多级相变储热箱、光伏相变蓄热结构和多层级的光伏多级相变蓄热结构的制作方法

本公开涉及相变蓄热技术。更具体地，本公开涉及多级相变储热箱、光伏相变蓄热结构和多层级的光伏多级相变蓄热结构。

背景技术：

在实际光伏太阳能新能源开发中，当太阳辐射入射在太阳电池上时，根据不同的太阳能电池，工程应用中仅有不足17-20％太阳入射能转化为电能，而近60-70％的太阳入射能转化为热能，这部分热能将导致太阳电池表面温度升高，可比环境温度高35℃，而伴随着温度的升高，从而限制光伏太阳能的转化效率。并且对于节能而言，获得光伏面板的热量对我们而言也是非常的重要的，不过由于技术等原因，最终太阳能电池板的热量转换方法效率仍然不高。

技术实现要素：

为了充分利用光伏电池板的热量并且为光伏电池板降温，希望能够有一种高效的蓄能系统。

本发明提出了一种多级相变储热箱，所述多级相变储热箱包括：

外壳；

位于所述外壳中的至少两个装有相变材料的密封罐，至少两个密封罐由导热材料制成，并且所述至少两个密封罐中分别包括至少两种不同相变温度的相变材料，其中，每个密封罐中存储一种相变材料；

传热液，所述传热液位于所述外壳中，以能够在所述至少两个密封罐之间直接流动或通过密封罐之间的管路流动的方式传热；

位于外壳处的出口和入口，用于所述传热液的排出和进入。

在一方面，密封罐之间间隔一定距离，并且内部包括不同相变温度的相变材料的密封罐以彼此交替的方式排列。

在一方面，所述外壳中还包括导热管路，用于导热流体的传输，所述导热流体从外壳上的导热液入口流入并从外壳上的导热液出口流出。

本发明还提出了一种光伏多级相变蓄热结构，所述光伏多级相变蓄热结构包括以下部件：

集热板，所述集热板安装到光伏电池板的背面，所述集热板包括多个彼此连通的流体通道，以供导热流体流通并导热，所述集热板还包括入口和出口，用于导热流体的进入和离开；

如前所述的多级相变储热箱，所述多级相变储热箱通过导热管路接收来自所述集热板的导热流体，并将导热流体的温度通过相变材料的相变来进行存储，并且将传热液通过多级相变储热箱的出口排出，以供其他装置使用。

在一方面，所述多级相变储热箱中的传热液包括水。

在一方面，所述多级相变储热箱还与附加供热机构连接，所述多级相变储热箱将传热液传送到所述附加供热机构以进一步蓄热。

本发明还提出一种多层级的光伏多级相变蓄热结构所述光伏多级相变蓄热结构包括以下部件：

集热板，所述集热板安装到光伏电池板的背面，所述集热板包括多个彼此连通的流体通道，以供导热流体流通并导热，所述集热板还包括入口和出口，用于导热流体的进入和离开；

第一储热箱，包括外壳，位于所述外壳中的至少两个装有相变材料的密封罐，所述至少两个密封罐由导热材料制成，并且至少两个密封罐中分别包括至少一种不同相变温度的相变材料，其中，每个密封罐中存储一种相变材料，还包括传热液，所述传热液位于所述外壳中，以能够在至少两个密封罐之间直接流动或通过密封罐之间的管路流动的方式传热，位于外壳处的出口和入口，用于所述传热液的排出和进入，所述外壳中还包括导热管路，用于导热流体的传输，所述导热流体从外壳上的导热液入口流入并从外壳上的导热液出口流出；

附加供热机构，所述第一储热箱内的传热液进入所述附加供热机构，用于由附加供热机构利用所述传热液进一步蓄热，并将进一步蓄热后的传热液提供到所述多级相变储热箱；以及

如前所述的多级相变储热箱，所述多级相变储热箱通过连接管路接收来自附加供热机构的传热液，并将传热液的温度通过相变材料的相变来进行存储，并且通过所述出口排出所述传热液，以供其他装置使用，并且将返回的传热液送入所述第一储热箱中进行循环。

