电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置及其运行方法

本发明涉及相变储能和强化对流传热领域，具体涉及一种电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置及其运行方法。

背景技术：

1、储能技术可在一定程度上解决能源供给与需求在时间、空间以及强度上的匹配问题，缓解可再生能源(如太阳能、风能等)开发和利用中的不稳定性以及能源系统负荷峰谷差异大的不利影响。与显热储能和电化学储能相比，相变储能技术利用相变材料在相态变化过程中吸收/释放大量的热量进行能量管理，具有储能密度大、温度波动小、设备简单、安全可靠的优势，在储存同等热能的情况下，装置的体积可减小40％～70％。因此，相变储能技术在太阳能热利用、余热回收、建筑节能、热管理等领域得到了广泛应用。

2、但是，相变材料存在导热系数较低的固有缺陷，使其在实际使用过程中往往受到限制。针对该问题，研究者们提出了在相变材料中加入泡沫金属、增加翅片以及微胶囊处理等一系列改善相变材料导热性能的方法，但是这些方法却不同程度地抑制了相变过程中的对流传热。此外，对于相变材料的熔化、凝固过程目前依然无法实现有效的人为调控，使得相变储能技术缺乏可控性、灵活性。因此，亟需一种能够提高相变材料导热性的同时强化其对流传热，并且可以进行人为调控的装置和方法，从而实现相变储能技术在各个领域中的高效利用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决相变储能装置中导热性和对流传热较差等问题，进而提供一种电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置及其运行方法。

2、本发明的技术方案是：

3、一种电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，它包括相变储能装置、电场发生装置和测温组件；相变储能装置包括金属壳体7、介电相变材料4和多个导热水管层，金属壳体7接地，金属壳体7内部设有水平布置的多个导热水管层，所述多个导热水管层由外向内依次同轴套设布置，每个导热水管层中的导热水管3两端分别水平穿过壳体两端面并延伸至壳体两侧，导热水管3外壁与金属壳体7内壁之间填充介电相变材料4；电场发生装置包括电极板8、多个柱状电极层和多个直流电源，金属壳体7内底面设有水平布置的电极板8，金属壳体7与最外侧导热水管层之间、相邻导热水管层之间均设有柱状电极层，每个柱状电极层中包括四个柱状电极，所述四个柱状电极沿圆周方向均匀分布，长方形电极板8和每个柱状电极层均单独连接直流电源；测温组件包括多个壁面温度传感器11、多个层间温度传感器和多个板面温度传感器，介电相变材料4中靠近金属壳体7四个壁面处布置多个壁面温度传感器11，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域边缘处布置多个层间温度传感器，所述层间温度传感器靠近柱状电极布置，介电相变材料4中靠近电极板8上表面处均匀布置多个板面温度传感器。

4、进一步地，每个导热水管层中的多个导热水管3均以矩形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极均以矩形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域均为矩形，四个柱状电极分别位于矩形的四个顶点处，金属壳体7为长方体金属外壳，电极板8为长方形电极板。

5、进一步地，每个导热水管层中的多个导热水管3均以环形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极均以环形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域均为圆形，金属壳体7为圆柱形金属外壳，电极板8为弧形电极板。

6、进一步地，相变储能装置还包括若干个翅片5，导热水管3管壁沿长度方向由前至后依次均匀设有多个翅片5。

7、进一步地，每根导热水管3上相邻两个翅片5的间距为5～15cm。

8、进一步地，翅片5的形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形或菱形，翅片5中心设有与导热水管3相匹配的导热水管安装孔，翅片5与导热水管3焊接连接。

9、进一步地，介电相变材料4采用有机相变材料。

10、进一步地，导热水管3由金属材质制成。

11、进一步地，相变储能装置还包括保温棉6，金属壳体7外部包裹保温棉6。

12、一种基于电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置的运行方法，所述运行方法如下：

13、在蓄热过程，直流电源首先均保持关闭状态，导热水管3中的高温流体经过相变储能装置时，将热量不断传递给介电相变材料4，靠近导热水管3处的介电相变材料4将率先吸热熔化，所以在内侧柱状电极周围的介电相变材料4会比外侧柱状电极周围的介电相变材料4熔化的更快；当内侧层间温度传感器测得的温度高于介电相变材料4的相变温度时，打开内侧柱状电极对应的直流电源，使四个内侧柱状电极通电，产生自由电荷并驱动流体流动，从而增强对流传热，加速介电相变材料4的熔化过程；随着蓄热过程不断进行，当外侧层间温度传感器测得的温度高于介电相变材料4的相变温度时，打开外侧柱状电极对应的直流电源，使四个外侧柱状电极通电，产生自由电荷并驱动流体流动，进一步增强相变储能装置内的对流传热；待到壁面温度传感器11所测量金属壳体7侧壁面附近的介电相变材料4的温度高于介电相变材料4的相变温度时，此时金属壳体7内的介电相变材料4全部熔化，关闭所有直流电源，蓄热过程完成。

