一种家用余热再利用与储能系统
阅读说明：本技术 一种家用余热再利用与储能系统 (Household waste heat recycling and energy storage system ) 是由 褚雯霄 谈周妥 王秋旺 曾敏 晏刚 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种家用余热再利用与储能系统。该系统包括一余热回收模块,一温差发电与储能模块以及一余热转换模块。所述余热回收模块可收集各家用电器与用电设备产生的余热能量,余热可通过热管短距离传输至热电材料的热端；所述温差发电与储能模块,包括热电材料、蓄电池与稳压器,部分经热管传输来的热量可由热电材料转化为电能存储于蓄电池中,可为小型用电器提供稳定的直流电源供应。所述余热转换模块包括一组或多组相变介质储热容器,其贴合于热电材料冷端,并通过串联或并联方式接入预热管路,部分热量自热管传至热电材料再传入相变介质容器,进而加热预热管路内水源或气源。(The invention relates to a household waste heat recycling and energy storage system. The system comprises a waste heat recovery module, a thermoelectric generation and energy storage module and a waste heat conversion module. The waste heat recovery module can collect waste heat energy generated by various household appliances and electric equipment, and the waste heat can be transmitted to the hot end of the thermoelectric material in a short distance through the heat pipe; the thermoelectric power generation and energy storage module comprises a thermoelectric material, a storage battery and a voltage stabilizer, wherein part of heat transmitted by the heat pipe can be converted into electric energy by the thermoelectric material and stored in the storage battery, and stable direct-current power supply can be provided for small-sized electrical appliances. The waste heat conversion module comprises one or more groups of phase change medium heat storage containers, the phase change medium heat storage containers are attached to cold ends of thermoelectric materials and are connected to the preheating pipeline in a serial or parallel mode, and partial heat is transferred from the heat pipes to the thermoelectric materials and then transferred to the phase change medium containers so as to heat a water source or an air source in the preheating pipeline.)
技术领域
本发明涉及到能源节约与能源存储及再利用领域，特别涉及一种家庭余热再利用与储能系统的设计。
背景技术
近年来，随着居民生活水平的提高，小型电热或燃气热设备逐渐普及且销量增长迅速，家用必备的小型电热或燃气热设备如热水器、燃气灶、电热水壶、电饭煲、电烤箱、电饼铛等在生活中已愈发普及。值得注意的是，在这些电热或燃气热设备完成既定工作后，会产生大量温度在80℃以上的余热资源。以燃气灶为例，其通过天然气与氧气燃烧产生的高温来加热锅具，同时燃气灶底座与火焰接触，其温度亦维持在较高水平，大量的热通过底座耗散至外部环境；同样，电热水壶、电饭煲、电饼铛等设备使用完毕后的壁温余热目前都以自然冷却的形式散入外环境，在学校、企业食堂等大规模燃气和电加热设备的应用场景，耗散的余热体量巨大，能源浪费的现象尤为显著；另一方面，厨房的涮洗、解冻、烘焙等食物加工过程以及热水器使用等都需要额外的热量输入，其来源往往是电能或燃气资源。因此，对于家用余热的回收再利用及能量存储的研究势在必行，对于节能减排具有重要意义。
