专利名称：可用于高压电源的纳米电热蓄能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电加热蓄能领域，特别是涉及一种可以用于高压电源的电加热蓄 能装置。
二、背景技术电能是一种高效、洁净的能源，一百多年来世界各国都在积极扩大电能的使用。但 在电能的使用上也存在一定的问题，电力不能储存，必须随发、随供、随用，因此电网普遍存 在着较大的峰谷负荷差。我国是一个能源供应十分紧张的国家，也是世界上电负荷最大的 国家，政府虽用了大量的财力建设电厂，仍满足不了每年用电增长的需要。但全国发电利用 小时数却逐年下降，发电能力未能充分利用，有些新投产机组甚至处于基本闲置状态，存在 用电高峰负荷增长很快，电网负荷率逐年下降，峰谷差很大等问题。全国有数十GW的装机 每年仅在负荷高峰运行数百小时，造成发电资源很大闲置，而在电网低谷时又要停掉很多 机组。频繁停机不仅增加能耗，而且影响机组寿命。而通过削峰或移峰填谷新技术，将高峰需求尽可能抑制到最低或转移高峰需求， 对能源有效利用、减少发电厂投入、以及电网的经济运行都有好处。因此，电热蓄能技术做 为电网削峰填谷、节能减排的一项技术手段得到推广和应用。但目前的技术及产品在使用上存在一定的问题1、加热元件寿命短；目前国内电热蓄能产品的加热方式基本上均采用电热丝、金属电热管或红外线方 式，因其散热面积及电流导电面积相对较小，加热元件寿命短，工作时间只有3000-4000 小时。2、转换效率和转换速率低；采用电热丝、金属电热管或红外线方式加热会使发热元件发光，加热过程中都会 有相当一部分电能转换成了光能，减低了电能转换成热能的效率，而且其散热的表面积也 较小，电能转换热能的速率也很低。3、低电压加热设计限制了电热蓄能项目的推广和应用；商住楼、居民小区、成规模的工业企业，一般均采用IOKV高压供电，但线路到达用 户后，多会经过低压配电变压器等设备转换成380v或220v低电压供其他电器使用，因此目 前的蓄能电热锅炉基本上均设计成采用380V或220V电能来加热。但是，电热蓄能需要在 6-8小时的低谷时段内，将全天需要的热能存储起来，就需要较大的电功率，多数用户的低 压配电设备容量有限，如果安装目前的电热蓄能锅炉，用户常常需要更换现有的部分或全 套供电设备，包括变压器、开关柜、控制柜和线路等，常常造成较大的额外支出。因此，由于 用户的低电压配电设备限制，形成了蓄能电热锅炉推广使用的瓶颈，制约了蓄能电热项目 的发展。4、已有的相变蓄能材料未考虑耐高电压设计，耐电压水平较低；非相变蓄热材料 蓄能密度相对低，蓄能装置体积较大；[0012]目前电蓄能的主要方式有潜热蓄能即相变蓄能，就是通过加热的方式使物质发生相变(如固态液态之间 的转化)，将相变时吸收热能储存起来，在需要时释放出去。显热蓄能物质由于自身温度的升高而将其加热的热能存储到物质里。相变蓄能最主要的优点就是蓄能密度高，但相变材料在其呈现液态时耐电压水平 较低，同时蓄热装置在蓄热材料设计时也未考虑采用高电压加热(如采用金属合金材料)， 使其蓄能装置无法采用高电压加热方式；少数企业为解决低电压加热方式对电热蓄能项目 的推广和应用的制约，而采用显热蓄能方式，因其蓄能密度相对较低而使产品体积庞大。
三、发明内容1、发明目的本实用新型提供一种可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其目的是为了解决 目前的技术及产品在使用上存在加热元件寿命短、电热转换效率和转换速率低、低电压设 计限制推广及相变蓄能材料耐电压较低等方面存在的问题。2、技术方案本实用新型是通过以下技术方案来实现的一种可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于该纳米电热蓄能装置由 蓄能组合单元构成，蓄能组合单元为以下三种结构形式之一a、蓄能组合单元为管状结构且两端封闭的加热管，加热管内壁或外壁带有纳米电 热材料层，纳米电热材料层与设置在加热管两端的导电电极相连接，加热管内部装有能够 相变的蓄热材料；b、该蓄能组合单元由容器、管状结构且通透的加热管和能够相变的蓄热材料构 成，通透的加热管设置在容器内且两端置于容器壁外用于加热和导热，在加热管和容器之 间装填有能够相变的蓄热材料；加热管的内壁或外壁带有纳米电热材料层，纳米电热材料 层与设置在加热管两端的导电电极相连接；C、该蓄能组合单元由容器、管状结构且通透的加热管和固体蓄热材料构成，加热 管设置在容器内、管的两端置于容器壁外用于加热和导热，在加热管和容器之间装填有固 体蓄热材料；加热管的内壁或外壁带有纳米电热材料层，纳米电热材料层与设置在加热管 两端的导电电极相连接。