一种弹热制冷和蓄冷系统及其控制方法

1.本发明属于储能技术领域，具体涉及一种弹热制冷和蓄冷系统及其控制方法。


背景技术：

2.能源的供给与需求具有时间性，为了合理利用能源，储能技术不断发展。其中，储冷技术是把冷量存储起来，仅在需要时释放，节能效果明显。储冷技术的主要方式有显热存储、相变存储、反应存储三种，其中，相变存储因具有储能密度高、温度变化稳定的优点而被广泛应用。传统相变材料储冷时间周期长、储冷体积密度低。弹热材料可以在马氏体和奥氏体两相之间相变，具有大体积相变潜热，且相变条件为易被利用的机械能，机械能转化为易于存储的弹性势能，在释放时转换为冷量，利用多层弹热材料可实现大冷量的快速储存和释放。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种弹热制冷和蓄冷系统及其控制方法，系统具有制冷模式和蓄冷模式两种模式，系统工作在制冷模式时，系统可提供小功率的连续制冷，系统工作在蓄冷模式时，可利用小功率电机逐个驱动多层弹热材料，多层弹热材料的冷量同时释放时可满足瞬时大冷量应用的需求。
4.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
5.一种弹热制冷和蓄冷系统，包括弹热材料、夹具、自锁装置、驱动装置、热源以及热汇；所述的夹具夹持在弹热材料的两端；所述的驱动装置驱动夹具拉伸加载弹热材料向热汇放热，卸载弹热材料从热源吸热；所述的弹热材料为多层的形状记忆合金片，弹热材料的奥氏体转变终止温度低于热源的温度，在常温零应力状态下处于奥氏体状态；弹热材料受到拉伸应力时发生马氏体相变，温度升高，并且在卸载拉伸应力时发生奥氏体相变，温度降低；弹热材料在热源与热汇之间运动；
6.系统工作在制冷模式时，上述循环连续运行，仅有单层弹热材料连续工作，其余层数的弹热材料贴附在热源上；系统工作在蓄冷模式的储能阶段时，驱动装置能够不断驱动多层弹热材料至加载状态，并且自锁装置通过限制夹具的移动使弹热材料在驱动装置完成加载后维持加载状态，弹热材料向热汇释放热量，当所有弹热材料都完成加载并被自锁装置锁定加载状态后，驱动装置不提供驱动力，弹热材料能在常温加载状态长时间保存；在蓄冷模式的放冷阶段，自锁装置不再限制夹具的移动，驱动装置驱动夹具向给定卸载位置移动，在移动过程中弹热材料所受拉伸应力被卸载，弹热材料温度降低，夹具移动至给定卸载位置后在热源外形的约束下弹热材料与热源紧密接触，弹热材料向热源释放冷量。
7.作为一种优选方案，所述的弹热材料由2～500层的形状记忆合金片组成。
8.作为一种优选方案，所述的夹具呈圆柱形，圆柱侧面开口夹持弹热材料，每层弹热材料的两端各有一个夹具，夹具比其与弹热材料接触的长度更长；在夹具移动到给定加载位置后，弹热材料与热汇紧密接触并受到大拉伸应力，受到的拉伸应力大于马氏体相变结
束应力，保证弹热材料与热汇接触时为马氏体状态；在夹具移动到给定卸载位置后，弹热材料与热源紧密接触并受到小拉伸应力，受到的拉伸应力小于奥氏体相变结束应力，保证弹热材料与热源接触时为奥氏体状态。
9.作为一种优选方案，所述的自锁装置由沟槽、锁舌、锁舌弹簧及锁舌主轴组成；沟槽限制夹具仅沿沟槽的方向移动，固定在每个夹具的两侧，不与弹热材料重合；锁舌固定在沟槽内，锁舌的一面为圆弧斜面，其他面为平面，限制夹具接触锁舌圆弧斜面并通过锁舌后的反方向移动；锁舌弹簧一端固定，另一端与锁舌相连；锁舌主轴一端连接锁舌，沿锁舌轴向移动；夹具接触锁舌圆弧斜面后可压缩锁舌弹簧通过锁舌，反向移动时夹具接触锁舌平面后无法直接压缩锁舌弹簧，无法通过锁舌，必要时锁舌主轴移动带动锁舌压缩锁舌弹簧，此时夹具可以通过。
10.作为一种优选方案，所述的驱动装置由第一电机、传动梁、传动夹具、传动摇杆、传动连杆以及第二电机组成；所述的第一电机固定在夹具的两侧，连接并驱动传动梁移动，一个第一电机对应一个传动梁；传动梁的两端存在供传动夹具与传动连杆之间的连接轴移动的直槽口，传动夹具能够在传动梁两端的内部轨道上移动，一个传动梁对应两个传动夹具；两个第一电机通过两个传动梁上的传动夹具同时驱动夹具移动；传动摇杆绕固定在传动梁上的传动摇杆中心往复摆动，传动摇杆的两端分别与传动连杆连接；传动连杆的另一端分别连接传动夹具的左、右部分；第二电机固定在传动梁上，驱动传动摇杆往复摆动；传动摇杆的往复摆动能够通过传动连杆驱动传动夹具的左、右部分移动，传动夹具的左、右部分接触时，传动夹具能够夹持夹具，传动夹具的左、右部分远离且距离大于沟槽的宽度时，传动夹具不能夹持夹具，驱动装置移动时传动夹具不会接触夹具；一个传动夹具只能夹持一个夹具。
11.一种所述弹热制冷和蓄冷系统的控制方法，包括：
12.所述弹热制冷和蓄冷系统具有制冷模式和蓄冷模式两种模式；
13.当系统工作在制冷模式时，传动摇杆在第二电机的驱动下摆动到传动夹具夹持夹具的状态，锁舌主轴移动带动锁舌压缩锁舌弹簧，自锁装置限制夹具在沟槽内的移动，在第一电机的驱动下驱动装置向热汇移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料被夹具加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，到达给定加载位置时单层弹热材料与热汇接触，向热汇散热，随后驱动装置向热源移动，夹具夹持的单层弹热材料所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低，驱动装置到达给定卸载位置时，单层弹热材料从其余层数的弹热材料、热源吸收热量，上述循环连续运行；