现有工业余热回收系统主要是利用产生的高温烟气、蒸汽等余热资源，主要以热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术等三种方式对余热加以利用。热交换技术是通过间壁式换热器加热冷水或相变介质进行余热回收与存储，然而其储热容器体积大，不适用于家庭小型空间的余热回收；热功转换技术可提高余热的品位，是工业余热另一重要技术，但系统所需部件复杂(如透平等)，实现家庭小型空间的应用难度较高；余热制冷技术主要应用吸收式余热制冷机组，系统结构简单，但其仅适用于大规模热量回收，方能达到较高的制冷效率。综上，目前工业上广泛应用的余热回收系统对于家用余热回收的应用场景参考价值不大，需开发适用于家用电热或燃气热设备部件的灵活性强的新型余热回收与储能系统。随着储能与热电转换技术成熟度的不断提升，将余热资源储存或转化为电能存储的方法可实现对规模较小、较分散的余热资源进行回收再利用。
专利CN110419995A所公开的一种利用炉灶余热的洗碗机热水供应装置，包括余热回收装置、有洗碗机的清洗缸、储热水箱以及热水泵。储热水箱与清洗缸之间通过管道连接，管道中安装有热水供水泵，所述的储热水箱的热水来自炉灶烟气余热回收热水装置，回收的热水供给至洗碗机。其说明书中未见有相关针对小规模、分散式余热资源集中收集、输运、热电转换，并实现相变储热联合电能存储的相关描述。
专利CN110081478A所公开的一种燃气炉灶余热回收节能系统，其每台炉灶上都装有余热回收装置，并通过自来水管相连，热量由自来水带走后储存进储热水箱。其说明书中未见有相关针对小规模、分散式余热资源集中收集、输运、热电转换、相变储热联合电能存储的相关描述。
专利CN110822498A所公开的一种具有储热功能的燃气节能灶，在灶体上表面安装燃烧室，其内部布置有进、出水口，通过燃烧室产生的烟气和冷水进行热交换，回收的热量最终储存于储水箱中。其说明书中未见有相关对于小规模、分散式余热资源集中收集、输运、热电转换，并实现相变储热联合电能存储的相关描述。
专利CN201332372Y公开了一种利用液冷循环冷却的余热温差发电系统，可以家用炉灶余热发电等领域，包括具有冷端和热端两极的半导体温差发电器件，其热端经导热部件7热源相连，其冷端经吸热盒与冷却循环管路连接，其冷端和热端的引出线与蓄电装置连接。热端用于从电器或热源收集热量，经导热部件传输。冷端具有吸热盒，冷却液循环管路包括表冷散热器、风扇和循环水泵等，可以通过循环介质散热，以维持热电材料的温差。蓄电装置与冷端和热端连接，还具有稳压处理功能，热量经热电材料转换为电能并稳定存储于蓄电装置内，蓄电装置可进一步为用电设备提供可靠的直流电源供应。其权利要求仅能实现对电能存储，未对余热资源的集中收集、转运、相变储热与热能再利用等进行描述，所述吸热盒主要通过盒内冷流体的单向强制对流带走热量，需要水泵及时补充冷却液以维持温差。
专利CN102044994A公开了一种热电采集转换装置，包括用于收集废热的废热集热器、热发电机、蓄电池等，废热集热器用于收集从废热产生设备产生的热量并集中起来并藉由热管传递给热发电机，将废热由热发电机进行热电转化为电能后直接利用或储存到蓄电池中备用。其专利仅公开了利用热管作为将热量从热源传递给热发电设备，未对余热资源的集中收集、转运、相变储热与热能再利用等进行描述。
专利CN103595299A公开了一种熔盐相变储能温差发电系统，包括温差发电芯片冷端的换热水槽和热端的熔盐储能装置。熔盐储能装置基于熔盐相变过程能储存大量的热量，还能平缓热端的温度波动。换热水槽与温差发电芯片的冷端直接接触并从冷端吸收热量将换热水槽内的水或其他待加热的流体介质加热到一定温度，同时有效降低温差发电芯片的冷端的温度，保证温差发电芯片两侧的温差，使得系统稳定发电，提高了热能利用效率，发电的同时获取热水供应。该发明并未对余热取用方法及取热系统进行描述，同时由于熔融盐热比热高，且相变温度在180℃-200℃左右，该发明可用于工业余热利用领域，但不能解决品味低、耗散快、规模小、热源分散的家用余热回收问题。
专利CN106196211A涉及一种厨房烟气余热回收利用系统，提出了利用热电材料和重力热管对厨房烟气进行回收的方式。其热电材料冷端采用风冷，利用外界环境与烟气的温差实现温差发电；在烟气出口处布置有重力热管换热器，以进一步回收烟气余热。该发明专利主要针对烟气的余热回收，无法解决具有规模小、排布分散特点的家用余热资源回收、存储及再利用问题，同时也未对余热资源的集中收集、转运、相变储热与热能再利用等进行描述。
发明内容
本发明针对家用余热回收过程热源多样、灵活性强、热耗散快等特点，提出一种基于热电转换和相变介质储热的余热再利用与储能相结合的家用节能系统。该系统能有效将燃气灶等电器余热回收并存储于相变介质内，方便随时取用；同时，利用热电材料将部分热量转化为电能储存于蓄电池内，供小型用电器随时取用，达到高效节能、灵活用能的效果。
本发明解决上述问题的技术方案是：
提供一种家用余热再利用与储能系统，包括一余热回收模块，一温差发电与储能模块以及一余热转换模块。所述余热回收模块，至少包括一套热管，其中热管的一端接收余热资源，传递至热管另一端的热电材料热端，实现热量的短距离传输。热管的另一端连接至热电材料的热端。余热回收模块可采用多套热管和热电材料装置相配合，依不同形式、余热资源品质按梯度实现串、并行排布。所述温差发电与储能模块包括热电材料、蓄电池和稳压器，蓄电池电极与热电材料相连，通过稳压器维持充电电压与电流稳定。热源产生的部分热量经热电材料转换为电能并稳定存储于蓄电池内，蓄电池可进一步为家用小型用电设备提供可靠的直流电源供应。所述余热转换模块包括填充相变介质的储热容器、预热管路、电加热器以及温度传感器与控制器；储热容器与热电材料冷端相连，热量传递透过热电材料使储热容器内的相变介质融化，以潜热形式存储，同时可维持热电材料冷端与热端的温差，保障热能向电能转换的效率；预热管路与储热容器通过串联或并联方式埋藏于相变材料内，预热管路内水或气相介质通过相变介质的加热供给至用热端；控制器可依据温度传感器反馈及用热端需求，配合电加热器或燃气加热器等设备的辅助加热，满足用热端所需的介质温度。