蓄能组合单元为多组，采用串联、并联或串、并联组合的连接方式。所述的加热管管内或管外设置有散热片，用于导热和散热。容器中的加热管设有多组。所述的容器内部或外部设置有散热片，用于导热和散热。3、优点及效果本实用新型提供一种由同时具有电加热、导热和蓄热功能一体化设计的蓄能组合 单元组成的可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，与现有技术相比，具有以下优点1、由于本方案大大增加了电流的导电面积和电热材料的散热面积，使电加热部分 元件的使用寿命由原来的几千小时达到了几万甚至十万小时以上，同时还大大提高了能 量转换的速率和效率。[0031]2、可根据需要采用220V-10000V电源直接对蓄能材料进行加热。通过蓄能组合单 元的组合、连接，电压在纳米电热材料的表面沿管状材料的轴向方向均勻分布，相邻两点间 电压差极小，解决了多数相变材料耐电压性能较低，不能直接使用高电压加热的问题。3、可根据功率的大小、要求蓄能量的多少、使用的电压等级和现场空间尺寸等因 素，以蓄能组合单元为模数进行灵活的组合应用。4、各个单元的电气连接和导热风道可通过连接件采用并联、串联和串、并联混合 的方式连接。5、蓄热材料可根据需要采用无机材料和有机材料、相变材料和非相变材料、固体 材料和液体材料等多种性质的材料。
图1为本实用新型蓄能组合单元串联时整体结构示意图；图2为本实用新型的加热管结构示意图；图3为本实用新型的加热管剖视图；图4为本实用新型加热管外设置散热片时的剖视图；图5为本实用新型容器内外均设置散热片时的剖视图；图6为本实用新型实施方式之一的剖视图。
五具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的说明图中的标注1为蓄能组合单元，标注2为加热管，标注3为纳米电热材料层，标注 4为导电电极，标注5为能够相变的蓄热材料，标注6为散热片，标注7为容器，标注8为固 体蓄热材料。本实用新型提供了一种可用高压电源的纳米电热蓄能装置，该纳米电热蓄能装置 主要由一台或若干台蓄能组合单元1通过并联、串联和串、并联混合的连接的方式组合构 成，蓄能组合单元1为三种结构的形式第一种为单管变相蓄热材料的纳米电热蓄能组合单元；其结构是蓄能组合单元 1为管状结构且两端封闭的加热管2，如图2和3所示，加热管2采用具有耐高温、耐高电 压、耐腐蚀、绝缘性好、导热性良好的材料(例如陶瓷)所制成的；加热管2内壁或外壁带 有纳米电热材料层3，纳米电热材料层3与设置在加热管2两端的导电电极4相连接，加热 管2内部装有能够相变的蓄热材料5。由于纳米电热材料层3的作用，电压在相邻两点间电 压差极小，这样，多数相变材料耐电压性能较低、不能直接使用高电压加热的问题就好解决 了。所谓的能够相变的蓄热材料5，是电加热后能够从物质发生相变的过程中(如固态变成 液态)，吸收能量；待需要释放热能时，从逆向变化的过程中(如液态变成固态)，放出热量 的材料。通过连接200伏到10000伏的电压给加热管2两端的导电电极4，蓄能组合单元1 中的能够相变的蓄热材料5吸收能量加以储存，停止通电后电能转化成热能释放出去。第二种为箱体变相蓄热材料的纳米电热蓄能组合单元；其结构是蓄能组合单元 1由容器7、管状结构且通透的加热管2和能够相变的蓄热材料5构成，如图1、5所示；通透 的加热管2设置在容器7内，管的两端置于容器壁外用于加热和导热，在加热管2和容器7之间装填有能够相变的蓄热材料5 ；加热管2的内壁或外壁带有纳米电热材料层3，纳米电 热材料层3与设置在加热管2两端的导电电极4相连接；通过连接200伏到10000伏的电 源电压给加热管2两端的导电电极4，蓄能组合单元1中的能够相变的蓄热材料5吸收能量 加以储存，停止通电后电能转化成热能通过加热管2的管道释放出去。第三种为箱体固体蓄热材料的纳米电热蓄能装置；其结构是该蓄能组合单元1 由容器7、管状结构且通透的加热管2和固体蓄热材料8构成，如图6所示，通透的加热管2 设置在容器7内，管的两端置于容器壁外用于加热和导热，在加热管2和容器7之间装填有 固体蓄热材料8 ；加热管2的外壁带有纳米电热材料层3，纳米电热材料层3与设置在加热 管2两端的导电电极4相连接。