14.当系统工作在蓄冷模式的储能阶段时，在第一电机的驱动下，驱动装置向热源移动，一旦到达某一夹具所在位置，传动摇杆在第二电机的驱动下摆动，实现传动夹具由不夹持夹具到夹持夹具的状态切换，驱动装置驱动夹具及其夹持的单层弹热材料向热汇移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料被夹具加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，夹具在圆弧斜面上施加力压缩锁舌弹簧从而通过锁舌，通过后锁舌弹簧恢复原长，到达给定加载位置时弹热材料在与其他层弹热材料或热汇接触的过程中散热，随后传动摇杆在第二电机的驱动下摆动，实现传动夹具由夹持夹具到不夹持夹具的状态切换，驱动装置不再向夹具提供力，锁舌阻挡夹具的反向移动，维持弹热材料的加载状态，上述循环持续运行直到所有弹热材料完成加载；
15.当系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时，在第一电机的驱动下，驱动装置向热汇移动，直到到达最靠近热汇的弹热材料对应夹具的位置，传动摇杆在第二电机的驱动下摆动，实现传动夹具由不夹持夹具到夹持夹具的状态切换，锁舌主轴移动带动锁舌压缩锁舌弹簧，自锁装置不限制夹具在沟槽内的移动，随后驱动装置向热源移动，其余夹具在被夹持夹具的带动下，同时向热源移动，被夹持夹具夹持的单层弹热材料及其带动的其余层弹热材料所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低，弹热材料在与热汇接触的过程中向热汇散热。
16.作为一种优选方案，所述的第一电机功率在制冷模式下与制冷功率为同一个数量级；在蓄冷模式的储能阶段，所述的第一电机逐次加载多层弹热材料，使得蓄冷模式的放冷阶段能够产生2～500倍第一电机功率的制冷功率。
17.作为一种优选方案，所述的热源与热汇相距1mm～1000mm固定放置；热源为厚度1mm～500mm的高导热率金属板状结构；
18.所述的热汇面向热源侧为凸状结构，凸状结构与弹热材料的接触长度大于热源与弹热材料的接触长度，热汇背向热源的另一侧为空冷换热结构，向环境放热。
19.作为一种优选方案，所述的热汇使用点阵肋片、圆柱阵列肋片或平行直肋片组成，热汇使用风机强制对流，或者利用空冷换热结构的高发射率表面涂层通过自然对流和热辐射散热。
20.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
21.弹热材料采用多层的形状记忆合金片，驱动装置驱动夹具拉伸加载弹热材料向热汇放热，自锁装置通过限制夹具移动，使弹热材料在驱动装置不再驱动夹具后仍处于加载状态。本发明系统具有制冷和蓄冷两种模式。当系统工作在制冷模式时，仅有单层弹热材料连续工作，其余层数的弹热材料贴附在热源上。当系统工作在蓄冷模式的储能阶段时，驱动装置能够不断驱动多层弹热材料至加载状态，并且自锁装置通过限制夹具的移动，使弹热材料在驱动装置完成加载后维持加载状态，弹热材料向热汇释放热量，当所有弹热材料都完成加载并被自锁装置锁定加载状态后，驱动装置不提供驱动力，弹热材料能在常温加载状态长时间保存。在蓄冷模式的放冷阶段，自锁装置不再限制夹具的移动，驱动装置驱动夹具向给定卸载位置移动，在移动过程中弹热材料所受拉伸应力被卸载，弹热材料温度降低，夹具移动至给定卸载位置后在热源外形的约束下弹热材料与热源紧密接触，弹热材料向热源释放冷量。本发明系统工作在制冷模式时，可提供小功率的连续制冷；系统工作在蓄冷模式时，可利用小功率电机逐个驱动多层弹热材料，多层弹热材料的冷量同时释放时可满足瞬时大冷量应用的需求。
附图说明
22.为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为系统工作在制冷模式时单层弹热材料加载放热过程的正视示意图；
24.图2为系统工作在制冷模式时驱动装置及单层弹热材料移动的正视示意图；
25.图3为系统工作在制冷模式时单层弹热材料放冷过程的正视示意图；
26.图4为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时驱动装置移动的正视示意图；
27.图5为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时驱动装置移动到目标夹具所在位置的正视示意图；
28.图6为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时驱动装置夹持目标夹具的正视示意图；
29.图7为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时驱动装置及单层弹热材料移动的正视示意图；
30.图8为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时单层弹热材料加载的正视示意图；
