專利名稱：微晶陶瓷電熱儲能裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及能源技術領域，確切地說是一種微晶陶瓷電熱儲能裝置。
背景技術：
我國是一個能源供應十分緊張的國家，也是世界上電負荷最大的國家，但卻存在 著用電高峰負荷增長很快，而電網負荷率逐年下降，峰谷差很大等問題。通過削峰或移峰填谷新技術，將高峰需求盡可能抑制到最低，或轉移高峰需求到 低谷時段，對能源的有效利用、減少發電廠投入、以及電網的經濟運行都有好處。據日本東 京電力公司統計，日本電網負荷率每提高1 %，可降低供電成本1 %，減少200 300KT左右 的C02排放量，還可以延緩或推遲新機組建設，潛在的經濟效益和社會效益十分巨大。由于 削峰填谷對節約資源、節能減排具有重要意義，因此電熱儲能技術做為電網削峰填谷、節能 減排的一項重要而有效的技術手段在發達國家得到了廣泛的推廣和應用。但在我國發展的 不快，其中既有國情和社會宏觀政策方面的原因，也有技術方面的原因。電是不能儲存的，但可以采用多種方式使介質形態發生變化，通過電能與其它能 量的轉換，起到間接“儲存”電能的作用，即采用電加熱的方式將儲能材料加熱并在需要時 釋放出去。電儲能的主要方式早期的儲能技術主要是采用水做為能量的存貯材料，如采用冰蓄冷、水儲能的方 式，隨著應用的推廣，后期逐漸開始研究專門的儲能材料，目前主要有兩大類潛熱儲能材料即相變儲能材料，就是利用電能使物質發生相變(如固態液態之 間的轉化)，將相變時吸收或釋放的熱能儲存起來，在需要時釋放出去。相變材料種類很多， 又可分為有機材料和無機材料兩大類，總體而言，有機材料的穩定性和使用壽命不如無機 材料，國內在實踐中多用于太陽能工程或熱泵工程輔助電加熱項目中，設計溫度為攝氏110 度以下的低溫；無機材料的主要問題是熔化后溫度很高、有一定的揮發性，對很多金屬材料 的腐蝕性較強，熔化前后體積有一定的變化。顯熱儲能材料將物質發生溫度變化時所吸收或釋放的熱能儲存起來，如較高溫 度的水降低溫度，需要向外界釋放熱能，從而達到升高外界溫度的效果。實踐中顯熱儲能材 料多采用無機材料。總體上看，顯熱儲能材料的儲能密度與潛熱儲能的相變材料相比儲能密度較低， 因而所生產的產品重量大、體積也龐大，而采用潛熱儲能材料的產品則相對體積小、重量 輕。做為儲能產品需要根據儲能材料的特點同時解決加熱、儲能和放熱的問題。目前 市場所能見到的除采用水為儲能材料之外的儲能產品中有三種典型的方法一是采用通過 專門加工的金屬合金做為儲能材料，例如鐵基合金材料，該方法在技術上對儲能、放熱問題 解決較好，主要生產方法是將一定顆粒度的鐵粉和一定顆粒度的無機相變儲能材料等按一 定的配比混均后，經模具和壓力機加壓成型，再將壓制成型的坯料經過高溫燒結而成。其特點是鐵粉經高溫熔化再冷卻后，形成一個鐵質的類似海綿狀的骨架，骨架表面和內部形成 一個個尺寸較小的蜂窩孔洞，孔洞內含有儲能相變材料，相變材料儲能熔化后因表面張力 的作用而被固定在孔洞內，鐵質的骨架同時起到導熱的作用，加熱時將熱量傳導給儲能材 料，放熱時再將熱量傳導出來。該方法較好的解決了儲能材料的加熱和放熱問題，但該產品 的重量較大，鐵質骨架存在銹蝕問題，其加工過程對環境的污染很大，不符合環保的要求， 同時采用紅外加熱的方法，加熱器的壽命只有3000小時，壽命較短，加熱的效率和速率相 對不高。另一種典型方法是將有機相變儲能材料封閉在一個小型容器內，制成儲能膠囊、儲 能球、儲能柱或者是儲能板，再將裝有儲能材料的小型容器置于一個較大的容器內制成儲 能箱，這種方法多采用低溫相變材料，由水(也有采用導熱油)做為導熱介質，儲能時由獨 立的熱源將導熱介質加熱，再由導熱介質將熱量傳導給儲能材料，放熱時導熱介質再將儲 能材料中的熱量傳導出來。該方法成本較高，因有機相變材料的穩定性相對較差、儲能能力 衰減較快。目前市場上還有一種采用顯熱儲能的方法，該方法是使用無機固體儲能材料，將 無機固體儲能材料制成一定規格和尺寸的塊體，在制作過程中將電熱絲或電熱管直接埋入 到固體材料中。