通过连接200伏到10000伏的交流电压给加热管2两端的 导电电极4，蓄能组合单元1中的固体蓄热材料8吸收能量加以储存，停止通电后电能转化 成热能通过加热管2的管道释放出去。当需要存储的热能大时，本实用新型可以通过以蓄能组合单元1为模数的组合， 即蓄能组合单元1之间可以采用串联、并联或者串、并联相组合的连接方式；对单管变相蓄 热材料的纳米电热蓄能装置来说，根据实际提供电压的需要，将加热管2串联或并联起来； 对第二种、第三种的箱体纳米电热蓄能装置相连的接法是需要将每个蓄能组合单元1中的 加热管2相连通；通过风机将管路中的热量弓丨出。这样，就可以实现在200伏到10000伏电 压等级之间灵活组合、安装及应用，从而解决了显热蓄能密度低，潜热蓄能既相变蓄能难以 使用高压电源的问题。加热管2采用具有耐高温、耐高电压、耐腐蚀、绝缘性好、导热性良好的材料(例如 陶瓷)所制成的。图4所示，在加热管2的管内或者管外设置有散热片6，在加热管2管外 设置散热片6时，可以采用陶瓷、金属等材料，在管内设置散热片6时采用陶瓷材料效果最 好，也可以在管内和管外同时都设置散热片6。第二种和第三种的箱体采用绝缘材料制成的几何容器7和与几何容器7具有相同 性能或材质的加热管2，在容器7的容器内或外部也可以设置有散热片6。在容器外设置散 热片6时可以采用陶瓷、金属等材料，在容器内设置散热片6时采用陶瓷材料效果最好，也 可以在容器内和容器外同时都设置散热片6。本实用新型中所采用的蓄热材料可以根据实际需要采用无机材料和有机材料、相 变材料和非相变材料、固体材料和液体材料等多种性质的材料。例如，采用下列无机相变材 料1、无机相变材料一，采用粉末烧结工艺将相变材料Na2CO3和基体材料MgO进行复 合，制成一种新型高温复合相变蓄热材料.通过XRD和TG-DTA分析，结果表明由Na2CO3/ MgO构成的复合相变蓄热材料具有良好的化学相容性，在845°C时出现吸热峰.通过对其蓄 热密度的计算可知制备成的蓄热材料具有蓄热密度高的特点，能够实现高温相变蓄热。2、无机相变材料二，成分组成如下氯化钙4. 6%，氯化钠95. 4%，相变温度571摄氏度，制备成的蓄热材料具有蓄热 密度高的特点，能够实现高温相变蓄热。3、无机相变材料三，成分组成如下氯化镁50%，氯化钠50%，相变温度273摄氏度，制备成的蓄热材料具有蓄热密度 高的特点，能够实现高温相变蓄热。[0056]也可以采用有机相变材料如纳米石墨基相变储能复合材料具有储能密度高、导热换热效果优异、安全稳定、阻 燃和环境友好等优点。与现有的相变储能材料相比，纳米石墨基相变储能复合材料的导热 系数可以提高1 2个数量级，相变温度在-150 +1000C之间连续可调，储能密度可达 150 1000J/g 以上。本实用新型中用于电加热的纳米电热材料涂层3采用纳米硅导发热体材料效果 最佳，因为它是由含有金、银、钛、锡、钼、锑、钼、锰、镍、铬、锌、钠、铜、铝、硅、磷、硼、氯、氟、 碳等多种金属或非金属氧化物或卤化物为主的参杂溶剂，添加剂为辅的无机导电材料，视 载体材料和应用条件不同采用不同配方，配制后，再经9oo°c iioo°c的高温烧结反应生 成化合物，利用高温气相沉积法，其沉积在基体上即制成了纳米硅导加热管，可以根据客户 的需要生产出各种各样的产品。纳米硅导发热体是半导体材料在电热技术领域中的最新应 用和发展，突破和创新了传统电加热方式，具有如下特性1、安全；纳米加热管，发热体是采用高温、耐压、绝缘性能好的陶瓷管作为载体将纳米硅导 材料烧结在管内壁或外壁。电气强度可达5000V以上是正常使用220V电压的二十倍以上， 是正常使用380V电压十倍以上。泄漏电流是0. 02MA是国家标准要求彡0. 25MA泄漏电流 的十倍以上。不发红、无明火是一步到位无忧，放心的新产品。2、节能；纳米加热管，升温速度快，不发红、发热均勻，发热面是同等功率电阻丝发热面的 300倍，形成最大的导热面，提高发热速率通过电流分解技术合理使用高级能的电能。发热 体加热表面无炽热现象，无光能损失与载体溶为一体，提高热传导系数，纳米硅导发热体 材料比同等功率，电阻丝节能38%以上，热效率高达93%以上。