31.图9为系统工作在蓄冷模式下的储能阶段时驱动装置不再夹持夹具而弹热材料维持加载状态的正视示意图；
32.图10为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时多层弹热材料维持加载状态的正视示意图；
33.图11为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时驱动装置移动到目标夹具所在位置的正视示意图；
34.图12为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时驱动装置夹持目标夹具的正视示意图；
35.图13为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时自锁装置取消自锁的正视示意图；
36.图14为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时驱动装置移动并卸载所有弹热材料的正视示意图；
37.图15为系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时多层弹热材料放冷的正视示意图；
38.图16为系统工作时传动夹具夹持夹具的俯视示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。
40.如图1、图16所示，本发明实施例的弹热制冷和蓄冷系统包括弹热材料101、夹具102、自锁装置、驱动装置、热源105以及热汇106，其中，自锁装置由沟槽103-1、锁舌103-2、锁舌弹簧103-3及锁舌主轴103-4组成，驱动装置由第一电机104-1、传动梁104-2、传动夹具104-3、传动摇杆104-4、传动连杆104-5、第二电机104-6组成。圆柱形的夹具102圆柱侧面开口夹持弹热材料101的两端，每层弹热材料101的两端各有一个夹具102，夹具102比其与弹热材料101接触的长度更长，沟槽103-1限制夹具102仅沿沟槽方向移动，固定在每个夹具102的两侧，锁舌103-2固定在沟槽103-1内，共有四个，锁舌103-2一面为圆弧斜面，其他面为平面，锁舌弹簧103-3一端固定，另一端与锁舌103-2相连，锁舌主轴103-4一端连接锁舌103-2，沿锁舌103-2轴向移动，第一电机104-1固定在夹具102两侧，共有两个，传动梁104-2两端存在供传动夹具104-3与传动连杆104-5之间的连接轴移动的直槽口，传动梁104-2两端存在内部轨道使得传动夹具104-3可在其中移动。
41.如图1、图2、图3、图16所示，当系统工作在制冷模式，传动摇杆104-4在第二电机
104-6的驱动下摆动到传动夹具104-3夹持夹具102的状态，锁舌主轴103-4移动带动锁舌103-2压缩锁舌弹簧103-3，自锁装置不限制夹具102在沟槽103-1内的移动。如图1、图2所示，在第一电机104-1的驱动下驱动装置向热汇106移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料101被夹具102加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，到达给定加载位置时单层弹热材料101与热汇106紧密接触并受到大拉伸应力，受到的拉伸应力大于马氏体相变结束应力，向热汇106散热。如图2、图3所示，驱动装置向热源105移动，夹具102夹持的单层弹热材料101所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低，驱动装置到达给定卸载位置时，单层弹热材料101从其余层数的弹热材料101、热源105吸收热量。
42.如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图16所示，系统工作在蓄冷模式下的储能阶段，完成所有层弹热材料101的加载后，储能阶段结束。如图4、图5、图6所示，在第一电机104-1的驱动下驱动装置向热源105移动，一旦到达某一夹具102所在位置，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由不夹持夹具102到夹持夹具102的状态切换。如图7、图8所示，驱动装置驱动夹具102及其夹持的单层弹热材料101向热汇106移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料101被夹具102加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，夹具102在圆弧斜面上施加力压缩锁舌弹簧103-3从而通过锁舌103-2，通过后锁舌弹簧103-3恢复原长，到达给定加载位置时弹热材料101在与其他层弹热材料101或热汇106接触的过程中散热。如图9所示，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由夹持夹具102到不夹持夹具102的状态切换，驱动装置不再向夹具102提供力，锁舌103-2阻挡夹具102的反向移动，维持弹热材料101的加载状态。
