棄風(fēng)棄光電或谷電電加熱技術(shù)及應(yīng)用

王斌 王謙

摘要：在我國，棄風(fēng)棄光電以及谷電得不到很好的利用，從而造成資源的浪費、環(huán)境的污染，合理利用丟棄的電量有益于效益最大化。本文列舉了電極熱水鍋爐蓄熱、固體磚蓄熱和熔鹽蓄熱這三種電加熱技術(shù)，并詳細闡述了適用于大規(guī)模建設(shè)的熔鹽蓄熱技術(shù)，最后結(jié)合現(xiàn)有案列說明熔鹽蓄熱技術(shù)的可行性并給出經(jīng)濟性分析。

關(guān)鍵詞：棄風(fēng)棄光電;谷電再利用;電加熱技術(shù);熔鹽蓄熱

1背景

我國是能源生產(chǎn)和消費大國，據(jù)統(tǒng)計，2019年我國各類電能總裝機容量已達201066×104kW。隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電的增加，火電在總裝機容量中的占比已從2015年的約66%降低到2019年的 59%，其中風(fēng)電和光伏分別達到21005×104kW（10.4%）和20468×104kW（10.2%）。但因為風(fēng)能和電能存在不可預(yù)測性，導(dǎo)致風(fēng)電和光伏發(fā)電分布不均以及不穩(wěn)定，造成了并網(wǎng)的困難。雖然國家有計劃地降低風(fēng)電和光伏的棄電率，但仍有一定比例的棄風(fēng)棄光電量存在[1]。谷電一般指第一天晚上到第二天早晨時段電，此時段電價下浮約50%，高峰時段（峰電）電價上浮約50%，充分利用谷電可以平衡電網(wǎng)，降低電網(wǎng)負荷[2]。通過對棄風(fēng)棄光電以及谷電的再利用，不僅節(jié)約能源，而且對節(jié)能減排、社會經(jīng)濟具有重要作用。

2電蓄熱技術(shù)

棄風(fēng)棄光電和谷電蓄熱技術(shù)有電極熱水鍋爐蓄熱技術(shù)、電阻熱水鍋爐蓄熱技術(shù)、固體磚蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)、相變蓄熱技術(shù)。其中，可直接利用10kV以上高壓電的蓄熱技術(shù)有：電極熱水鍋爐蓄熱技術(shù)、固體磚蓄熱技術(shù)和熔鹽蓄熱技術(shù)。

電極熱水鍋爐蓄熱技術(shù)是通過電極鍋爐將熱能儲存在蓄熱裝置中，在用電高峰時段，將蓄熱介質(zhì)中的熱能釋放出來供用戶使用。通過蓄熱水罐，可以在熱源和用戶之間建立一個緩沖時間，使得熱源利用更加靈活;固體磚蓄熱材料大都為MgO，棄風(fēng)棄光電或者谷電通過電網(wǎng)輸送到蓄熱地點，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，從而為材料進行充熱，而后蓄熱材料被輸送至用戶端，為用戶供熱;熔鹽蓄熱技術(shù)是一種基于熔鹽顯熱蓄熱的電加熱集中供熱技術(shù)，通過電加熱技術(shù)給熔鹽充熱，被加熱的中高溫熔鹽與水換熱，從而供給用戶端。

電極熱水鍋爐技術(shù)成本低、室內(nèi)溫度可穩(wěn)定調(diào)節(jié)，可滿足一般供暖、生活熱水和工業(yè)熱水的需求，但需要具備足夠的鍋爐房空間;固體磚蓄熱技術(shù)可模塊化組裝，占地面積小、蓄熱密度高，但初期投資較大，電加熱器用量大，供熱工況不太穩(wěn)定，雖然只需很小的空間，但是不適宜大規(guī)模布置;熔鹽蓄熱技術(shù)投資成本低、占地面積小、蓄熱密度高、供熱工況可穩(wěn)定調(diào)節(jié)、使用壽命長，但需要考慮防凝措施，可以滿足大規(guī)模供暖、供熱水、工業(yè)蒸汽等，相比于前兩種蓄熱方式，適用于建筑面積大于的小區(qū)、別墅區(qū)、商業(yè)地及旅游區(qū)。

3熔鹽蓄熱技術(shù)

根據(jù)工藝流程的不同，熔鹽蓄熱技術(shù)可以分為單罐蓄熱技術(shù)和雙罐蓄熱技術(shù)。蓄熱系統(tǒng)主要包括混合熔鹽、熔鹽罐、熔鹽泵、電加熱熔鹽-水換熱器等設(shè)備和材料。

其中單罐式熔鹽蓄熱罐通過控制高溫熔鹽的流入和流出來實現(xiàn)系統(tǒng)的蓄熱和放熱過程。在蓄熱罐中填充較大熱容的多孔介質(zhì)顆粒，熔鹽在多孔介質(zhì)固體填充顆粒之間形成了溫度分層，將低溫熔鹽和高溫熔鹽劃分了不同的區(qū)域，處于溫度最低區(qū)域和溫度最高區(qū)域的溫度分層被稱為斜溫層[3]。充熱過程，當(dāng)斜溫層完全流出蓄熱罐，罐中溫度與入口高溫熔鹽溫度相同時，表示充熱完成;放熱過程，當(dāng)斜溫層開始流出蓄熱罐，表示有效放熱過程結(jié)束。

