CN111238282A - 一种板式储能装置、***及储能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板式储能装置、***及储能方法，包括若干个换热板，换热板相互叠加设置，相邻两个换热板与设置于两相邻换热板四周边缘处的密封条围成一个空间；其中，部分空间形成储能空间，内部填充有相变材料，其余空间形成流体通道；入口通道和出口通道分别与所有流体通道连接，且分别与储能空间分隔；进液通道和出液通道间隔一定距离；所述相变材料为固‑液相变材料。

Description

一种板式储能装置、***及储能方法

技术领域

本发明涉及储能装置技术领域，具体是一种板式储能装置、***及储能方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础和社会发展动力。面对能源危机和环境污染，提高能源利用率和开发新能源是目前能源协调发展的重要方向。但是风能、太阳能等新型清洁能源在供需之间往往存在着时间和空间上的不匹配。储能技术能很好地解决能源供需在时间和空间上的不平衡，能提高能源的使用和利用效率。

储能技术按照材料储能方式的不同可以分为三类，分别为显热储能、化学储能和潜热储能。显热储能是利用材料物质自身的比热容，通过温度变化来进行热量的储存和释放。显热储热的应用过程通常只需实现温度控制，操作与管理简单、技术成熟。但是由于显热储能的储能密度小、温度变化范围大，导致显热储能装置的温度波动范围大，尺寸和重量也比较大，难以满足紧凑空间使用的要求。化学储能是利用可逆的吸放热化学反应来进行热量的储存和释放。化学储能的储能密度高，且如果该反应的催化剂或反应物可得以控制，可以实现较长时间的能量储存。但是化学反应的过程比较复杂，反应速度快，成本、技术、安全等问题限制了化学储能的应用。潜热储能是利用物质在气、液、固三种形态之间发生相变时，吸收或放出潜热来进行热量的储存和释放。按照材料的相变方式不同可以分为固—液、固—气、固—固、液—气和液—液相变材料。其中，液—液相变材料和固—固相变材料的相变潜热较小，不适合用来储能；液—气相变材料和固—气相变材料相变时体积变化太大，也不适合用来储能。而固—液相变材料具有储能密度大、相变温度稳定、相变体积变化小等特点，在实际相变储能技术中应用较多。

目前，制约相变储能***发展应用的重要原因是相变储能***能量的储存和释放速率。相变材料存在有导热系数低的缺点，因而必须采用强化传热措施来改善其传热性能。目前，人们主要通过增加相变储能装置的换热面积来强化传热。而板式换热器与管壳式换热器相比，具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一。基于板式换热器结构在换热性能与应用方面的优势，将板式换热结构用于储能装置中，可以提高储能装置的能量储存和释放的速率。同时，对于传统工业用换热器，板片式换热器有更小的末端温差，末端温差是指一流体入口温度与另一流体出口温度之差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种板式储能装置、***及储能方法。

为解决以上技术问题，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明的一方面，提供包括若干个换热板，换热板相互叠加设置，相邻两个换热板与设置于两相邻换热板四周边缘处的密封条围成一个空间；其中，部分空间形成储能空间，内部填充有相变材料，其余空间形成流体通道；

入口通道和出口通道分别与所有流体通道连接，且分别与储能空间分隔；进液通道和出液通道间隔一定距离；

所述相变材料为固-液相变材料。

本发明的第二方面，提供一种储能***，包括所述板式储能装置和热水源，热水源和板式储能装置的入口通道连通。

本发明的第三方面，提供一种板式储能装置的储能方法，包括如下步骤：

热流体通过入口通道进入流体通道中，流通过程中，热流体的热量通过换热板传递到相变材料处，与相变材料进行热交换，通过发生相变将热能储存于相变材料中。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例的有益效果为：

