一种基于动态控制的太阳能相变储热装置及控制方法

本发明属于太阳能热利用与热储能，具体涉及一种基于动态控制的太阳能相变储热装置及控制方法。

背景技术：

1、太阳能光热储能是缓解太阳能供给与用热需求时间错配的重要技术路径。相变材料因具有较高的潜热储能密度和相变过程近似恒温等特点，被广泛应用于太阳能热储存系统中。

2、然而，在传统太阳能相变储热过程中，入射光通常首先被固定吸热体吸收并转化为热量，随后热量通过热扩散传递给相变材料。随着熔化进行，固液界面逐渐远离吸热体，并在两者之间形成液态相变材料层。由于液态相变材料通常热导率较低，该液层会随充热时间延长而逐渐增厚，从而导致吸热体与未熔化固态相变材料之间的热阻持续增大。一方面，这会造成熔化前沿推进速度下降、充热速率衰减；另一方面，会使越来越多的输入热量滞留于液相区域，表现为显热积累和液相过热，从而降低潜热储热的有效能量利用比例。

3、现有研究虽然有通过提高相变材料导热能力、采用移动吸热体、引入光学充热或利用紧密接触熔化等方式改善充热性能的方案，但仍存在如下不足：导热增强方案难以从根本上消除液相热阻；移动吸热体或光学充热方案虽可将热量沉积位置向相变界面移动，但液相区域仍可能持续吸热并积热；现有紧密接触熔化方案主要针对热管理或非太阳能储热场景设计，缺乏面向太阳能高功率密度输入及波动光照条件下的动态调控机制。

4、如现有技术cn118208984a公开了一种相变装置，通过控制结构板移动，移走已经发生相变的部分，使未发生相变的部分贴近热源，但其利用膨胀气体的热胀冷缩实现的被动式驱动，无法进行主动反馈，无法对变化的太阳光进行有效吸收，在太阳能储热场景下存在复位困难的问题。此外，还如现有技术cn120292925a公开了基于力热耦合作用的高功率密度固液相变冷却系统及方法，设计了两个连同腔体分别作为固液相变腔与储液腔，通过两套活塞驱动装置的配合移动，实现紧密接触进行相变吸热以及复位，但其双腔体的结构设计较复杂，整体装置体积偏大，且该技术主要用于热管理领域，无法吸收太阳能进行储热。

5、在太阳能相变储热场景下，尤其是在高光通量条件下，热输入可能快于熔化前沿推进速度，导致液相区域迅速积热；而在间歇性光照条件下，最佳推进速度随时间变化，固定推进速度难以持续匹配熔化状态。因此，仍有必要提出一种能够在太阳能相变储热过程中主动排除吸热体附近熔融液相、维持吸热体与固态相变材料紧密接触，并能够根据热状态动态调节推进速度的装置及控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种基于动态控制的太阳能相变储热装置及控制方法，以解决现有技术中太阳能相变储热过程中由于熔融液层逐渐增厚而导致热阻持续增大、熔化前沿推进减慢、液相区显热积累与过热加剧，以及在高光功率密度和波动光照条件下固定推进速度难以持续匹配熔化前沿推进状态的问题。本方案能够提高熔化前沿推进速度、降低吸热区域附近液相过热程度，并提升高光功率密度及波动光照条件下的储热效率与温度稳定性。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种基于动态控制的太阳能相变储热装置，包括储热容器、作为储热容器壁面的吸热体以及储存于储热容器内部的相变材料，还包括：温度传感器、活塞、驱动组件以及控制器；

4、所述的温度传感器靠近吸热体设置或设置于吸热体上，用于表征相变材料的熔化状态；

5、所述的活塞设置于储热容器内部并将储热容器分隔为靠近吸热体的吸热区以及远离吸热体的储热区；吸热区与储热区之间通过排液通道相互连通；所述的吸热区内储存有固态相变材料，且固态相变材料顶部与吸热体之间维持紧密接触状态或形成有相变材料液膜；所述的储热区内储存有液态相变材料；