43.如图10至图16所示，系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段，放冷阶段结束后可进入储能阶段或转变为制冷模式。如图10、图11所示，在第一电机104-1的驱动下驱动装置向热汇106移动，直到到达最靠近热汇106的弹热材料101对应夹具102的位置。如图12所示，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由不夹持夹具102到夹持夹具102的状态切换。如图13所示，锁舌主轴103-4移动带动锁舌103-2压缩锁舌弹簧103-3，自锁装置不限制夹具102在沟槽103-1内的移动。如图14所示，驱动装置向热源105移动，其余夹具102在被夹持夹具102的带动下同时向热源105移动，被夹持夹具102夹持的单层弹热材料101及其带动的其余层弹热材料101所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低。如图15所示，弹热材料101在与热汇106接触的过程中向热汇106散热。
44.本发明另一实施例还提出一种所述弹热制冷和蓄冷系统的控制方法，包括：
45.所述弹热制冷和蓄冷系统具有制冷模式和蓄冷模式两种模式；
46.当系统工作在制冷模式时，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动到传动夹具104-3夹持夹具102的状态，锁舌主轴103-4移动带动锁舌103-2压缩锁舌弹簧103-3，自锁装置不限制夹具102在沟槽103-1内的移动，在第一电机104-1的驱动下驱动装置向热汇106移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料101被夹具102加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，到达给定加载位置时单层弹热材料101与热汇106接触，向热汇106散热，随后驱动装置向热源105移动，夹具102夹持的单层弹热材料101所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低，驱动装置到达给定卸载位置时，单层弹热材料101从其余层数的弹热材料101、热源105吸收热量，上述循环连续运行；
47.当系统工作在蓄冷模式的储能阶段时，在第一电机104-1的驱动下，驱动装置向热
源105移动，一旦到达某一夹具102所在位置，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由不夹持夹具102到夹持夹具102的状态切换，驱动装置驱动夹具102及其夹持的单层弹热材料101向热汇106移动，在到达给定加载位置之前夹持的单层弹热材料101被夹具102加载拉伸，相变为马氏体，温度升高，夹具102在圆弧斜面上施加力压缩锁舌弹簧103-3从而通过锁舌103-2，通过后锁舌弹簧103-3恢复原长，到达给定加载位置时弹热材料101在与其他层弹热材料101或热汇106接触的过程中散热，随后传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由夹持夹具102到不夹持夹具102的状态切换，驱动装置不再向夹具102提供力，锁舌103-2阻挡夹具102的反向移动，维持弹热材料101的加载状态，上述循环持续运行直到所有弹热材料101完成加载；
48.当系统工作在蓄冷模式下的放冷阶段时，在第一电机104-1的驱动下，驱动装置向热汇106移动，直到到达最靠近热汇106的弹热材料101对应夹具102的位置，传动摇杆104-4在第二电机104-6的驱动下摆动，实现传动夹具104-3由不夹持夹具102到夹持夹具102的状态切换，锁舌主轴103-4移动带动锁舌103-2压缩锁舌弹簧103-3，自锁装置不限制夹具102在沟槽103-1内的移动，随后驱动装置向热源105移动，其余夹具102在被夹持夹具102的带动下，同时向热源105移动，被夹持夹具102夹持的单层弹热材料101及其带动的其余层弹热材料101所受拉伸应力被卸载，相变为奥氏体，温度降低，弹热材料101在与热汇106接触的过程中向热汇106散热。
49.在一种可能的实施方式中，第一电机104-1功率在制冷模式下与制冷功率为同一个数量级；在蓄冷模式的储能阶段，第一电机104-1逐次加载多层弹热材料101，使得蓄冷模式的放冷阶段能够产生2～500倍第一电机104-1功率的制冷功率。
50.在一种可能的实施方式中，热源105与热汇106相距1mm～1000mm固定放置，热源105采用厚度1mm～500mm的高导热率金属板状结构。
51.热汇106面向热源105侧为凸状结构，凸状结构与弹热材料101的接触长度大于热源105与弹热材料101的接触长度，热汇106背向热源105的另一侧为空冷换热结构，向环境放热。
52.热汇106可使用点阵肋片、圆柱阵列肋片或平行直肋片组成，使用风机强制对流，或者利用空冷换热结构的高发射率表面涂层通过自然对流和热辐射散热。
53.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。