设置板式储能装置，换热板叠加设置，每两个换热板之间均通过密封围成一定空间，部分空间内填充有相变材料，其余空间内形成流体通道。当进行储能时，能量来源可以为多种，如，可以为高温废水、高温废气等，热流体可以在通过流体通道时与相变材料进行热交换，将热流体中的热量传递到相变材料中进行存储，存储的这部分能量可以在能量缺乏时使用。

由于板式换热器具有更小的末端温差，这一性能指标对于本发明中的板式相变储能换热器来说，意味着在放能过程中出口流体的温度可以很接近相变材料的相变温度，也就是可以将流体加热到更接近所需温度。

目前应用中的储能装置多以管壳式、填充床式、矩形、圆柱形换热储能***为主。本发明装置所采用的板式换热器的结构，与以上相变储能装置相比，相同的相变材料体积的条件下，明显减小了相变材料的厚度，由于相变材料的导热系数较低，影响换热速率的主要因素是相变材料自身的导热快慢，减小相变材料的厚度降低了导热在整个储能过程中的影响，从而提高了换热效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种基于相变材料和波纹板的板式储能装置的结构示意图；

图2为本发明中换热板组的侧视图；

图3为本发明中换热板流体侧的结构示意图；

图4为本发明中换热板相变材料侧、靠近压紧板侧换热板的结构示意图；

图5为本发明中换热板的侧视图；

图6为本发明中绝热密封垫圈一的结构示意图；

图7为本发明中换热板与绝热密封垫圈一的配合示意图；

图8为本发明中绝热密封垫圈二的结构示意图；

图9为本发明中换热板与绝热密封垫圈二的配合示意图。

图中：1、固定压紧板；2、换热板组；3、活动压紧板；4、连接杆；5、绝热密封垫圈；6、流体入口；7、流体出口；8、储能空间；9、流体通道；10、密封槽；11、波纹结构；12、流体通口；13、通孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种板式储能装置，包括若干个换热板，换热板相互叠加设置，相邻两个换热板与设置于两相邻换热板四周边缘处的密封条围成一个空间；其中，部分空间形成储能空间，内部填充有相变材料，其余空间形成流体通道；

入口通道和出口通道分别与所有流体通道连接，且分别与储能空间分隔；进液通道和出液通道间隔一定距离；所述相变材料为固-液相变材料。

由以上可知，该实施例中的储能装置整体为板体结构，由多个换热板相互叠加成，所以，多个换热板就可以将整个储能装置分隔为多个相对独立的空间，可以在某些空间内填充相变材料，其余空间形成的流体通道用于通入热流体，热流体与相变材料通过换热板进行换热，将热能储存。

流体通道中一般需要流通热水、高温蒸汽或高温烟气等流体，为了避免流体的泄露，需要将相邻两个换热板的四周的边缘进行密封，以防流体泄露，具体的密封形式可以为多种，只要能起到密封效果就可以，如，在每个换热板的四周边缘均压制凹槽，将与其形状相适应的密封条过盈配合于凹槽内，即可实现密封。密封条的材质最好为弹性材质，以便进行安装，达到更好的密封效果，如橡胶、硅酸铝等。

此处的换热板是就其作用而命名，其意思为，该换热板具有较好的导热性能，便于相变材料与冷热介质之间的热量交换，其就是一个板体，最好为金属板体，导热性能良好，且具有较高的强度。就其形状而言，没有过多的限制，如，可以为长方形、正方形、圆形、三角形等，较为常用的是长方形。

入口通道和出口通道需要与所有的流体通道连通，为了达到该种效果，入口通道和出口通道都可以相对于换热板板体有一定夹角地倾斜设置，或相对于换热板板体垂直设置，为了便于换热板的工业化、机械化加工，倾向于在换热板板体的同一位置加工通孔，加工有通孔的换热板相互叠加，形成的通道，与换热板是垂直的。