在一方面，所述多级相变储热箱的入口处和出口处选择性地设置有阀门，通过启闭阀门以相应地控制多级相变储热箱的流体的进出供应。

在一方面，所述传热液包括水。

利用本发明的多级相变储热箱和光伏多级相变蓄热结构，实现北方地区家庭纯光热供暖、供生活热水，零碳供热，并且由于其能够与光伏发电结合，所以能够实现“负能耗”的冷暖供应。还能够与当前的溴化锂制冷技术相结合，在非供暖季作为热源供应溴化锂空调机制冷。此外，该系统造价低，经济实用性强，甚至在光伏发电总量超过本系统补充制热和制冷做消耗的电能时，能够对市政供能进行反馈，实现“负能耗建筑”。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的蓄热箱的示意图。

图2是根据本发明另一实施方式的蓄热箱的示意图。

图3是根据本发明一实施方式的集热板的示意图。

图4是根据本发明一实施方式的多层级的光伏相变蓄热结构的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本文公开了用于进行储能和蓄热的多级相变蓄热结构和由其组成的光伏多级相变蓄热结构。

多级相变是在同一应用中置入多个在不同温度分别发生相变反应的技术为多级相变。采用的相变材料如水合物、聚乙二醇等在吸热的过程中，将导致相变材料的相变锋面逐渐向相变材料纵深发展，吸热一定时间后，将导致相变材料全部被气化或者融化，此后相变材料就不会起到控温的效果。采用相变材料蓄热以将其热量保存、传输并使用。

本发明提出的多级相变储热箱/蓄热箱如图1和图2所示，两者差别在于其中的相变密封罐可以根据需要以合适的位置排放。蓄热箱10包括至少两个相变密封罐102，其可以是三个、四个或者更多，每个相变密封罐中封装有一种相变材料。至少两个相变密封罐中包括至少两种相变材料，也可以是三种、四种、五种等相变材料，每种相变材料的相变温度是不同的，当然也可以是两种或多种相变材料的相变温度相近的。相变温度的选择是根据需要而定的。在本实施方式中，可以采用相变温度分别为40-50度和27-35度的相变材料。特别是可以采用相变温度分别是45度和30度的相变材料，从而分别在温度升高到30度时吸收热量并且在温度下降到低于30度时释放热量，和在温度升高到45度时吸收热量并且在温度下降到低于45度时释放热量。在另一示例中，采用相变温度为40-50度的相变材料和相变温度为55-60度的相变材料，例如采用相变温度为45-48度的相变材料和相变温度为58度的相变材料来实现更高温度下的蓄热。蓄热箱的箱体由保温材料制成，箱体可以包括多层保温材料以实现保温的目的。例如，蓄热箱的箱体可以从外部到内部依次包括聚氨板112、保温棉114、聚氨板116和玻璃钢118，由此实现保温良好的目的。

在本发明的多级相变储热箱中，将多种不同相变温度的相变材料密封罐装入其中。每种相变材料密封罐中存储一种相变温度的材料，多个相变材料密封罐中分别存储有相变温度不同的相变材料，例如两个、三个、五个或九个相变密封罐中分别存储两种相变温度不同的相变材料中的一种，或者三个、五个或八个相变密封罐中分别存储三种相变温度不同的相变材料中的一种。在相变材料密封罐之间空间的填充用于在其之间传热的流体，例如水、聚乙二醇等，用于在不同的相变材料密封罐中传递热量，并用于将热量从其他设备传递到多级相变储热箱，或将多级相变储热箱中的热量传递到其外部的其他设备。在密封罐之间传热的流体可以通过传热流体管路流通，导热流体管路尽可能低包围和接近密封罐，从而更好地传递热量，也可以没有导热流体管路。传热液位于直接位于多级相变储热箱内，密封罐的外部，不需要经过任何管路。传热液可以是水或其他任何合适的液体。导热流体一般来说不是水，而是其他任何合适的材料。导热流体位于外壳内的密封罐之间的导热流体的管路中，在所述至少两个密封罐之间通过在管路内流动的方式传热。在仅需要例如水的传热液的情况下，多级相变储热箱具有出口和入口，用于将水的排出和进入，从而传递热量。在还包括导热流体的情况下，多级相变储热箱具有两个出口和两个入口，第一入口104和第一出口106用于将水的排出和进入，第二入口和第二出口(未示出)与导热流体的管路(未示出)连通，传送传热流体，从而传递热量。在仅用于为光伏电池板降温时，可以仅使用多级相变储热箱来散热。优选地，还可以连接有例如真空管的外部设备，以为其供热。