优选方案进一步包括如下任一技术特征：
所述一种家用余热再利用与储能系统，其余热回收模块，余热资源品质按照热阻、温度梯度进行串、并行排布，以实现预热转换模块的热能梯级利用；热管与余热能量产生单元及热电材料热端的连接，可采用一体化成型设计、分体式粘合或快速接头的连接方式，以满足不同应用环境、不同热传输距离的需求。
所述一种家用余热再利用与储能系统，其储热容器内部填充相变介质且布置有强化传热结构，与余热资源及预热管路的布置统筹优化，相变介质容器可采用串联或并联方式接入预热管路。
所述一种家用余热再利用与储能系统，其控制器可依据温度传感器反馈调节，配合电加热器，实现用热端的温度调控并达到节能效果。
所述一种家用余热再利用与储能系统，其温差发电与储能模块依余热资源的位置、热通量、使用频率等不同，可布置独立的不同容量的蓄电池，依容量不同可设立独立的用电装置，或通过电路连接为小型用电设备持续提供稳定的直流电源。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明提供的家用余热再利用与储能系统，可实现分散布置的家用余热的采集与回收，可为有用热需求的管路或器件提供预热便利；同时，可将部分余热资源转换为电能储存，实现了余热资源的高效与灵活应用。其利用相变介质配合热电材料的复合式能量存储方式，相比目前公开的工业及家用余热回收系统中以热水或相变工质作为存储介质的单一储热方式，具有灵活性更强、能量品质高等特点，不仅能够提供热能，还可存储电能并解决小型用电器长期需更换电池的困扰。
本发明提供的家用余热再利用与储能系统，对热管、相变储能、热电材料等进行合理配置，提出一种为小规模、较分散的家用热源回收与存储的新观念，实现了家用热源的分散回收，集中取用；同时，其余热转换模块和温差发电与储能模块的协同工作实现了余热资源向热能、电能的同时转化与存储，以同时满足家庭厨房用热与小型电器用电的需求。
附图说明
图1是本发明家用余热与储能联合系统的系统图；
附图标记说明：
1-电加热器；2-温度传感器；3-控制器；4-储热容器；5-热电材料；6-预热管路；7-热管；8-稳压器；9-蓄电池；10-用热端；11-水(气)源；12-余热资源；13-用电器；
具体实施方式
图1是本发明提供的家用余热再利用与储能系统的示意图。
结合附图对本发明进行具体描述。
电热或燃气设备在工作时，加热盘或烟气在加热锅具的同时，大量余热能量向四周扩散，传递至炉架。本发明提供的家用余热采集与储能联合系统，所述余热回收模块包括至少一套热管7，以电热或燃气设备工作时或工作后的高温底座或壁面为热源，将热管7的一端连接至各个热源处，其数量与布置方式由热源总数量及各热源的功率决定；余热通过热管7传输至热电材料5，热电材料5的热端即维持在较高温度，热量透过热电材料5传递至其冷端。所述余热转换模块，储热容器4与热电材料5的冷端贴合以维持其维持在较低温度状态，与热电材料5的热端形成长效温差，进而产生电势差；同时，储热容器4内部充满相变介质并布置强化传热结构，热量最终传递至储热容器4并以相变潜热的形式存储在相变介质内；预热管路6可用于涮洗、解冻、烘焙等食物加工过程，预热管路6布置在储热容器4内并埋藏于相变介质，依用热端的需求与储热容器热功率关系，可采用串联或并联连接方式；控制器3可依据温度传感器2传递的信号，配合电加热器1实现用热端温度的精准调控，达到节能的目的。所述温差发电与储能模块，热电材料5利用上述电势差产生电流，并将电能存储于蓄电池9内，稳压器8可维持充电电压与电流的稳定；依热源规模与电能使用方案不同，蓄电池9可采用独立安置或多组蓄电池的分体式设计，蓄电池9可与多组小型用电器13相连，为其运行提供稳定的直流电源。
优选的，所述热管的结构不受限制，包括具有毛细结构的热管或竖直方向热传递的虹吸式热管等；同时，热管可根据余热资源品质按梯度实现串、并行排布，以实现预热转换模块的热能梯级利用；热管与余热能量产生单元及热电材料热端的连接，可采用一体化成型设计、分体式粘合或快速接头的连接方式，以满足不同应用环境、不同热传输距离的需求。
优选的，所述相变介质储热容器，其内部可采用强化传热结构，如内翅片、多孔泡沫等，与预热管路的搭配可采用多组串联或并联的方式，预热管路外侧亦可采用强化换热结构，增强与相变介质间的热传递效率。
优选的，所述温差发电与储能模块，依余热资源的位置、热通量、使用频率等不同，可布置独立的不同容量的蓄电池，依容量不同可设立独立的用电装置，或通过电路连接为小型用电设备持续提供稳定的直流电源。
本发明未对电加热器、控制器、温度传感器、稳压器中常规配置的自动控制电路进行详细描述。
本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
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