一种蛛网形振动强化的仿生储能装置及其运行方法

1.本发明涉及仿生储能装置技术领域，尤其涉及一种基于蛛网形、振动强化换热的仿生储能装置及其运行方法。


背景技术：

2.在余热回收、清洁能源利用领域，为了实现能量在供给侧与需求侧的互配，热能的存储材料的开发和系统的优化必不可少。以水为主要储能介质的显热储能方式，虽稳定性高，但储能密度不足，因此，相变储能材料在显热储能的基础上，可通过其相变过程中的相变潜热，实现热量的高密度存储与释放。
3.以相变材料为储能介质的装置，应用性通常因材料固有属性受到限制，以无机盐为代表的相变材料在循环使用过程中易出现过冷现象与相分离现象，使得材料性能衰减，以石蜡为代表的相变材料的导热性能不足也使得热量无法及时存储与释放。目前研究多以添加高导热材料，例如泡沫铜、石墨烯等，或增加换热面积方法，但此类方法使得储能材料体积减小，热量传递依然以自然对流为主，使得其传热性能提升有限，因此亟需提供一种可降低相变材料衰减、提高换热效率的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的不足，并提供一种蛛网形振动强化的仿生储能装置及其运行方法。
5.本发明所采用的具体技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供了一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，包括若干呈蜂窝状连续排布的储能模组，每个储能模组包括若干同轴连续设置的储能模块；所述储能模块为套管式结构，包括由内至外同轴设置的换热管、蛛网形翅片模块和外壳；所述换热管和外壳之间填充有相变材料，相变材料能将蛛网形翅片模块完全覆盖；所述蛛网形翅片模块包括分别具有若干翅片孔的横向蛛网形翅片和纵向蛛网形翅片，若干横向蛛网形翅片同轴间隔设置，相邻横向蛛网形翅片之间通过若干纵向蛛网形翅片弹性连接，最外侧的横向蛛网形翅片通过若干弹性组件与外壳相连；所述横向蛛网形翅片和/或纵向蛛网形翅片表面设置有振动发生器；
7.同一个储能模组内相邻储能模块间的换热管通过管路实现串联，相邻储能模组中位于末端储能模块中的换热管之间通过管路实现连通；不同储能模组中位于首端储能模块中的换热管之间通过管路实现并联，首端并联管路与热源接口连通；不同储能模组中位于末端储能模块中的换热管之间通过管路实现并联，末端并联管路与供热接口连通。
8.作为优选，相邻所述储能模块之间均为可拆卸式连接。
9.作为优选，与所述热源接口连通处的并联管路上设有装置进口控制阀门，与所述供热接口连通处的并联管路上设有装置出口控制阀门。
10.作为优选，位于首端的所述储能模块中的换热管通过设有模组进口控制阀门的子
管路与首端并联管路连通；位于末端的所述储能模块中的换热管通过设有模组出口控制阀门的子管路与末端并联管路连通。
11.作为优选，同一个所述储能模组内的相邻储能模块间的换热管分别通过设有第一控制阀门的管路实现串联。
12.作为优选，相邻所述储能模组中位于末端储能模块中的换热管之间分别通过设有第二控制阀门的管路实现连通。
13.作为优选，每个所述储能模组的进口和出口处分别设有温度传感器。
14.作为优选，所述温度传感器与控制器相连，控制器用于根据温度传感器提供的信号控制装置内各阀门的开闭。
15.进一步的，所述储能模组设有五组，每个储能模组包括第一储能模块、第二储能模块和第三储能模块共三个储能模块。
16.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述仿生储能装置的运行方法，具体如下：
17.储能模式：液相换热介质回收来自清洁能源的热量后传递至热源接口，随后通过管路流至各储能模组中的换热管内；在该过程中，储能模块中靠近换热管处的相变材料最先融化，热量沿着还未融化的固态相变材料和蛛网形翅片模块进行传递；随着换热的进行，融化后的液相相变材料成为热量传递的主要热阻，此时振动发生器开始运行，促使自然对流状态的液相和静置状态的两相混合区相变材料振动产生局部湍流，强化换热，直至装置全部储能完成；
18.若出现热源接口处供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在储能模式中，以储能装置中的储能模组为单位，根据储能模组进口和出口处的温差值判定储能模组的储能完成程度，并提供信号给控制器；
19.释热模式：当供热接口处用热时，储能装置内的高温位液相换热介质以储能模组为单位从储能模块顶端供给，储能装置的液相换热介质从储能模块底部补给，此时振动发生器工作，储能完全的储能模块中的液相相变材料受到振动后，开始产生湍流扰动，促进换热过程持续进行；