为了实现入口通道和出口通道与储能空间分隔，可以在该部分空间的边缘处进行密封，防止热流体或冷流体流入，对相变材料造成破坏。

在一些实施例中，流体通道与储能空间交错分布。即为流体通道-相变材料-流体通道-相变材料……流体通道-相变材料，采用该种设置方式，便于提高相变材料与冷热流体的接触面积，提高换热效率。

在一些实施例中，储能空间的厚度与流体通道的厚度之比为3-5:1，如可以为3:1，4:1，5:1等。该处的厚度是指垂直于换热板板体方向的厚度，将储能空间的厚度设计为较大的厚度，可以用于填充更多的相变材料，以达到存储更多能量的目的。

在一些实施例中，所述相变材料为有机相变材料、无机相变材料或复合相变材料。

进一步的，所述有机相变材料为石蜡或硬脂酸。

进一步的，所述无机相变材料为十二水硫酸铝铵、十水硫酸钠等。

进一步的，所述复合相变材料为纳米金属/石蜡复合相变材料，泡沫铜/石蜡复合相变材料等。

在一些实施例中，所述密封条的材质为硅铝酸。硅铝酸材质的密封条可以起到较好的密封效果，且具有良好的保温性能，有效防止热量的散失。

在一些实施例中，每个换热板上都冲压有波纹段。波纹状的换热板可以取得更大的换热面积。以有利于热流体与相变材料之间的热量交换。

采用的换热板，设置有波纹段，该结构增强了流体域中流动的湍流性，能破坏边界层生长，进而减薄边界层；同时可以诱发流体在垂直主流方向上的二次流动，进一步增强传热；与相同投影面积的光滑板片相比，波纹结构的存在增加了换热面积。

采用的流体通道、储能空间交错排布的结构特点，在合理利用空间的基础上，大大增加了两者的换热面积，同时充分利用了波纹换热板的波纹结构。

进一步的，波纹段的结构为水平平直波纹、人字形波纹或斜波纹中的一种或几种的组合。

在一些实施例中，还包括固定压紧板和活动压紧板，固定压紧板和活动压紧板分别设置于板式储能装置的两侧。

换热板具有较好的导热性能，所以，如果将板式储能装置仅设置换热板，则容易导致热量的流失。在板式储能装置的两侧分别设置固定压紧板和活动压紧板，可以将换热板整体夹住，有效防止热量通过换热板散失至周围环境中。所以，两个压紧板应该由热的不良导体制备而成。且两个压紧板应具有一定的厚度，提供足够的支撑作用，对中间的换热板起到较好的保护作用。

本发明的第二方面，提供一种储能***，包括所述板式储能装置和热流体源，热流体源和板式储能装置的入口通道连通。

在一些实施例中，所述热流体源为太阳能蓄热水箱、高温废水箱、高温蒸汽发生器或高温烟气源。

高温烟气源应为流通有高温烟气的烟囱。高温废水箱内的高温废水可以来源于工业生产中的循环冷却水等。

在一些实施例中，还包括冷流体源，冷流体源与热流体源并联。两者并联，储热时，将热流体源与板式储能装置连接，将热流体送入其中，将热量传递给相变材料，进行储热；放热时，将冷流体源与板式储能装置连接，将冷流体送入其中，相变材料放热，将热量传递给冷流体，对冷流体进行加热，便于后续的利用。

