一种磁控相变储热装置及方法

1.本发明实施例涉及但不限于储能领域，尤其涉及一种磁控相变储热装置及方法。


背景技术：

2.潜热蓄热是一种以相变材料为基础的储能技术。主要分为化学储热、显热储热和潜热储热。化学储热拥有较高的蓄热密度，但其不稳定性使得蓄热过程在一定程度上不可控。显热储热虽拥有较大应用市场，但其储热密度小，难以承载热量的大量储存。潜热热能储存作为一种高效的低碳储能技术，由于其高储能密度和稳定性而受到广泛关注。然而，相变材料的低导热率延长了热量的储存和释放过程，限制了潜热热能储存系统的能量利用效率。因此，添加翅片、纳米颗粒和多孔介质等被动强化传热技术被用于提高相变材料的传热性能。现有蓄热储能罐只能储存或释放单一温度区间的热能，不适应各种类型工况下的长期的负荷和供热之间的调峰平衡问题，同时在短期的瞬态能量储存或释放过程中因相变材料的低导热性能而效率较低。


技术实现要素：

3.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
4.本发明实施例提供了一种磁控相变储热装置及方法。
5.本发明的第一方面，一种磁控相变储热装置，包括：
6.罐体，所述罐体内填充有磁性相变材料；
7.热传输机构，所述热传输机构部分经过所述罐体；
8.温度传感器，所述温度传感器设置在所述罐体内；
9.磁场发生器；
10.控制器，所述温度传感器和所述磁场发生器均与所述控制器连接，所述控制器用于根据所述温度传感器测量的所述罐体内部的温度值，控制所述磁场发生器产生的磁场，使磁场磁化所述磁性相变材料以形成热磁对流效应，使所述磁性相变材料进行相变储能或释能，进而调控所述罐体内部的温度。
11.根据本发明的第一方面，所述罐体被分隔成多个具有不同的相变温度区间的温度区域；每个所述温度区域对应设置有所述温度传感器和所述磁场发生器。
12.根据本发明的第一方面，所述罐体设有通风层，所述磁场发生器位于所述通风层中。
13.根据本发明的第一方面，所述磁场发生器包括线圈，所述线圈缠绕在所述磁性相变材料的外侧。
14.根据本发明的第一方面，所述罐体设有绝热层，所述绝热层填充有绝热材料。
15.根据本发明的第一方面，所述磁性相变材料包括石蜡和顺磁性四氧化三铁。
16.根据本发明的第一方面，所述顺磁性四氧化三铁的粒径范围为5-100nm；所述顺磁
性四氧化三铁的质量分数为0-4wt.％。
17.根据本发明的第一方面，所述热传输机构包括热媒传输管、抽水泵和流量阀，所述流量阀和所述抽水泵设置在所述热媒传输管上。
18.根据本发明的第一方面，所述热媒传输管包括第一管道和第二管道，所述第一管道位于所述罐体内，所述第二管道位于所述罐体外，所述第一管道的导热系数高于所述第二管道的导热系数。
19.本发明的第二方面，一种储热方法，应用于如本发明第一方面所述的磁控相变储热装置；所述方法包括：通过温度传感器获取罐体内部的温度值；根据所述温度值控制磁场发生器产生的磁场，使磁场磁化磁性相变材料以形成热磁对流效应，使所述磁性相变材料进行相变储能或释能，进而调控所述罐体内部的温度。
20.上述方案至少具有以下的有益效果：通过磁性相变材料存储热量，通过温度传感器测量罐体内部的温度值，根据温度传感器反馈的温度值，通过磁场发生器产生磁场，使磁场磁化所述磁性相变材料以形成热磁对流效应，使所述磁性相变材料进行相变储能或释能，进而调控所述罐体内部的温度。能根据瞬时变化的温度差异对热能存储或释放过程进行加速或减速，使得相变储能具有自适应的主动控制性，扩大了适用的工况范围。
21.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
23.图1是一种磁控相变储热装置的结构图；
24.图2是罐体的内部结构示意图；
25.图3是上部空置层的内部结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
28.本发明提供了一种磁控相变储热装置及方法。通过磁性相变材料110存储热量，通过温度传感器300测量罐体100内部的温度值，根据温度传感器300反馈的温度值，通过磁场发生器400产生磁场，使磁场磁化磁性相变材料110以形成热磁对流效应，使磁性相变材料110进行相变储能或释能，进而调控罐体100内部的温度。