20.若出现热源接口处供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在释热模式中，储能模组通过控制器调控装置内阀门开闭情况，以储能模组为单位进行释热，并实行储能完全的储能模组优先供热释热原则。
21.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
22.第一，本发明的模组化结构使系统可控性强，储/释能效率高，装置结构稳定，有效防止相变材料泄漏，易于模块化更换、检修。
23.第二，本发明的仿生储能装置中，基于蛛网形结构动力学特性，通过与相变材料耦合，可以强化相变材料换热效率，有效降低相变材料循环使用过程中的相分离与过冷现象，进而降低相变材料衰减率。
24.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
25.图1是本发明一种蛛网形振动强化的仿生储能装置的结构示意图；
26.图2是本发明储能模块结构示意图；
27.图中：热源接口1，装置进口控制阀门2，模组进口控制阀门3，第一储能模块4，第一控制阀门5，第二储能模块6，第二控制阀门7，温度传感器8，第三储能模块9，模组出口控制阀门10，装置出口控制阀门11，供热接口12，换热管13，横向蛛网形翅片14，纵向蛛网形翅片15，振动发生器16，弹性组件17，翅片孔18，相变材料19，控制器20，外壳21。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
29.本发明提供了一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，该仿生储能装置主要包括多个呈蜂窝状连续排布的储能模组，每个储能模组包括多个同轴依次连续设置的储能模块。也就是说，储能装置内包含多个可检修、拆卸、组装的单一蜂窝状储能模块，多个储能模块可组成储能模组，在储、释热过程中进行分区调控。
30.如图1所示，在本发明提供的一个较优实施例中，储能模组设有五组，每个储能模组包括三个从上至下依次设置的储能模块，即第一储能模块4、第二储能模块6和第三储能模块9。
31.如图2所示，本发明装置的储能模块为套管式结构，管程用于通入液相传热介质，壳程填充有相变材料。具体的，储能模块包括由内至外同轴设置的换热管13、蛛网形翅片模块和外壳21。换热管13和外壳21之间填充有相变材料19，相变材料19能将蛛网形翅片模块完全覆盖。也就是说，蛛网形翅片模块嵌入于相变材料19中呈现悬浮状态。蛛网形翅片模块包括横向蛛网形翅片14和纵向蛛网形翅片15，且横向蛛网形翅片14和纵向蛛网形翅片15上均分别开设有多个翅片孔18。多个横向蛛网形翅片14同轴间隔设置，相邻的横向蛛网形翅片14之间通过多个纵向蛛网形翅片15弹性连接。位于最外侧的横向蛛网形翅片14通过多个弹性组件17与外壳21相连，弹性组件可以采用弹簧结构，进而实现蛛网形翅片模块的悬挂固定。横向蛛网形翅片14和/或纵向蛛网形翅片15表面设置有振动发生器16，振动发生器用于在热量存储与释放过程中产生振动，使得翅片表面液相相变材料产生湍流，强化热量传递，进而增加储热单元的储/放热效率。
32.在本实施例中，外壳21和横向蛛网形翅片14的径向横截面均为六边形；纵向蛛网形翅片15为平板状结构，且分别设置在横向蛛网形翅片14的六个角处。在本实施例中，“弹性连接”是指纵向蛛网形翅片15上设置有弹性结构，使得振动过程中具有缓冲效果，例如，在储热过程中，因相变材料液相率不高，外层横向翅片周围处于固体相变材料中，内层横向翅片周围相变材料已融化为液态，此时振动开启，进而强化换热。
33.在本发明的装置中，多个蜂窝状相变储能模组，通过分组串联与并联的形式相互连接，具体如下：
34.同一个储能模组内相邻储能模块之间的换热管13通过管路实现串联，相邻储能模组中位于末端储能模块中的换热管13之间通过管路实现连通。不同储能模组中位于首端储能模块中的换热管13之间通过管路实现并联，首端并联管路与热源接口1连通。不同储能模
组中位于末端储能模块中的换热管13之间通过管路实现并联，末端并联管路与供热接口12连通。
35.以本实施例所示的图1结构为例，位于最左侧的一组储能模组中，首端的第一储能模块4中的换热管底部通过子管路与首端并联管路连通、顶部通过管路与第二储能模块6中的换热管顶部连通，第二储能模块6中的换热管底部通过管路与第三储能模块9中的换热管底部连通，第三储能模块9中的换热管顶部通过三通分为两路，一路通过子管路与末端并联管路连通，另一路通过管路与相邻的另一组储能模组中位于末端的储能模块的换热管顶端连通。这样设置的优点有两点，其一，模块化布置，可根据余热或太阳能热量特点，针对性布置不同相变温度、储热密度的相变储能模组同时使用，适用性强，可随意拆卸更换。其二，在储热过程中，如余热量供给不足，并不能完全整个储能装置完全储热完成，可根据储热模组设定优先级，按照储热完成度，依次进行热量供给。