該方法成本最低，實踐中也有一定的應用，但使用壽命短，可靠性、工藝和質 量最差。同時，目前在電熱儲能市場上已經推廣的產品中還普遍存在采用低電壓加熱的問 題，限制了電熱儲能項目的推廣和應用。一方面是現有的相變儲能材料在設計過程中均未 考慮耐電壓的問題，例如專門開發的金屬合金儲能材料，有機相變材料的耐電壓較低，無機 相變材料在熔融狀態下耐電壓水平很低或者導電，使其儲能裝置無法采用高電壓加熱方 式。許多非相變儲能材料，如無機固體類儲能材料耐電壓水平較高但其儲能密度很低，制成 產品后重量太重，體積龐大。另一方面是我國商住樓、居民小區和成規模的工業企業等一般 均采用IOKV高壓供電，但線路到達用戶后，多會經過低壓配電變壓器等設備轉換成380v或 220v低電壓供其他電器使用，因此目前的儲能電熱裝置基本上均使用電壓為380V或220V 的電源加熱。但是，電熱儲能需要在6-8小時的低谷時段內，將全天需要的熱能存儲起來， 就需要較大的電功率，多數用戶的低壓配電設備(如變壓器)容量有限，如果安裝目前的電 熱儲能裝置，用戶常常需要更換現有的部分或全套供電設備，包括變壓器、開關柜、控制柜 和線路等，常常造成較大的額外支出。因此，低電壓加熱方式對電熱儲能項目的推廣使用造 成了制約，形成了一種瓶頸，限制了電熱儲能項目的發展。為解決上述問題，本發明人曾提出了一種“可用于高壓電源的納米電加熱儲能裝 置”，實踐中發現仍然有繼續改進的必要。微晶陶瓷是近些年發展起來的新型陶瓷材料，由于微晶陶瓷材料具有優良的力 學、電學、磁學、光學等性能，如機械強度高、耐磨耐腐蝕、抗氧化性好、絕緣性質優良、膨脹 系數可調、熱穩定性好等，特別是它同時具備的抗熱振性和耐腐蝕性是其他材料所不具備 的，且簡單的制備工藝技術、廉價的原材料和低的制造成本，以及能工業化大規模生產的優 勢，不失為一種高性能低價位、應用市場廣闊的新型陶瓷材料，已成為新型陶瓷材料開發應 用的熱點之一，開辟了一個沒有替代材料可以滿足其技術要求的全新領域，從而在許多領 域獲得了廣泛的應用。發明內容本實用新型的目的是微晶陶瓷電熱儲能裝置，微晶陶瓷電熱儲能裝置，包括儲能 室、換熱室和控制室和外殼，其特征在于儲能復合管安裝在儲能室內，儲能室和換熱室用 隔熱層分開，隔熱層上裝有換熱風門，換熱室內裝有換熱器，儲能室內裝有安裝有風機葉片 (19)或與風機連通。控制室設在裝置內或設在裝置外。儲能復合管用隔板隔開分組，由隔板構成風道 和循環風道。循環風道裝有循環風門。外殼內有內襯層。儲能復合管采用微晶陶瓷電熱儲能復合管，它由儲能材料、網狀導熱籠、導熱片與 具有電加熱功能、且散熱性能良好、可裝填相變儲能材料的微晶陶瓷電熱儲能復合管組成， 微晶陶瓷電熱儲能復合管的管壁由內到外依次由內絕緣層、電加熱層和外絕緣層、外殼復 合而成，管殼的兩端由端蓋板將儲能材料、導熱籠、導熱片封閉在管內，導熱籠制成三維結 構埋于儲能材料中；導熱片將裝有儲能材料和導熱籠的復合管內部分隔成多個儲能腔，電 熱儲能復合管與電源之間采用星形接線或三角形接線。根據所選用的儲能材料的不同，可以設置內襯層也可以不設內襯層，內襯層即可 以采用金屬材料(如不銹鋼材料)，也可以采用耐溫防腐材料(如陶瓷燒結材料)當采用高溫相變儲能材料時，可在相鄰兩個導熱片之間加裝有導熱性好、耐腐蝕 性好、可形成較大孔隙率的絲狀填料(如不銹鋼絲狀材料)。復合管上帶有安裝固定卡扣，卡扣由金屬導電材料制成，與由微晶陶瓷材料制成 的、內埋有導電體的安裝支架相連，安裝支架通過導電螺栓將電熱儲能復合管與電源導線 連接起來，并通過安裝支架實現電熱儲能復合管之間的串聯、并聯和串并聯的連接，電熱儲 能復合管與電源之間的星形接線或角形接線。采用微晶陶瓷材料做為復合管的內絕緣層和外絕緣層，同時起到導熱的作用。電 加熱材料層可按不同需要采用電熱板、電熱帶、電熱絲等也可以采用電熱漿料、電熱涂料等 不同的電熱材料。