3、环保；纳米加热管烧结上的硅导发热材料，物理特性和化学特性极为稳定，不挥发，具有 极强耐腐蚀性，将纳米加热管放入硫酸、盐酸、强碱溶液中长期浸泡，其物理性能和化学性 能不变，因此对环境无损害是一种无忧的绿色产品。4、健康；纳米加热管烧结的硅导发热材料在发热时发热体辅热的红外线峰值波长为7 15cm,属远红外线，有益人体健康。5、寿命长；纳米加热管其发热体，经过实际测试可连续工作5 10万小时，不发红、不发光使 用寿命是电阴丝寿命的十倍以上。6、高强度；纳米加热管硅导高温烧结后，具有高强度、硬度、其硬度可达8级(即黄玉的硬度) 用钢锉也无法损坏其表面，可见其耐磨性相当好。7、自限温特性；纳米加热管硅导发热材料它是一种半导体材料，具有自限温度的特性，它可以在1 伏至380伏之间，电压值和低度电压大电流情况下工作，也可以实现直流电压和电流。8、应用领域；[0074]纳米加热管硅导发热体的特性和分类，决定了有广泛的适用范围，它可应用于工 程建筑、石油化工、油田伴热加热、工业设备、家用电器、国防科技、航空航天、医疗设备、般 舶列车、汽车等各领域。本实用新型客服了以往相变蓄能材料耐电压较低、非相变蓄热材料蓄能密度低， 蓄能装置体积较大的缺点，采用纳米电热材料，使得加热元件寿命变长、提高了电热转换效 率和转换速率、结构合理简单，成本低，适宜推广应用。
权利要求一种可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于该纳米电热蓄能装置由蓄能组合单元(1)构成，蓄能组合单元(1)为以下三种结构形式之一a、蓄能组合单元(1)为管状结构且两端封闭的加热管(2)，加热管(2)内壁或外壁带有纳米电热材料层(3)，纳米电热材料层(3)与设置在加热管(2)两端的导电电极(4)相连接，加热管(2)内部装有能够相变的蓄热材料(5)；b、该蓄能组合单元(1)由容器(7)、管状结构且通透的加热管(2)和能够相变的蓄热材料(5)构成，通透的加热管(2)设置在容器(7)内且两端置于容器壁外，在加热管(2)和容器(7)之间装填有能够相变的蓄热材料(5)；加热管(2)的内壁或外壁带有纳米电热材料层(3)，纳米电热材料层(3)与设置在加热管(2)两端的导电电极(4)相连接；c、该蓄能组合单元(1)由容器(7)、管状结构且通透的加热管(2)和固体蓄热材料(8)构成，通透的加热管设置在容器内且两端置于容器壁外，在加热管(2)和容器(7)之间装填有固体蓄热材料(8)；加热管(2)的内壁或外壁带有纳米电热材料层(3)，纳米电热材料层(3)与设置在加热管(2)两端的导电电极(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于蓄能组 合单元(1)为一组或多组，采用串联、并联或串、并联组合的连接方式。
3.根据权利要求1所述的可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于容器(7) 中的加热管(2)设有一组或多组。
4.根据权利要求1所述的可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于所述的 加热管(2)内或外设置有散热片(6)。
5.根据权利要求1所述的可用于高压电源的纳米电热蓄能装置，其特征在于所述的 容器(7)内部或外部设置有散热片(6)。
专利摘要本实用新型特别涉及一种可以用于高压电源的电热蓄能装置。其特征是该纳米电热蓄能装置由蓄能组合单元构成，蓄能组合单元为三种结构的形式即为管状结构且两端封闭的加热管，加热管内壁或外壁带有纳米电热材料层，纳米电热材料层与设置在加热管两端的导电电极相连接，加热管内部装有能够相变的蓄热材料；和该蓄能组合单元由容器、管状结构且通透的加热管和能够相变的蓄热材料构成，再有该蓄能组合单元由容器、管状结构且通透的加热管和固体蓄热材料构成，本实用新型的目的是为了解决目前的技术及产品在使用上存在加热元件寿命短、电热转换效率和转换速率低、低电压设计限制推广及相变蓄能材料耐电压较低等方面存在的问题。
文档编号H05B3/20GK201688736SQ20102013324
公开日2010年12月29日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者廖滨, 高华新 申请人:廖滨;高华新