圖1表示單罐熔鹽蓄熱供暖示意圖，從風(fēng)機出來的風(fēng)進入熔鹽罐被加熱，之后進入風(fēng)-水換熱器，熱風(fēng)將熱量傳遞給水，水被加熱到一定溫度后供用戶使用，換熱后的風(fēng)重新進入風(fēng)機，完成風(fēng)循環(huán)。

圖2為電加熱的熔鹽蓄熱供熱示意圖。雙罐熔鹽蓄熱過程為：熔鹽電加熱器啟動，低溫熔鹽被泵抽出在電加熱器中被加熱，被加熱的熔鹽進入高溫熔鹽罐中被儲存起來;放熱過程為：高溫熔鹽進入換熱器給用戶側(cè)的冷水加熱，換熱后的熔鹽進入低溫罐，完成放熱過程。

單罐熔鹽蓄熱可以利用更廉價的固體代替一部分熔鹽并且只需一個蓄熱罐，建設(shè)成本降低并且占地面積小，可以大大減小成本支出，但需要嚴(yán)格控制斜溫層，并且高溫熔鹽和低溫熔鹽較難區(qū)分。與單罐熔鹽相比，雙罐熔鹽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，供熱負荷穩(wěn)定，可靈活調(diào)節(jié)，控制相對簡單，但雙罐的存在，意味著建設(shè)成本的提高和占地面積的增大[5]。

4熔鹽供暖技術(shù)應(yīng)用及經(jīng)濟分析

相較傳統(tǒng)的煤氣或燃煤供熱方式，采用熔鹽儲熱與供熱模式具備安全、高效、操作簡便、無廢棄物的優(yōu)勢，運行成本也比燃氣供暖減少了很多。

姚俊彬等[4]采用單罐熔鹽供暖模式為阜新市大樓提供供熱服務(wù)，供水平均溫度為79.9 ℃，回水平均溫度為63.9 ℃，室內(nèi)平均溫度為18.4 ℃，供熱溫度基本滿足熱用戶的需求。由北京工業(yè)大學(xué)設(shè)計研發(fā)，中投億星紅日太陽能科技有限公司投資建設(shè)的全球首座熔鹽蓄熱低谷電綠色供暖示范工程在河北辛集建成。示范工程供暖建筑面積為7.5×104m2，利用夜間電網(wǎng)系統(tǒng)10h的低谷時段電力加熱熔鹽進行儲能。在冬季，熔鹽蓄熱系統(tǒng)可供建筑物全天 24h采暖。該工程于2016年11 月15日投入運行，居民用戶室內(nèi)溫度能夠穩(wěn)定維持在 19～24℃，受到了居民的好評[6]。

熔鹽蓄熱建設(shè)成本較低，系統(tǒng)簡單，整個投資成本大約150 元/m2，供暖季運營成本根據(jù)峰谷電價不同在13～18 元/m2，具有良好的經(jīng)濟性能;該項目建設(shè)周期較短，只需3～5個月;對投資人來說，資金回收快，受益年限長，平均30年[7]。

5總結(jié)

本文針對棄風(fēng)棄光電以及谷電得不到充分利用這種問題，列舉了電極熱水鍋爐蓄熱、固體磚蓄熱和熔鹽蓄熱這三種電加熱技術(shù)，通過對比分析，熔鹽蓄熱技術(shù)更適用于大規(guī)模建設(shè)并對此加以闡述，最后結(jié)合現(xiàn)有案列說明熔鹽蓄熱技術(shù)的可行性并給出經(jīng)濟性分析。綜上所述，電加熱技術(shù)是一種可以有效利用棄風(fēng)棄光電和低谷電的儲熱技術(shù)，對改善環(huán)境、促進電網(wǎng)削峰填谷具有重要意義，是一項值得大力推廣的儲能技術(shù)。

參考文獻

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[3]張晨.中低溫槽式太陽能熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2018.

[4]姚俊彬，趙崢崢.單罐熔鹽蓄熱供暖系統(tǒng)研究及其應(yīng)用[J].西部皮革.2017，39（02）：18-20.

[5]劉暢.高溫熔鹽蓄熱風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計及研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2018.

[6]吳玉庭，張曉明，王慧富，等.基于棄風(fēng)棄光或低谷電加熱的熔鹽蓄熱供熱技術(shù)及其評價[J].中外能源.2017，22（02）：93-99.

[7]王海軍，趙雅靜，楊玉江，等.熔鹽儲能技術(shù)的研究及熔鹽供暖技術(shù)的應(yīng)用前景[J].廣州化工.2017，45（15）：33-34，47.