復合管內裝填有儲能材料，儲能材料可以有較寬的選擇范圍，可以是無機材料 (如氯化鉀、氯化鈉、氟化鈉、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰、硝酸鉀、硝酸鈉、亞硝酸鈉等以及由其 構成的組合鹽)，也可以是有機材料(如石蠟、棕櫚酸、硬脂酸等)，還可以是金屬及其合金 (如鎂、鋁、鋁-硅合金、鋁-硅-鎂合金等等)，還可以是各種相變儲能復合材料(如鐵基 合金儲能材料、鋁基合金儲能材料、陶瓷基儲能復合材料、多孔石墨儲能復合材料等等。采用微晶陶瓷電熱儲能復合管制成的微晶陶瓷電熱儲能裝置，該裝置包括儲能 室、換熱室和控制室，控制室可以設在裝置內也可以不設在裝置內。儲能室主要由微晶陶瓷 電熱儲能復合管(也可以是其他同時帶有電加熱和儲能功能的電熱儲能組合單元)、隔板 及由隔板構成的風道、風機、循環風門和循環風道構成，換熱室主要由換熱器和換熱風門構 成。其他部分主要有結構架、內襯層、隔熱層和、外殼、傳感器和自動控制系統等。本實用新型的優點是一是相變材料選擇范圍大，可以采用已有的大多數的有機 或無機相變材料，相變溫度可以從幾十攝氏度到一千多攝氏度；二是使用加熱電源的電壓 等級可以從0. 22千伏到10千伏；三是電熱儲能復合管集加熱、儲能、放熱功能于一體；四 是使用、維護和安裝都很方便。
圖1是微晶陶瓷電熱儲能復合管結構原理示意圖。圖2是電熱儲能裝置結構示意圖。圖中1是內襯層，2是內絕緣層，3是電加熱層，4是外絕緣層，5是外殼，6是端蓋 板，7是導熱籠，8是儲能材料，9是絲狀填料，10是導熱片，11是管殼，12是固定卡扣，13是 儲能室，14是換熱室，15是控制室，16是是微晶陶瓷電熱儲能復合管，17是隔板，18是風道， 19是風機葉片，20是循環風門，21是循環風道，22是換熱器，23是換熱風門，M是隔熱層， 25內襯層，27是外殼。實際應用時可根據情況采用一個風門同時作為20循環風門和23換 熱風門。
具體實施方式
微晶陶瓷電熱儲能復合管的管壁由內到外依次由內絕緣層2、電加熱層3和外絕 緣層4、外殼5復合而成，復合管殼11的兩端由端蓋板6將儲能材料8、導熱籠7、導熱片10 封閉在管內，導熱籠7制成三維結構埋于儲能材料8中；導熱籠7是含有網格狀的籠子，導 熱片10將裝有儲能材料8和導熱籠7的復合管內部分隔成多個儲能腔，電熱儲能復合管與 電源之間采用星形接線或三角形接線。微晶陶瓷電熱儲能復合管的工作原理是當電熱材料層的電極端接通電源時，電 熱材料開始發熱將電能轉換成熱能，熱能通過微晶陶瓷材料層向復合管內和復合管外傳 導，并給管內的儲能材料加熱，傳導到復合管外部分熱能，給儲能室內的傳導介質加熱，并 經傳導介質將熱能再傳遞給儲能復合管。復合管內的導熱籠可提高管內儲能材料受熱均勻 性，加快熱能向儲能材料傳導的速度。儲能材料受熱后溫度開始升高，達到熔點后開始相變 過程，隨著儲能材料不斷被加熱、材料的溫度的不斷升高和相變過程的發展，熱能被儲能材 料吸收并被存儲在已經升溫并發生相變的儲能材料中。當需要復合管釋放熱能時，電熱材 料層的電極端與電源斷開，儲能材料中所存儲的熱能通過導熱籠和各復合層傳遞給儲能室 的熱能傳導介質并不斷給傳導介質加熱，傳導介質不斷的將復合管所存儲的熱能帶出。下面以利用裝置內的空氣做為熱能傳導的介質為例，來說明微晶陶瓷電熱儲能裝 置的工作過程。整個裝置的儲能過程是控制室15接通電源后，控制主機開始工作并進行多個參 數的自動檢測，換熱風門23關閉，循環風門20打開，微晶陶瓷電熱儲能復合管16開始加 熱，傳感器同時檢測循環風道上端和下端的溫度，當溫度差大于設定值時，風機開始工作， 風機可以選擇選擇普通風機、離心風機等其他種類的風機。當控制主機通過傳感器和控制 軟件判定儲能量已經達到設定值時，微晶陶瓷電熱儲能復合管16停止工作，隨后風機停止 工作。放熱過程循環風門20關閉，換熱風門23打開，風機開始工作，在風機葉片19的 帶動下，熱能由傳導介質空氣傳遞給換熱器22，換熱器22將熱能輸出。控制主機根據傳感 器檢測的參數和控制軟件，通過調節風機19轉數和換熱風門23大小來控制裝置的輸出功 率。放熱時電熱儲能復合管16可以按設定的條件(如低谷時段內)，繼續加熱。當個根據 傳感器檢測的參數和設定條件控制主機判斷需要停止熱量輸出時，風機減速工作，換熱風 門23關閉，循環風門20打開，控制主機按判斷判斷條件胖判斷電熱儲能復合管16和風機此時是否需要停止工作。根據結構的要求，也可以取消循環風門20。 同樣，還可以用液體作為熱能傳導的介質。傳導過程基本相同。