36.在本实施例中，为了更好的反馈调控各管路的开闭，在每个储能模组的进口和出口处分别设有温度传感器8，温度传感器8与控制器20相连，控制器20用于根据温度传感器8提供的信号控制装置内各阀门的开闭，进而通过阀门调控模块储、供能启停状态。装置内各阀门的设置情况具体如下：
37.与热源接口1连通处的并联管路上设有装置进口控制阀门2，与供热接口12连通处的并联管路上设有装置出口控制阀门11。位于首端的储能模块中的换热管13通过设有模组进口控制阀门3的子管路与首端并联管路连通。位于末端的储能模块中的换热管13通过设有模组出口控制阀门10的子管路与末端并联管路连通。同一个储能模组内的相邻储能模块间的换热管13分别通过设有第一控制阀门5的管路实现串联。相邻储能模组中位于末端储能模块中的换热管13之间分别通过设有第二控制阀门7的管路实现连通。
38.具体的，如图1所示，热源接口1连接装置进口控制阀门2进口，装置进口控制阀门2出口连接模组进口控制阀门3进口，模组进口控制阀门3出口连接第一储能模块4底部进口，换热后第一储能模块4出口连接第一控制阀门5，第一控制阀门5出口连接第二储能模块6进口，第二储能模块6出口连接第一控制阀门5，第一控制阀门5出口连接第三储能模块9进口，第三储能模块9出口通过三通分开，一个出口连接模组出口控制阀门10进口，模组出口控制阀门10出口连接装置出口控制阀门11，装置出口控制阀门11出口连接供热接口12，完成一个模组的储能流程，第三储能模块9的另一个出口连接下一个模组的第二控制阀门7的入口。
39.利用上述仿生储能装置的运行方法，主要包括储能模式和释热模式，具体如下：
40.储能模式：液相换热介质回收来自工业余热、光热等清洁能源的热量后传递至热源接口1，随后通过管路流至各储能模组中的换热管13内。在该过程中，储能模块中靠近换热管13处的相变材料19最先融化，热量沿着还未融化的固态相变材料19和蛛网形翅片模块进行传递。随着换热的进行，融化后的液相相变材料19成为热量传递的主要热阻，此时振动发生器16开始运行，促使自然对流状态的液相和静置状态的两相混合区相变材料19振动产生局部湍流，强化换热，直至装置全部储能完成。
41.若出现热源接口1处(即热源侧)供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在储能模式中，以储能装置中的储能模组为单位，根据储能模组进口和出口处的温差值判定储能模组的储能完成程度，并提供信号给控制器20。
42.释热模式：当供热接口12处(即用户侧)用热时，储能装置内的高温位液相换热介质以储能模组为单位从储能模块顶端供给，储能装置的液相换热介质以组为单位从储能模块底部补给，此时振动发生器16工作，储能完全的储能模块中的液相相变材料受到振动后，开始产生湍流扰动，促进换热过程持续进行。
43.若出现热源接口1处供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在释热模式中，储能模组通过控制器20调控装置内阀门开闭情况，以储能模组为单位进行释热，并实行储能完全的储能模组优先供热释热原则。
44.本发明装置用于回收、存储工业余热、光热等清洁可再生能源，热量通过液相流动换热介质存储于蜂窝状相变储能模块中；在存储与释放热量过程中，振动发生器带动蛛网形翅片模块在蜂窝状相变储能模块中产生振动扰流，加快换热；本发明能够实现高效、稳定的热量传递、存储、利用的同时，有效克服相变储能介质导热系数低、因相分离现象导致材料衰减度高等固有缺陷，蜂窝状模块化构造结构稳定，易于更换与检修。
45.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，包括若干呈蜂窝状连续排布的储能模组，每个储能模组包括若干同轴连续设置的储能模块；所述储能模块为套管式结构，包括由内至外同轴设置的换热管(13)、蛛网形翅片模块和外壳(21)；所述换热管(13)和外壳(21)之间填充有相变材料(19)，相变材料(19)能将蛛网形翅片模块完全覆盖；所述蛛网形翅片模块包括分别具有若干翅片孔(18)的横向蛛网形翅片(14)和纵向蛛网形翅片(15)，若干横向蛛网形翅片(14)同轴间隔设置，相邻横向蛛网形翅片(14)之间通过若干纵向蛛网形翅片(15)弹性连接，最外侧的横向蛛网形翅片(14)通过若干弹性组件(17)与外壳(21)相连；所述横向蛛网形翅片(14)和/或纵向蛛网形翅片(15)表面设置有振动发生器(16)；同一个储能模组内相邻储能模块间的换热管(13)通过管路实现串联，相邻储能模组中位于末端储能模块中的换热管(13)之间通过管路实现连通；不同储能模组中位于首端储能模块中的换热管(13)之间通过管路实现并联，首端并联管路与热源接口(1)连通；不同储能模组中位于末端储能模块中的换热管(13)之间通过管路实现并联，末端并联管路与供热接口(12)连通。