29.下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
30.本发明的实施例，提供了一种磁控相变储热装置。
31.参照图1，磁控相变储热装置包括罐体100、热传输机构200、温度传感器300、磁场发生器400和控制器500。
32.其中，罐体100内填充有磁性相变材料110；热传输机构200部分经过罐体100；温度传感器300设置在罐体100内；温度传感器300和磁场发生器400均与控制器500连接，控制器500用于根据温度传感器300测量的罐体100内部的温度值，控制磁场发生器400产生的磁场，使磁场磁化磁性相变材料110以形成热磁对流效应，使磁性相变材料110进行相变储能或释能，进而调控罐体100内部的温度。
33.在该实施例中，通过磁性相变材料110存储热量，通过温度传感器300测量罐体100内部的温度值，温度采集器510采集多个温度传感器300测量得到的温度值；根据温度传感器300反馈的温度值，通过计算机按照预设的程序进行计算并输出控制信号，通过调节直流电源520供应的电流数值，控制磁场发生器400产生磁场，使磁场磁化磁性相变材料110以形成热磁对流效应，使磁性相变材料110进行相变储能或释能，进而调控罐体100内部的温度。能根据瞬时变化的温度差异对热能存储或释放过程进行加速或减速，使得相变储能具有自适应的主动控制性，扩大了适用的工况范围。
34.需要说明的是，相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。而磁性相变材料110可以通过磁场控制实现磁化，对热能存储或释放过程进行加速或减速。
35.本发明的某些实施例，罐体100被分隔成多个具有不同的相变温度区间的温度区域；每个温度区域对应设置有温度传感器300和磁场发生器400。
36.在该实施例中，罐体100被隔板分隔成多个温度区域，不同的温度区域具有不同的相变温度区间。具体地，罐体100为圆柱状，隔板横置，则将罐体100分成上下多个圆柱状温度区域。
37.具体地，隔板有三块，分别为上层隔板601、中层隔板602和下层隔板603，上层隔板601和中层隔板602之间填充有高熔点磁性相变材料110以形成高温储能罐，中层隔板602和下层隔板603之间填充有低熔点磁性相变材料110以形成低温储能罐。上层隔板601以上为上部空置层，下层隔板603以下为底部空置层。当然在其他实施例中，罐体100内部还可以根据实际工况需求在纵向或横向上分割为更多的温度区域。
38.每个温度区域通过对应的温度传感器300进行温度检测，通过对应的磁场发生器400产生磁场独立进行温度调控，实现利用磁场控制瞬态相变过程并储存或释放不同温度区间的热量。同时，可根据长期的能量调峰需求储存或释放不同温度区间的热量，对于能量的高效利用与各工况下的能量储存与释放具有针对性考虑。
39.即当高温储能罐对应的温度传感器300测得高温储能罐的温度过高或过低，则高温储能罐对应的磁场发生器400产生磁场对高温储能罐区域的磁性相变材料110进行磁化，控制瞬态相变过程并储存或释放热量。但此时高温储能罐对应的磁场发生器400产生磁场并不会对低温区域的磁性相变材料110造成影响或者只会对低温区域的磁性相变材料110造成极小影响。
40.当低温储能罐对应的温度传感器300测得低温储能罐的温度过高或过低，则低温储能罐对应的磁场发生器400产生磁场对低温储能罐区域的磁性相变材料110进行磁化，控制瞬态相变过程并储存或释放热量。但此时低温储能罐对应的磁场发生器400产生磁场并
不会对高温区域的磁性相变材料110造成影响或者只会对高温区域的磁性相变材料110造成极小影响。
41.具体地，温度传感器300为热电偶。多个热电偶设置在磁性相变材料110的不同位置，以更精准地获取磁性相变材料110的温度值。温度传感器300的连接导线通过上层隔板601的上表面和下层隔板603的下表面进入罐体100内，以避免封装的困难与液相材料的泄露。
42.磁性相变材料110包括石蜡和顺磁性四氧化三铁；石蜡具有高相变潜热数值；顺磁性四氧化三铁的粒径范围为5-100nm，具有纳米级结构；顺磁性四氧化三铁的质量分数为0-4wt.％。不同温度区域采用不同相变温度的磁性相变材料110，不同相变温度的磁性相变材料110主要通过不同熔点的石蜡实现。