權利要求1.微晶陶瓷電熱儲能裝置，包括儲能室、換熱室和控制室和外殼，其特征在于儲能復 合管(16)安裝在儲能室(13)內，儲能室(13)和換熱室(14)用隔熱層04)分開，隔熱層(24)上裝有換熱風門(23)，換熱室(14)內裝有換熱器(22)，儲能室(13)內安裝有風機葉 片(19)或與風機連通。
2.根據權利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于控制室設在裝置內或 設在裝置外。
3.根據權利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于儲能復合管用隔板 (17)隔開分組，由隔板(17)構成風道(18)和循環風道(21)。
4.根據權利要求3所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于循環風道裝有循 環風門(20)。
5.根據權利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于外殼(XT)內有內襯層(25)。
6.根據權利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于儲能復合管(16)是微 晶陶瓷電熱儲能復合管，微晶陶瓷電熱儲能復合管的管壁由內到外依次由內絕緣層O)、電 加熱層( 和外絕緣層(4)、外殼( 復合而成，內絕緣層( 和外絕緣層(4)用微晶陶瓷材 料制成，微晶陶瓷電熱儲能復合管(11)的兩端由端蓋板(6)將儲能材料(8)、導熱籠(7)、 導熱片(10)封閉在管內，導熱籠(7)制成三維結構埋于儲能材料⑶中；導熱片(10)將裝 有儲能材料(8)和導熱籠(7)的復合管內部分隔成多個儲能腔，電熱儲能復合管與電源之 間采用星形接線或三角形接線。
7.根據權利要求6所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于微晶陶瓷電熱儲能復 合管設置內襯層(1)。
8.根據權利要求6所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于在相鄰兩個導熱片之 間裝有可形成較大孔隙率的絲狀填料(9)。
9.根據權利要求6所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于復合管上安裝有金屬 導電材料制成的固定卡扣(12)，與由微晶陶瓷材料制成的、內埋有導電體的安裝支架相連， 安裝支架通過導電螺栓將電熱儲能復合管與電源導線連接起來，并通過安裝支架實現電熱 儲能復合管之間的串聯或并聯或串并聯的連接。
10.根據權利要求6所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于電加熱材料層(3)采 用電熱板或電熱帶或電熱絲或采用電熱漿料或電熱涂料或組合使用上述材料。
11.根據權利要求6所述的微晶陶瓷電熱儲能裝置，其特征在于儲能材料是無機材料 或是金屬及其合金或是各種相變儲能復合材料。
專利摘要本實用新型是一種微晶陶瓷電熱儲能裝置，它利用電熱儲能復合管集加熱、儲能、放熱功能于一體。它包括儲能室、換熱室和控制室和外殼，儲能復合管安裝在儲能室內，儲能室和換熱室用隔熱層分開，隔熱層上裝有換熱風門，換熱室內裝有換熱器，儲能室內安裝有風機葉片或與風機連通。儲能復合管采用微晶陶瓷電熱儲能復合管。本實用新型可用于電網削峰填谷、節能減排中，是一種新的電熱儲能裝置。
文檔編號F24H7/02GK201844556SQ20102058223
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者劉斌, 廖濱 申請人:遼寧鑫谷節能科技有限公司