一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及蓄能系统的制作方法

本实用新型属于新型环保高效蓄能设备技术领域，特别涉及一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及蓄能系统。

背景技术：

人口激增与经济快速发展对传统能源造成极大压力，且能源高耗和温室气体高排放限制了传统能源的发展，太阳能是一种取之不尽用之不竭的无污染能源，因此太阳能作为可持续发展的能源成为人们探索的热点。

但由于季节、地理位置、天气状况等因素，太阳能有间断性、不稳定性等弊端，致使其供应与峰值需求不匹配。结合高效储能技术可增强对太阳能的利用，特别是跨季节储能技术的应用，即夏季利用太阳能储存能量，在过渡季节或冬季需供热时，再将储存的能量释放。实现此过程的关键在于储能材料的选取、蓄能装置的结构设计及其使用方法。

显热储能虽成本低、系统简单，但其受温度限制，过高的温度使系统能量损失较大，能源利用率低。同时显热储能多在地下蓄水层、沙砾层等，采用地下埋管等方式，所需储能体积庞大，并且对地质要求高。

相变储能材料，具有材料易获得、储能密度大、系统体积小、在能量的存储和释放过程保持温度恒定等优点，是一种发展潜力较大的储能材料。其中，有机相变材料如石蜡，物理化学性能稳定，有较好的重复利用性，安全系数高。但其导热系数较小，使用时需填充泡沫铜等增强导热性的物质；另一方面，有机相变材料和绝大部分水合盐类相变材料相比，储热密度较小，因此增大了蓄能设备的容积与成本。

水合盐相变材料，导热系数大、潜热大、储热密度大、价廉易得、化学属性好，应用于多个领域。但大部分水合盐相变材料过冷严重，且存在相分离，影响传热效率和热循环稳定。无机水合盐相变材料在使用过程中出现的较大过冷度能够使其在不损失热量的情况下实现长期存储，成为实现跨季节长期储能的有利条件。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置及蓄能系统。

一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置，该蓄能装置的主体为柱形容器，所述柱形容器的底端为半球形结构，所述柱形容器的顶端为水合盐相变材料的注入口，并设有半球形结构的密封盖。

优选地，所述密封盖与柱形容器之间通过法兰连接密封。

优选地，所述柱形容器及密封盖的内表面光滑。

进一步地，还包括机械振动触发装置、超声波触发装置、电磁场触发装置、局部低温触发装置中的一种或几种。

一种蓄能系统，该蓄能系统中设有柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置，并设有换热流体装置。

所述柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置，依据实际情况设计其在蓄能系统中的布置情况，排放间距与数量按照实际场地和运行条件进行设置。

优选地，所述蓄能系统外设有保温层。

优选地，所述蓄能系统的换热流体装置连接至太阳能蓄热系统。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型的蓄能装置将太阳能与水合盐相变材料有效结合，减少了传统能源的利用，提高了环境效益。相比于传统的跨季节蓄能系统，采用水合盐相变材料的跨季节蓄能系统，大大减小了过渡季节的热量损失，提高了蓄能效率。该装置结构为无棱角的密封柱形容器，容器底端及密封盖均为半球形结构，减少了棱角角点。对比于现有技术中的矩形倒角蓄能装置(如图2所示)，本实用新型的蓄能装置避免了容器角点造成的局部粗糙度增大的问题，使结晶相和蓄能装置容器表面的接触角增大，提高了临界成核能，降低了水合盐相变材料的成核率，更易实现稳定过冷。蓄能装置容器内表面光滑，减少了内表面的凹槽，避免遗留不熔晶粒，同样有利于增大结晶相与容器表面的接触角，降低相变材料成核率，利于实现稳定过冷。从图3(a)和(b)可以看出，本实用新型提出的柱形结构蓄能装置实现相变材料稳定过冷所需的前期加热时间比矩形圆角装置更短，也即在较短的加热时间范围内柱形结构蓄能装置比矩形圆角装置更容易实现稳定过冷。

附图说明

图1a-图1d为实施例1中所述一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置的结构示意图；其中，图1a为正视图；图1b为侧视图；图1c为俯视图；图1d 为立体图。