43.参照图2，本发明的某些实施例，对于该磁控相变储热装置，从内至外的结构为：磁性相变材料110层、绝热层120、通风层130和外壳140。磁场发生器400位于通风层130中。
44.磁场发生器400为铜线缠绕成的线圈，线圈位于磁性相变材料110层的外侧，进一步缠绕在绝热层120的外表面。线圈通过纵向固定结构和横向固定结构进行固定。
45.线圈在工作产生磁场的同时，会产生热量；通风层130为空心通道，与外界连通，使得罐体100外部空气可以流通经过通风层130，对线圈进行冷却，避免线圈温度过高，影响磁性相变材料110层的温度。
46.绝热层120填充有绝热材料，通过绝热层120减少热量在储存或释放过程中的散失。
47.本发明的某些实施例，热传输机构200包括热媒传输管、抽水泵222和流量阀221，流量阀221和抽水泵222设置在热媒传输管上。
48.另外，热媒传输管包括第一管道211和第二管道212，第一管道211位于罐体100内，第二管道212位于罐体100外，第一管道211的导热系数高于第二管道212的导热系数。由高导热材料制成的第一管道211在隔板的预留接口中通过罐体100内部的不同温度区域，并在接口处密封，以实现热媒传输管中的热媒流体与磁性相变材料110之间的换热；具有高导热系数的第一管道211便于第一管道211中的热媒流体透过第一管道211的管壁与磁性相变材料110进行换热。由低导热材料制成的第二管道212形成入口管，与流量阀221实现热媒的控制输入，入口管与流量阀221位于下部。以及，由低导热材料制成的第二管道212形成出口管，出口管与抽水泵222实现热媒的控制输出，出口管与抽水泵222位于顶部。
49.参照图3，另外，第一管道211在底部空置层的入口管分开成多条管，穿过中部的磁性相变材料110层，然后多条管在上部空置层又合并为一条出口管，多条管进行换热提高换热效率。另外，上部空置层和底部空置层可以填入绝热材料，减少相变过程中热量的损失。
50.罐体100整体由支架支撑，使得罐体100整体结构更加稳当，也便于罐体100进行移动。
51.需要说明的是，外壳140等安装结构采用非磁性材料，避免磁场被干扰。
52.本发明的第二方面的实施例，提供了一种储热方法。储热方法应用于如本发明第一方面的实施例的磁控相变储热装置。
53.方法包括：
54.通过温度传感器300获取罐体100内部的温度值；
55.根据温度值控制磁场发生器400产生的磁场，使磁性相变材料110进行相变储能或释能。
56.具体地，通过温度传感器300测量罐体100内部的温度值，温度采集器510采集多个温度传感器300测量得到的温度值；
57.根据温度传感器300反馈的温度值，通过计算机按照预设的程序进行计算并输出控制信号。
58.计算机首先计算瑞利数，瑞利数可以根据以下公式计算：其中，g为重力加速度，β为磁性相变材料110的热膨胀系数，l为储能罐内的特征长度，y
h-tc为各层温度区域对应的温度传感器300测量的动态温差，α与v分别为磁性相变材料110的热扩散率与运动粘度。在流体力学中，瑞利数是与浮力驱动对流相关的无量纲数。当某种流体的瑞利数低于临界值时，热量传递的主要形式是热传导；当瑞利数超过临界值时热量传递的主要形式是对流。
59.随后计算机基于毕-萨-拉定律通过调节直流电源520供应的电流数值改变线圈产生的磁场参数，磁场参数的依据为：其中b与h分别为磁感应矢量与磁场强度矢量，为真空磁导率，i为直流电源520电流强度，ds是电流微分，r表示从线圈上的电流差到空间中任意点的距离矢量。
60.磁场的产生通过计算磁场产生的开尔文力改变磁性纳米颗粒复合相变材料的运动行为调控高/低温储能罐内的相变储能或释能。开尔文力表示为：其中，m与分别为磁化矢量与磁场强度梯度，该处可以将3个线圈分为独立的两组线圈产生通过电流变化实现均匀磁场或梯度磁场而产生不同的磁场力。
61.通过调节直流电源520供应的电流数值，控制磁场发生器400产生磁场，使磁场磁化磁性相变材料110以形成热磁对流效应，使磁性相变材料110进行相变储能或释能，进而调控罐体100内部的温度。
62.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的共享条件下还可作出种种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包括在本发明权利要求所限定的范围内。