2.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，相邻所述储能模块之间均为可拆卸式连接。3.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，与所述热源接口(1)连通处的并联管路上设有装置进口控制阀门(2)，与所述供热接口(12)连通处的并联管路上设有装置出口控制阀门(11)。4.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，位于首端的所述储能模块中的换热管(13)通过设有模组进口控制阀门(3)的子管路与首端并联管路连通；位于末端的所述储能模块中的换热管(13)通过设有模组出口控制阀门(10)的子管路与末端并联管路连通。5.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，同一个所述储能模组内的相邻储能模块间的换热管(13)分别通过设有第一控制阀门(5)的管路实现串联。6.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，相邻所述储能模组中位于末端储能模块中的换热管(13)之间分别通过设有第二控制阀门(7)的管路实现连通。7.根据权利要求1所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，每个所述储能模组的进口和出口处分别设有温度传感器(8)。8.根据权利要求7所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，所述温度传感器(8)与控制器(20)相连，控制器(20)用于根据温度传感器(8)提供的信号控制装置内各阀门的开闭。9.根据权利要求7所述的一种蛛网形振动强化的仿生储能装置，其特征在于，所述储能模组设有五组，每个储能模组包括第一储能模块(4)、第二储能模块(6)和第三储能模块(9)共三个储能模块。10.一种利用权利要求1～9任一所述仿生储能装置的运行方法，其特征在于，具体如下：储能模式：液相换热介质回收来自清洁能源的热量后传递至热源接口(1)，随后通过管
路流至各储能模组中的换热管(13)内；在该过程中，储能模块中靠近换热管(13)处的相变材料(19)最先融化，热量沿着还未融化的固态相变材料(19)和蛛网形翅片模块进行传递；随着换热的进行，融化后的液相相变材料(19)成为热量传递的主要热阻，此时振动发生器(16)开始运行，促使自然对流状态的液相和静置状态的两相混合区相变材料(19)振动产生局部湍流，强化换热，直至装置全部储能完成；若出现热源接口(1)处供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在储能模式中，以储能装置中的储能模组为单位，根据储能模组进口和出口处的温差值判定储能模组的储能完成程度，并提供信号给控制器(20)；释热模式：当供热接口(12)处用热时，储能装置内的高温位液相换热介质以储能模组为单位从储能模块顶端供给，储能装置的液相换热介质从储能模块底部补给，此时振动发生器(16)工作，储能完全的储能模块中的液相相变材料受到振动后，开始产生湍流扰动，促进换热过程持续进行；若出现热源接口(1)处供给热量不足，使得装置储能不完全的情况，则在释热模式中，储能模组通过控制器(20)调控装置内阀门开闭情况，以储能模组为单位进行释热，并实行储能完全的储能模组优先供热释热原则。

技术总结
本发明公开了一种蛛网形振动强化的仿生储能装置及其运行方法，涉及仿生储能装置技术领域。装置中包括若干呈蜂窝状连续排布的储能模组，每个储能模组包括若干储能模块；储能模块包括由内至外同轴设置的换热管、蛛网形翅片模块和外壳。本发明装置用于回收、存储工业余热、光热等余热、可再生能源，热量通过液相流动换热介质存储于蜂窝状相变储能模块中；在存储与释放热量过程中，振动发生器带动蛛网形翅片模块在蜂窝状相变储能模块中产生振动扰流，加快换热；本发明能够实现高效、稳定的热量传递、存储、利用的同时，有效克服相变储能介质导热系数低、因相分离现象导致材料衰减度高等固有缺陷，蜂窝状模块化构造结构稳定，易于更换与检修。检修。检修。


技术研发人员：张学军 仵凡 江龙 李胜 高近爽
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15