根据公众所知，流体的流动动力来自于泵，所以，可以在冷流体源或热流体源与板式储能装置之间的连通管道上设置泵，泵的类型可以根据具体情况进行选择。

本发明的第三方面，提供一种板式储能装置的储能方法，包括如下步骤：

热流体通过入口通道进入流体通道中，流通过程中，热流体的热量通过换热板传递到相变材料处，与相变材料进行热交换，通过发生相变将热能储存于相变材料中。

放热时，在流体通道内通入冷流体，冷流体与相变材料之间进行换热，将冷流体进行加热，便于后续的利用。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种基于相变材料和波纹板的板式储能装置，包括固定压紧板1、换热板组2、活动压紧板3、绝热密封垫圈5、连接杆4，固定压紧板1、换热板2、活动压紧板3的上下均开设有一个通孔13，连接杆4通过通孔13起到连接、固定换热板组2、固定压紧板1和活动压紧板3的作用，固定压紧板1上设置有四个流体通口，上部两个为流体入口6，下部两个为流体出口7，换热板组2包括若干偶数个换热板，每个换热板的四角设有流体通口12，换热板中间采用波纹结构11，换热板组2构成流体通道9及储能空间8交错分布，储能空间内8填充相变材料，固定压紧板1与第一个换热板之间、每个换热板之间、最后一个换热板与活动压紧板3之间均设置有绝热密封垫圈5。

换热板组2由偶数个换热板组成，每个换热板上都冲压有水平平直波纹、人字形波纹或斜波纹11的一种或几种的组合。

换热板组2构成流体通道9及储能空间8交错分布，从靠近固定压紧板1的第一个换热板起，每奇数个换热板与后一个换热板间形成流体通道9，每偶数个换热板与后一个换热板间形成储能空间8，固定压紧板1与第一个换热板、最后一个换热板与活动压紧板3之间用绝热密封垫圈5嵌套，既不通流体，也不储存相变材料。

储能空间8的厚度是换热板间流体通道9的3-5倍。

储能空间8的高度、宽度与换热板上波纹结构11的矩形部分相同，储能空间8内填充有相变材料。

如图6、图8所示，绝热密封垫圈5有两种，分别为绝热密封垫圈一和绝热密封垫圈二。

固定压紧板1和第一个换热板之间、最后一个换热板和活动压紧板3之间均设置有不允许流体上下流通的绝热密封垫圈一。

换热板组2中，每偶数个换热板与后一个换热板间均设置有不允许流体上下流通的绝热密封垫圈一，形成储能空间8。

换热板组2中，每奇数个换热板与后一个换热板间均设置有允许流体上下流通的绝热密封垫圈二，形成流体通道9。

固定压紧板1、活动压紧板3、每个换热板上均设有密封槽10，所述密封槽10的形状与绝热密封垫圈5在固定压紧板1、活动压紧板3、换热板组2上的部分对应。

入口流体的选择可以是生活用水等，相变材料的种类有石蜡、硬脂酸等有机相变材料，也可以是复合相变材料。

实施例2

如图1、图2、图3所示一种基于相变材料和波纹板的板式储能装置，包括固定压紧板1、换热板组2、活动压紧板3、绝热密封垫圈5、连接杆4，固定压紧板1、换热板2、活动压紧板3的上下均开设有一个通孔13，连接杆4通过通孔13起到连接、固定换热板组2、固定压紧板1和活动压紧板3的作用，固定压紧板1上设置有四个流体通口，上部两个为流体入口6，下部两个为流体出口7，换热板组2包括若干偶数个换热板，每个换热板的四角设有流体通口12，换热板中间采用波纹结构11，换热板组2构成流体通道9及储能空间8交错分布，储能空间内8填充相变材料，固定压紧板1与第一个换热板之间、每个换热板之间、最后一个换热板与活动压紧板3之间均设置有绝热密封垫圈5。

所述装置可以作为太阳能的储能装置，能解决太阳能的间歇性、不稳定性的问题。经过太阳能加热的水到达一定温度以后，除一部分直接用于生活外，有部分多余热水可以通过两个流体入口7进入该板式储能装置。

如图6、图7所示，固定压紧板1与第一个换热板之间、最后一个换热板和活动压紧板3之间设置有不允许流体上下流通的绝热密封垫圈一；每偶数个换热板与后一个换热板间均设置有不允许流体上下流通的绝热密封垫圈一，形成储能空间8。