14、在放热过程，由于金属壳体7内填充的介电相变材料4在蓄热过程中全部吸热熔化为介电液体，所以在放热过程开始时即可使内、外侧的柱状电极以及长方形电极板8通电，加快相变材料介电液体的传热速率当导热水管3中的低温流体经过相变储能装置时，熔化后的介电相变材料4将热量传递给低温流体，靠近导热水管3处的介电相变材料4将率先放热，逐渐开始凝固；当内侧层间温度传感器测得的温度低于介电相变材料4的相变温度后，关闭内侧柱状电极对应的直流电源，内侧柱状电极停止通电；随着放热过程不断进行，当外侧层间温度传感器测得的温度低于介电相变材料4的相变温度时，关闭外侧柱状电极对应的直流电源，外侧柱状电极停止通电；待到壁面温度传感器11所测量金属壳体7侧壁面附近的介电相变材料4的温度低于介电相变材料4的相变温度时，此时金属壳体7内的介电相变材料4全部凝固，关闭长方形电极板8对应的直流电源，放热过程完成。

15、本发明与现有技术相比具有以下效果：

16、1、本发明将电流体动力学与传热学结合，通过对介电相变材料4的相变过程施加直流电场诱发产生电对流，从而增强介电液体中的对流传热，提高相变材料的蓄、放热速率。

17、2、本发明将电极的位置以内圈、外圈进行划分，基于不同实际情况要求，通过控制内、外圈柱状电极1的通电与否，从而实现相变速率的多级调控，大大提高了相变储能技术的可控性和灵活性。

18、3、与显热储能方式相比，相变储能具有更高的蓄热密度，因此可以极大地缩减储能装置的占地面积和使用空间。

技术特征：

1.一种电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：它包括相变储能装置、电场发生装置和测温组件；相变储能装置包括金属壳体(7)、介电相变材料(4)和多个导热水管层，金属壳体(7)接地，金属壳体(7)内部设有水平布置的多个导热水管层，所述多个导热水管层由外向内依次同轴套设布置，每个导热水管层中的导热水管(3)两端分别水平穿过壳体两端面并延伸至壳体两侧，导热水管(3)外壁与金属壳体(7)内壁之间填充介电相变材料(4)；电场发生装置包括电极板(8)、多个柱状电极层和多个直流电源，金属壳体(7)内底面设有水平布置的电极板(8)，金属壳体(7)与最外侧导热水管层之间、相邻导热水管层之间均设有柱状电极层，每个柱状电极层中包括四个柱状电极，所述四个柱状电极沿圆周方向均匀分布，长方形电极板(8)和每个柱状电极层均单独连接直流电源；测温组件包括多个壁面温度传感器(11)、多个层间温度传感器和多个板面温度传感器，介电相变材料(4)中靠近金属壳体(7)四个壁面处布置多个壁面温度传感器(11)，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域边缘处布置多个层间温度传感器，所述层间温度传感器靠近柱状电极布置，介电相变材料(4)中靠近电极板(8)上表面处均匀布置多个板面温度传感器。

2.根据权利要求1所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：每个导热水管层中的多个导热水管(3)均以矩形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极均以矩形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域均为矩形，四个柱状电极分别位于矩形的四个顶点处，金属壳体(7)为长方体金属外壳，电极板(8)为长方形电极板。

3.根据权利要求1所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：每个导热水管层中的多个导热水管(3)均以环形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极均以环形阵列的方式布置，每个柱状电极层中的四个柱状电极中心形成的合围区域均为圆形，金属壳体(7)为圆柱形金属外壳，电极板(8)为弧形电极板。

4.根据权利要求2或3所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：相变储能装置还包括若干个翅片(5)，导热水管(3)管壁沿长度方向由前至后依次均匀设有多个翅片(5)。

5.根据权利要求4所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：每根导热水管(3)上相邻两个翅片(5)的间距为5～15cm。

6.根据权利要求5所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：翅片(5)的形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形或菱形，翅片(5)中心设有与导热水管(3)相匹配的导热水管安装孔，翅片(5)与导热水管(3)焊接连接。

7.根据权利要求6所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：介电相变材料(4)采用有机相变材料。

8.根据权利要求7所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：导热水管(3)由金属材质制成。

9.根据权利要求8所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置，其特征在于：相变储能装置还包括保温棉(6)，金属壳体(7)外部包裹保温棉(6)。

10.一种基于权利要求9所述的电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置的运行方法，其特征在于：所述运行方法如下：

技术总结电场诱导多级调控固液相变传热的储能装置及其运行方法，它涉及相变储能和强化对流传热领域。本发明解决了相变储能装置中导热性和对流传热较差等问题。本发明的金属壳体内部设有水平布置的多个导热水管层，多个导热水管层由外向内依次同轴套设布置，导热水管外壁与金属壳体内壁之间填充介电相变材料，金属壳体内底面设有水平布置的电极板，金属壳体与最外侧导热水管层之间、相邻导热水管层之间均设有柱状电极层，每个柱状电极层中包括四个柱状电极，所述四个柱状电极沿圆周方向均匀分布，长方形电极板和每个柱状电极层均单独连接直流电源。本发明用于提高相变材料导热性的同时强化其对流传热，并且可以进行人为调控。技术研发人员：张甜甜,朱一安,贾琦,毕秀新,韩东亮,谭羽非受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15