图2为现有技术中矩形圆角结构的蓄能装置的结构示意图。

图3为实施例1中所述一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置和现有技术中的矩形圆角结构的蓄能装置在相同实验条件下同种水合盐相变材料的过冷曲线对比图；其中，(a)为不同温度下柱形蓄能装置表面温度变化；(b) 为不同温度下矩形圆角蓄能装置表面温度变化。

标号说明：1-柱形容器；2-密封盖；3-法兰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

实施例1

如图1a-图1d所示为本实用新型提供的一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置，装置结构为没有棱角的柱形容器1，柱形容器1的顶端为水合盐相变材料的注入口，并设有密封盖2。柱形容器1与密封盖2之间通过法兰3 连接，加强密封。为进一步减少引起相变材料成核的棱角，柱形容器1的底端和密封盖2均为半球形结构，同时柱形容器1和密封盖2的内表面要求光滑，减少柱形蓄能装置内表面的凹槽，避免遗留不熔晶粒，同时增大结晶相与容器表面的接触角，降低相变材料成核率，使其更易实现稳定过冷。所述蓄能装置的材质应满足换热效果、耐温性能、强度与耐腐蚀性(如水合盐溶液对其腐蚀速率腐蚀速率不超过0.1mm/a)等要求，可以采用但不限于不锈钢材料，本实施例中采用304不锈钢材料，壁厚参考值为1.2mm，亦可依实际情况对柱形容器1的表面积作适当调整。

该装置可实现长期(跨季节)蓄能，散热损失小，蓄能效率高，易于加工，且成本低。

一种柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置的应用方法，夏季太阳能丰富时期，利用太阳能对水合盐相变材料进行加热，使其完全熔化并将能量储存，将具有一定过热度的液态水合盐相变材料注入内壁光滑的柱形蓄能装置中，过渡季节水合盐相变材料以过冷液态形式稳定存在于柱形蓄能装置中，待到有供热需求时对蓄能装置触发结晶释能。

其具体应用方法如下：

所述水合盐相变材料可选用但不限于Na₂S₂O₃·5H₂O或CH₃COONa·3H₂O。在向蓄能装置注入液态水合盐相变材料过程中，需尽量减少空气进入，注入完毕立即将密封盖2与柱形容器1用法兰3连接，加强了密封性能，防止大量空气进入容器以减少触发相变因素。所述蓄能装置所充灌液态水合盐相变材料的体积为柱形容器1容积的85％～95％，其中90％左右效果最佳。将所述蓄能装置和换热流体装置置于带有活动支架的蓄热水箱中，便于调节所述柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置的距离与个数。所述柱形蓄能装置在蓄热水箱中依据实际情况设计其布置情况，排放间距与数量按照实际场地和运行条件进行设置。蓄热水箱外需要加设保温层，建议采用50mm厚的聚氨酯保温。

所述蓄热水箱中的换热流体装置连接至太阳能热水器，利用太阳能热水器对换热流体(水)进行加热，换热流体对水合盐相变材料进行换热，使其完全熔化并形成具有一定过热度的液态水合盐相变材料，将能量储存。

所述柱形水合盐相变材料稳定过冷蓄能装置在蓄热完成后，将其移出蓄热水箱，在无扰动的室内环境中倾斜静置，其顶端即有法兰端朝上，与地面的夹角建议为7.66°。具有一定过热度的液态水合盐相变材料在室内无扰动的环境条件下冷却，当冷却到环境温度时，水合盐相变材料处于过冷液态，且能稳定存在，最终以过冷液态形式长期稳定存在于柱形蓄能装置中，储存溶解热。

当需要热量供应(如冬季的热需求)时，依据实际需求设定蓄能装置的触发位置，采用某种或多种触发方式对其触发，可以根据实际需求对柱形蓄能装置采用机械振动、超声波、电磁场或局部低温等触发方式，诱导处于过冷液态的水合盐相变材料发生相变，处于过冷状态的液态水合盐相变材料瞬间开始结晶，释放其储存的熔解热。