箱，极大的减少了储能设备的费用。本发明将热能回收利用和储能蓄电池回收利用相结合，大大提升了在低温废热的利用方面的效率和经济价值。具有低成本，稳定性强的特点，对环境没有任何污染。由于设备的制造成本相对于其他整体的大型设备便宜，因为是模块化，所以模块的集成度完全取决于用户的废热规模。专利设计的记忆金属形变的范围都严格控制在现行变形范围内，所以主要部件的使用寿命会持续20年以上。而且因为运动部件部件完全是由热力推动，所以不会产生环境噪音。与蓄电池集装箱组成局部储能系统，不需要解决入网的问题。

附图说明

图1、本发明的废热发电装置的结构示意图。

图2、形状记忆材料的热应变曲线。

附图标记：1、（装置本体的）壳体，2、换热区，3、发电区，4、形状记忆材料，5、传动连接器，6、压电材料，7、绝热石墨材料。

具体实施方式

废热发电装置是整个电池储能系统中最重要的一部分。下面结合说明书附图对本发明中废热发电装置进行详细说明。

如图1、2所示，本发明的一种废热发电装置，包括装置本体，所述装置本体包括换热区2和发电区3，所述换热区2包括一气体通过空间，所述形状记忆材料4贯穿设置于所述换热区2和所发电区3，所述压电材料6设置于所述发电区3，所述形状记忆材料4和所述压电材料均固定于传动连接器5上，形状记忆材料4在受热和冷却的过程产生形变，由所述形状记忆材料4的形变产生的压力通过所述传动连接器5带动压电材料产生电能，其中所述形状记忆材料4为形状记忆金属或形状记忆合金，所述压电材料6为压电陶瓷、压电铁电性材料、压电聚合物、压电复合材料中的一种后几种组合制成。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述传动连接器5上设置有用于放置所述形状记忆材料4的第一通道，和用于放置所述压电材料6的第二通道，所述第一通道和所述第二通道相连通且呈90度夹角。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述压电材料平行间隔设置有多组，进行多点联动发电。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述换热区2通过废气热源控制热气流动，通过室温空气进行降温，通过控制气体通过和绕过换热区2使形状记忆材料4在受热和冷却的过程产生形变，并通过传动连接器5带动压电陶瓷产生电流。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述压电材料为压电陶瓷，所述形状记忆材料4为形状记忆合金。优选为镍钛形状记忆合金。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述换热区2所述发电区3之间设置有隔热层，所述隔热层的材质为绝热石墨材料7。

进一步地，本发明的废热发电装置，所述废热发电装置设置有多组，沿着废气排放方向进行分布。

本发明的另一目的在于提供一种电池储能系统，包括废热收集装置，用于收集包含有低温废热的废气；废热发电装置，用于通过记忆材料将废热中的热能转换为形状记忆材料4的形变，通过压电材料6将记忆材料的形变做功转换为电能；电能变换装置，用于将压电发电装置转换的电能进行回收和还原变换；储能装置，用于储存经电能变换装置回收和还原变换后的电能，其中所述废热发电装置为上述任一所述废热发电装置。

进一步地，本发明的电池储能系统，所述储能装置为电池集装箱。

进一步地，本发明的电池储能系统，所述电池集装箱的电池为回收蓄电池。

如图2所示，形状记忆材料4和其他材料一般金属、超弹性材料相比，由于形状记忆材料4(（形状记忆金属或形状记忆合金，优选镍钛形状记忆合金）)具有双程记忆效应，在加热的时候恢复高温相形状，冷却时又回复低温相形状。与电机等原件相比的优势非常明显，结构也非常简单，通过形状记忆材料4的热弹性相变直接输出位移和力，而不需要传动机构。最大的优点是无污染和噪音，可以在不产生摩擦和噪音的状态下工作。而且在经过多个循环以后，其应力应变性能就会稳定下来。压电材料6优选压电陶瓷，而且目前最好的压电陶瓷材料的制动应变比最传统的压电陶瓷性能提高了6倍左右。其中所述压电材料6优选为形状记忆合金，特别是镍钛形状记忆合金，其优势在于单位质量的形状记忆合金所做的功的比例很大。其中通过镍钛形状记忆合金和压电陶瓷的优化选择，使得制动应变的性能更加接近，能很好控制热电循环时间，把发电效率达到了最大化。

废热发电装置包括装置本体，装置本体分为两个主要部分，上部分为换热区2，也即形状记忆材料4（优选形状记忆金属或形状记忆合金，更优选镍钛形状记忆合金下边以形状记忆金属为例进行说明）相变区，下部分为发电区3，也即压电陶瓷以及压电材料（优选压电陶瓷）和形状记忆材料4与传动连接器5的传动区。换热区2通过废气热源控制热气流动，利用室温空气进行降温。通过控制气体通过和绕过换热区2使形状记忆材料4在受热和冷却的过程产生的形变，通过传动连接器5带动压电陶瓷产生电流。产生的电流经过调整储存到储能装置。整个装置和系统可以根据用户的使用需求可以进行扩大和缩小。

换热区2的优化包括两部分，一部分是把换热区2和发电区3做好绝热，防止因为散热造成系统的能量损失和干扰正常的传动。另外一部分通过控制换热区2形状记忆材料4的加热和冷却周期和形变速率，来实现发电最大化来控制热流的加热和冷区周期，使得形状记忆材料4的形变速率达到最优，从而实现发电最大化。压电陶瓷组可以根据废热的系统特性进行调整。本发明的废热发电装置及电池储能系统可以设置为多组，沿着废气排放方向进行分布，只要温度满足要求达到预定蓄电的目标即可。

形状记忆材料4和传动连接器5采用物理方法固定，而且将两者完全分离开，通过传动连接器5进行过渡连接使得敏感元件得到充分的保护，而且在经过有限元和流体力学模拟分析后，将瞬态传热和材料属性的热周期性做了详尽的分析，也使得能量转换达到最佳值，即使需要替换也比焊接更为容易操作。改进后的方法增加了运行的稳定度，减少了加工的成本。

形状记忆材料4和压电陶瓷组的结合及其传动方式突出在一下三个方面：

第一方面，避免了传统固定中将形状记忆材料4和压电材料都是制成夹层的复合板形式带来的设计电流输出的数值比较小，对于面向废热储能来说就不够的问题。本发明采用形状记忆材料4制动应变大于压电陶瓷的性能，将压电陶瓷做成模块的形式，这样通过联动装置可以多点发电，来增加发电量。本设计采取了最简单的线状形状记忆材料4，这在生产和工艺的要求和成本都降低了。

第二方面，避免了传统固定中传统的形状记忆材料4和压电陶瓷绑定的方式使得两者都暴露在废气环境中，由于废气的化学成分很复杂，废气中的水蒸气或者其他腐蚀性气体在温度降低的过程会对工作部件造成很大的损害的问题。

第三方面，避免了传统的焊接方式会因为形状记忆材料4成分的复杂性带来的在焊接点出现疲劳和断裂的情况，由于不同形状记忆材料4之间的焊接会有很大的挑战性，对于形状记忆材料4这种特殊的材料来说就显得尤其重要，尤其是这个部件要进行上百万次的加热和领取额的热循环。焊接的方法虽然简化了生产步骤，可是性能并不能保证。系统的稳定和在设计的范围内运转是保证经济型的一个重要因素。