不同相变温度的相变材料密封罐可以彼此间隔地排列，从而便于流体的流动和散热。进一步，相变储热装置中的相变材料可采用中低温相变材料或高温相变材料。其中，中低温相变材料包括石蜡、水合物、有机物和高分子材料等，高温相变材料包括熔融盐等。在一个示例中，从上向下装入例如五个、七个、八个、九个相变温度为45-48度的相变材料密封罐和相变温度为58度的相变材料密封罐，以上两种相变材料密封罐彼此间隔地排列。在一个示例中，也可以在多级相变储热箱中从上向下装入例如五个、七个、八个、九个相变温度为28-34度的相变材料密封罐、相变温度为45-48度的相变材料密封罐和相变温度为58度的相变材料密封罐，以上三种相变材料密封罐彼此间隔地排列。多级相变储热箱中的不同相变温度的相变材料密封罐也可以以其他合适的方式排列，例如每两个低相变温度的密封罐和每两个高相变温度的密封罐交替排列，或者每一个低相变温度的密封罐和每一个高相变温度的密封罐交替排列。将高相变温度和低相变温度的密封罐间隔排列以更好地将热量传递。密封罐可以是圆柱形以利于散热。

本实施方式中将高相变温度的密封罐和低相变温度的密封罐放入同一多级相变储热箱中，可以利用相变材料在温度高于相变温度时通过相变而吸热，并且在温度低于相变温度时通过相变而放热的原理，在热集聚过程中通过多级相变尽可能地直接应用的低品位热，从而实现有效地节能。

例如一般而言30度热能会被浪费，因为其无法在地暖和空调供热中直接利用，但可以作为初级热源进行进一步利用。由于相变热释放是缓慢释放的过程，采取传统“板式换热器“和多管提取热量的方式难以满足需求的水量，利用本发明的蓄热结构，多级相变在热释放过程中延长了高品位热的持续时长。本发明中，将相变材料置于密封罐内，相变蓄热罐置于热交换箱内，形成了“蓄”“换”一体的换热方式，让相变密封罐持续加热例如交换箱内的水，从蓄热交换箱直接供应需求端的热水。

本发明还提供了一种光伏多级相变蓄热结构，其可以与采集光伏板所散发的热量，例如与居家、工作等建筑物上的光伏板相结合，实现对其热量的进一步储存和利用，从而达到节能的效果。

本发明的另一实施方式中，提出光伏多级相变蓄热结构。首先提供一个或多个光伏电池板，该光伏板可以不作为本发明的光伏多级相变蓄热结构的一部分，例如可以是现有的光伏板，甚至是已经是已安装使用的光伏板。光伏板在使用中会产生的电能与蓄电，在本实施例中，从光伏板背端提取热能形成供热的初级热源并随后将该热能以相变蓄热积蓄低品位热能。所述光伏设置在前置玻璃板的下方，在光伏电池板背面安装有集热板，如图3所示，集热板可以通过可导热的方式附接到所示光伏电池板，例如通过导热粘结层粘接到光伏电池板的背面。集热板采用多个彼此连通的流体通道构成，流体通道例如流体管路，以使得流体经由流体管路流过集热板的下方，从而将其热量带入到其他需要的位置。所示流体通道的设置可以如图3所示。图3示出了集热板20，其包括多条横向的管路和位于所示横向的管路两侧的纵向管路，横向管路与纵向管路可以是任意合适的形状，例如是扁形流体管路或者是其他合适的流体管路。流体管路可以是彼此并联或者是串联连接的，以便于带有光伏电池板的热量的方式连接即可。所示集热板具有一个入口和一个出口，从入口进入的流体流经流体管路中的至少一条，从而将流体管路中的流体流经光伏电池板的背面，经由出口离开集热板。多级相变储热箱的入口处和出口处可以选择性地设置有阀门，通过启闭阀门以相应地控制多级相变储热箱的流体的进出供应。流体可以是导热流体。