如图8、图9所示，每奇数个换热板与后一个换热板间均设置有允许流体上下流通的绝热密封垫圈二，形成流体通道9。

换热板组2包含若干偶数个换热板，换热板间形成流体-相变材料-流体-相变材料-流体-……-相变材料-流体的交错空间组合。

流体从入口7进入后，一部分流体在流体通道9受重力作用向下流动，通过两侧的换热板将携带的热能传给相变材料，剩下的部分流体继续从换热板的流体通孔12向前流动。

每个换热板上都有一块矩形部分冲压成波纹结构11，流体与相变材料的换热区域与波纹结构11相同，波纹结构11的存在增强了流体域中流动的湍流性，能破坏边界层生长，进而减薄边界层；同时可以诱发流体在垂直主流方向上的二次流动，进一步增强传热；此外，波纹结构11的存在增加了换热面积。

如图6、图7所示，流体流经储能空间上方时，由于绝热密封垫圈5的密封作用，该部分流体全部继续从换热板的流体通孔12向前流动。

储能空间8的厚度是换热板间流体通道9的3-5倍。

储能空间8的高度、宽度与换热板上波纹结构11的矩形部分相同，储能空间8内填充有相变材料。

实施例3

板式储能装置的安装方式

1.安装换热板组2，将绝热密封垫圈一与换热板相变材料侧上对应的密封槽压嵌套压紧，填充厚度略小于绝热密封垫圈厚度的相变材料，然后与另一块换热板上的密封槽嵌套压紧，完成一个储能空间的配合；

2.换热板流体侧的密封槽与绝热密封垫圈二嵌套压紧，通过这种方式将所有换热板压紧配合成换热板组2，并对所有缝隙处进行绝热密封处理；

3.通过绝热密封垫圈将换热板组2与固定压紧板1、活动压紧板3配合压紧，连接杆4穿过通孔13，用加紧螺栓将整体装置紧固；

4.将活动压紧板3与放置处外部支架安装配合；流体入口6、流体出口7与外部热源相连接，如太阳能蓄热水箱，生活用水蓄热水箱。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种板式储能装置，其特征在于：包括若干个换热板，换热板相互叠加设置，相邻两个换热板与设置于两相邻换热板四周边缘处的密封条围成一个空间；其中，部分空间形成储能空间，内部填充有相变材料，其余空间形成流体通道；

入口通道和出口通道分别与所有流体通道连接，且分别与储能空间分隔；进液通道和出液通道间隔一定距离；所述相变材料为固-液相变材料。

2.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：流体通道与储能空间交错分布。

3.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：储能空间的厚度与流体通道的厚度之比为3-5:1。

4.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：所述相变材料为有机相变材料、无机相变材料或复合相变材料；

进一步的，所述有机相变材料为石蜡或硬脂酸；

进一步的，所述无机相变材料为十二水硫酸铝铵、十水硫酸钠；

进一步的，所述复合相变材料为纳米金属/石蜡复合相变材料，泡沫铜/石蜡复合相变材料。

5.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：所述密封条的材质为硅铝酸。

6.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：每个换热板上都冲压有波纹段；

进一步的，波纹段的结构为水平平直波纹、人字形波纹或斜波纹中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求1所述的板式储能装置，其特征在于：还包括固定压紧板和活动压紧板，固定压紧板和活动压紧板分别设置于板式储能装置的两侧。

8.一种储能***，其特征在于：包括所述板式储能装置和热流体源，热流体源和板式储能装置的入口通道连通。

9.根据权利要求8所述的储能***，其特征在于：所述热流体源为太阳能蓄热水箱、高温废水箱、高温蒸汽发生器或高温烟气源；

优选的，还包括冷流体源，冷流体源与热流体源并联。

10.一种板式储能装置的储能方法，其特征在于：包括如下步骤：

热流体通过入口通道进入流体通道中，流通过程中，热流体的热量通过换热板传递到相变材料处，与相变材料进行热交换，通过发生相变将热能储存于相变材料中。

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