6、所述的驱动组件的输出端连接活塞，用于驱动活塞靠近或远离吸热体；

7、所述的控制器分别与温度传感器和驱动组件通信连接。

8、优选的，所述的吸热体包括导热基体以及形成于导热基体表面的吸热涂层；

9、所述的吸热涂层为太阳能吸热涂层或选择性吸收涂层，且吸热涂层位于导热基体的外侧；

10、所述的固态相变材料顶部与导热基体的内侧之间紧密接触或形成有相变材料液膜。

11、优选的，所述的相变材料包括石蜡、脂肪酸和无机盐中的一种或多种。

12、优选的，所述的温度传感器设置于吸热体的内侧表面或吸热区顶部。

13、优选的，所述的温度传感器为接触式温度传感器。

14、优选的，所述的驱动组件为步进电机、伺服电机或线性执行器。

15、优选的，所述的排液通道为固态相变材料与储热容器之间的间隙；以及，活塞与储热容器之间的间隙。

16、优选的，所述的控制器基于温度传感器获取的实时温度指令驱动组件调节输出以动态控制活塞的运动速度：

17、当温度传感器获取的实时温度高于预设目标温度时，提高活塞的运动速度；

18、当温度传感器获取的实时温度低于预设目标温度时，降低活塞的运动速度；

19、所述的动态控制采用分段映射方法、查表方法、比例控制方法或比例积分微分控制方法。

20、优选的，所述的动态控制采用分段映射方法：

21、当温度传感器获取的实时温度满足t<50℃时，控制活塞的运动速度u=0 μm/s；

22、当温度传感器获取的实时温度满足50℃≤t≤60℃时，控制活塞的运动速度u=40+(t-50)×1.6 μm/s；

23、当温度传感器获取的实时温度满足60℃

24、当温度传感器获取的实时温度满足t>80℃时，控制活塞的运动速度u=72 μm/s。

25、本发明第二方面公开了一种如上任一项中所述的基于动态控制的太阳能相变储热装置的控制方法，包括如下步骤：

26、吸热体吸收太阳辐照并向固态相变材料传热；温度传感器获取吸热区中表征相变材料熔化状态的实时温度；控制器根据温度传感器获取的实时温度指令驱动组件调节输出以动态控制活塞的运动速度；在活塞由储热容器的底部推进至顶部后，完成相变材料的相变储热，驱动组件控制活塞返回至储热容器的底部；

27、其中，活塞的推进运动驱动相变形成的液态相变材料由吸热区经排液通道进入储热区，使固态相变材料顶部与吸热体之间维持紧密接触状态或形成有相变材料液膜。

28、本发明的工作原理为：

29、吸热体吸收太阳辐照并向固态相变材料传热；温度传感器获取吸热区中表征相变材料熔化状态的实时温度；控制器根据温度传感器获取的实时温度指令驱动组件调节输出以动态控制活塞的运动速度；固态相变材料持续吸热升温，熔化为液态相变材料，在活塞的推进运动形成的压力下由吸热区经排液通道流至进入储热区，使固态相变材料顶部与吸热体之间维持紧密接触状态或维持极薄的相变材料液膜。

30、其中，排液通道在每次的循环工作过程中会自然形成：当活塞推动固态相变材料移动时，固态相变材料会与容器壁面自然形成间隙，即为排液通道。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、1. 通过活塞推进，将吸热体附近持续生成的熔融相变材料快速排离吸热区域，有利于减小熔融液层热阻，提高吸热体向固态相变材料的有效传热能力，从而加快熔化前沿推进。

33、2. 通过温度反馈调节活塞推进速度，使推进速度能够更好匹配熔化前沿推进速度，减少吸热区内液态相变材料的显热积累与过热，且也可抑制推进过快导致的未充分熔化。

34、3. 该装置能够良好适应高光功率密度和波动光照工况，在保持较高充热速率的同时，提高相变储热过程的温度稳定性和能量利用效率。

35、4. 该装置结构明确、控制逻辑清晰，可根据不同相变材料、不同吸热条件及不同应用场景进行参数调整，具有较好的工程应用潜力。

36、此外，本发明方案相较于现有技术cn118208984a所公开的相变装置，本发明使用控制器主动控制活塞移动实现紧密接触融化，可在间歇性光照条件下动态调节活塞移动速度实现高效充热。以及，本发明方案相较于现有技术cn120292925a所公开的高功率密度固液相变冷却系统，本发明专为太阳能储热场景设计，采用单腔体结构，排液机制更简单，在间歇变化的太阳能条件下可通过主动控制动态调控液膜厚度，从而始终保持高效充热。