在来自集热板的导热流体在储热箱中使得储热箱中的包括相变材料的密封罐通过相变吸收热量。导热流体可以是合适的导热液，例如水合物等，可以通过直接流入储热箱中或者通过管路流入储热箱中。导热流体将热量传递到第一储热箱内的传热液，例如水，水包围密封罐。可以采用相变温度分别为40-50度的相变材料的密封罐和采用相变温度为27-35度的相变材料的密封罐，用以积蓄30°以上热能，以供其他装置，如真空管热水器使用。由此，第一储热箱中的传热液可以被直接使用。

多级相变储热箱具有至少两个出口和至少两个入口，用于将导热流体从集热板进入，并根据需要将水传送到外部设备，并且从外部设备接收水，并将导热流体送回集热板，从而传递热量。导热流体位于外壳内的密封罐之间的传热流体的管路中，在所述至少两个密封罐之间通过在管路内流动的方式传热，并且多级相变储热箱具有两个出口和两个入口，第一入口和第一出口用于将水的排出和进入，第二入口和第二出口与导热流体的管路连通，传送导热流体，从而传递热量，此时多级相变储热箱还可以选择性地具有第三出口和第三入口，从而与其他外部设备之间传热。

外部设备例如是太阳能真空管，其中存储有传热液，例如水，供热结构在白天也将热能存储在其导热流体中，在夜晚可以从外部设备向需要热水的设备供热导热流体被供应到储热箱内，实现热能的存储。供热结构还可以例如是锅炉，锅炉在夜晚进行工作，也将流体的问题升高后供应到需要热水的设备。

光伏多级相变蓄热结构还可以包括至少一个泵送机构，第一泵送机构连接到集热板和储热箱之间，用于将集热板中的流体泵送到储热箱内，第二泵送结构连接到储热箱和外部设备之间，从而将储热箱内的水送到外部设备。此外还包括单向阀，用于阻止外部设备中的水回到储热箱。相变材料在该放热过程中逐渐凝固，一直恢复到固态，在第二日的白天，该相变材料发生逆过程，也就是吸热融化的过程。通过吸热融化和放热固化的循环过程，对光伏电池板的表面的热量进行转移

光伏电池板的背端在冬季也是可以获得很多热能的，例如，在华北地区一般冬天会有很多达到-10度的低温天气，即使在这种情况下，利用本发明的光伏多级相变蓄热结构，仍可获得30-50度的热能近5小时。采用本阀门的集热板内含的导热液将热能导出至储热箱，循环将储热箱内温度提升至30°以上进行积蓄。

为在炎热时增大蓄热能力，或者为了解决远距离供热因传输过程热损失形成的末端品质差的问题，可在应用端设区域(如楼层)相变蓄热箱。由此形成多层级的光伏多级相变蓄热结构，维持供热品位，例如对小区内的多个楼宇地暖或者大规模生活热水供应。在一示例中可以采用包括相变温度为25-35度左右的相变材料的第一储热箱，和包括相变温度为40-50度左右的相变材料和相变温度为52-60度左右的相变材料的第二储热箱，形成多层级的相变蓄热结构。在另一示例中，多层级的光伏多级相变蓄热结构可以采用包括相变温度为25-28度左右的相变材料和相变温度为30-34度左右的相变材料的第一储热箱，和包括相变温度为40-50度左右的相变材料和相变温度为52-60度左右的相变材料的第二储热箱。

在本发明的再一个实施方式中，提出一种多层级的光伏多级相变蓄热结构。如图4所示，该多层级的光伏多级相变蓄热结构可以采用包括相变温度为30度左右的相变材料的第一储热箱320，和包括相变温度为45-48度左右的相变材料和相变温度为58度左右的相变材料的第二储热箱340。当然，第一储热箱也可以不是相变储热箱，而是其他适合于存储30度以上的热能的储热箱。

首先提供光伏电池板，在光伏电池板背面安装有集热板310，集热板310可以通过可导热的方式附接到所示光伏电池板305。在本实施方式中，包括多个光伏电池板，并且在每个光伏电池板背面各设置一个集热板采用多个彼此连通的流体通道构成，流体通道例如流体管路，以使得流体经由流体管路流过光伏电池板的下方。所示集热板具有一个入口和一个出口，从入口进入的流体流经流体管路，将来自光伏电池板的热量存储在其中，再经由出口离开集热板，进入第一多级相变储热箱。第一多级相变储热箱的入口处和出口处可以选择性地设置有阀门，通过启闭阀门以相应地控制多级相变储热箱的导热流体的进出供应。

在来自集热板的流体在第一储热箱320中使得第一储热箱中的包括相变材料的密封罐通过相变吸收热量。因此，第一储热箱内导热液通过管路322包围相变温度为30度的相变材料的密封罐，用给所述密封罐加热，同时，在第一储热箱中的导热液管路和密封罐的周围填充水以积蓄30°以上热能。作为初级热源。所示第一储热箱进一步地与例如真空管的附加蓄热结构330连接，以利用水通过附加蓄热结构例如太阳能真空管热水器集热来提高初级集热的热品位，达到进行高品位多级蓄热的目的。因此，作为应用供热端以板式集热器将第一多级蓄热箱内的热能提取用于加热真空管的进液端，提供真空管的起始加热温度，即使真空管从30°以上开始加热。

一般来说，附加蓄热机构内采用例如水的传热液。在本实施方式中，将附加蓄热机构与第二相变储热箱连接，从而实现真空管与第二相变储热箱内的水的直接循环，将真空管高品位热能直接交换至第二相变储热箱。还可以将真空管中的水或者利用其热能的水直接使用。

根据第二相变储热箱中的导热液体的内容，第二相变储热箱与附加蓄热结构真空管和第一储热箱互联。本实施方式中，第二相变储热箱中存储水，第二相变储热箱内包括相变温度为45-48°相变材料的密封罐和相变温度为58°的相变材料的密封罐，密封罐的体积和所需的材料量和种类按需要热能计算。通过来自附加蓄热机构的水，将第二储热箱内的密封罐传热，以蓄热，从而积蓄45°以上的热能，达到进行高品位多级蓄热的目的。而循环回附加蓄热机构的水将直接进入第一储热箱。

由第二相变储热箱向外部设备350提供应用所需的热水，一般能够达到45度以上，足以供应大部分的需要。不同相变温度的相变材料密封罐可以彼此间隔地排列，从而便于流体的流动和散热。相变温度为45-48°相变材料的密封罐和相变温度为58°的相变材料的密封罐可以彼此间隔地并且交替排列，例如，从上向下间隔并交替地装入例如九个相变温度为45-48度的相变材料密封罐和相变温度为58度的相变材料密封罐，以更好地将热量传递。

从第二相变储热箱中离开的水所供热的外部设备可以是用于实现北方地区家庭纯光热供暖、供生活热水，零碳供热的设备，也可以实现为楼宇地暖或末端风机盘管供供暖，还可为浴室供热水。

利用本发明的多级蓄热应用端相变蓄热，利用屋顶空间有限的应用或小规模应用(如，家庭地暖+生活热水)，采用真空管集热+多级相变蓄热水箱+区域相变蓄热的系统构成。同时，由于与光伏发电结合，实现“负能耗”的冷暖供应，以光伏板背端取热为一级热源、真空管集热为热品位提升、多级相变蓄热水箱以及区域相变蓄热的系统构成。

本发明还可以与溴化锂制冷技术相结合，在非供暖季作为热源供应溴化锂空调机制冷。例如公共建筑的冬季供暖主热源，以空调系统为极端气候的备用。同时可以以区域热站、冷站的基础热源，以空调或锅炉进一步提升热品位以远距离供热。

在光伏发电总量超过本系统补充制热和制冷做消耗的电能时，本发明还可以成为“负能耗”的供暖制冷应用，即，不但不消耗市政供能，反而对市政供能进行反馈，以此为基础，通过节能应用手段，及能够实现“负能耗建筑”。

本发明以上说明的实施方式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。如各种示例性实施例中所示的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是可以进行许多修改(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且可以更改或改变分立的元件的性质或数量或位置。因此，所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。根据替代实施例，可以改变或重新排序任何过程或方法步骤的顺序或次序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置方面进行其他替换、修改、改变和省略。