基于復合相變儲熱材料的電熱儲能系統(tǒng)

張葉龍，宋鵬飛，周 偉，王 剛，許 永，翁立奎，冷光輝，丁玉龍

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基于復合相變儲熱材料的電熱儲能系統(tǒng)

張葉龍1，宋鵬飛1，周 偉1，王 剛1，許 永1，翁立奎1，冷光輝2，丁玉龍2

（1南京金合能源材料有限公司，江蘇南京 210047；2英國伯明翰大學，英國伯明翰 B15 2TT）

為解決棄風電消納和燃煤鍋爐供暖存在的污染問題，采用模塊化集成思路，建立了1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)。同等條件下，與鎂鐵儲熱磚儲熱系統(tǒng)進行對比，發(fā)現(xiàn)復合相變儲熱材料的儲熱性能優(yōu)于鎂鐵儲熱磚儲熱材料。通過研究復合相變儲熱體的溫度分布，發(fā)現(xiàn)儲熱過程中熱量被儲熱體逐級吸收，初始階段逐漸集中于儲熱體頂部，隨著傳熱時間的延長而向兩側擴散。供暖實驗表明供暖循環(huán)水溫度在系統(tǒng)運行5 h后達到穩(wěn)定，可滿足24 h供熱需求。通過電加熱元件與儲熱體分體交錯的布置方式進行了系統(tǒng)優(yōu)化，建立了36 MW·h級電熱儲能示范系統(tǒng)，通過研究供暖期系統(tǒng)的儲熱和供暖運行情況，結果表明其與1 MW·h系統(tǒng)的供暖性能基本一致，但內部溫度場分布更均勻。

電加熱；蓄熱；復合相變材料

為轉變能源發(fā)展方式、調整能源結構、實現(xiàn)碳減排目標，近年來我國可再生能源在整個能源結構中的比重不斷提升，尤其是風電得到了快速發(fā)展。然而我國近年來棄風限電的現(xiàn)象較為嚴重。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年我國全年棄風電量339億千瓦時，平均棄風率15%，同比增加7%；而2016年全國棄風電量進一步加劇，達到497億千瓦時，棄風較為嚴重的地區(qū)是甘肅（棄風率43%、棄風電量 104億千瓦時）、新疆（棄風率38%、棄風電量137億千瓦時）。同時為了解決目前空氣污染和霧霾等問題，中央和各地政府紛紛出臺政策，取締小型燃煤鍋爐，因此電能替代成為目前國內能源結構及城市供暖的主要方向。

為了解決棄風電消納及燃煤鍋爐的替代問題，利用棄風電供熱成為了未來發(fā)展的必然趨勢[1]。然而風電具有間歇性、波動性的特點，因此很難保證風電供熱的穩(wěn)定性。儲熱技術將間歇性的棄風電以熱的形式儲存起來，并實現(xiàn)熱能的穩(wěn)定輸出，因此在棄風電供暖領域具有廣闊的應用前景[2]。西門子公司于2016年在德國Hamburg-Bergedorf建立了風電儲熱實驗裝置，采用巖石作為儲熱材料，通過空氣將巖石存儲的熱量傳遞至蒸汽鍋爐驅動汽輪機發(fā)電，實驗發(fā)現(xiàn)巖石儲熱最高溫度可達600 ℃；西門子公司下一步將考察裝置整體的能量轉換效率，擬于2017年建設36 MW·h的大規(guī)模風電儲熱系統(tǒng)，使用巖石儲熱材料2000 m3，每天輸出1.5 MW電力，研究人員預計系統(tǒng)早期開發(fā)階段的發(fā)電效率能達到25%[3]。儲熱技術的核心是儲熱材料，相變儲熱材料因儲熱密度高、儲/釋熱過程溫度恒定等優(yōu)勢，逐漸成為儲熱領域的研究熱點[4-5]。本文采用模塊化的系統(tǒng)集成思路，以復合相變儲熱材料為核心，將電加熱模塊、儲熱模塊、換熱模塊和控制模塊進行有機組合，建立1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)，對比鎂鐵儲熱磚的儲熱性能并研究相變儲熱體溫度分布。根據(jù)實驗結果對系統(tǒng)放大優(yōu)化，建立36 MW·h級的工業(yè)示范系統(tǒng)，分析供暖期系統(tǒng)的儲熱性能和供暖運行情況，為系統(tǒng)改良和應用推廣建立基礎。

1 1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的性能研究

1.1 系統(tǒng)設計原理及結構

本系統(tǒng)主要設計原理如圖1所示。棄風電/低谷電通過電網(wǎng)輸送到制熱/儲熱地點，電熱轉換和存儲單元內的電加熱器開啟制熱，并對儲熱室內的復合結構儲熱材料充熱；同時開啟循環(huán)風機，經(jīng)過循環(huán)風機增壓的空氣流經(jīng)電制熱室時，與電制熱室的電加熱器換熱，使其溫度升高，高溫空氣經(jīng)過儲熱室時，通過對流和輻射傳熱將熱量傳遞給復合結構儲熱材料；熱風經(jīng)過儲熱室后，通過熱水鍋爐（也稱為換熱器），將熱量傳遞給供暖循環(huán)水同時實現(xiàn)供暖需求；通過熱水鍋爐后的風溫大幅度降低，再經(jīng)過循環(huán)風機進行增壓后繼續(xù)循環(huán)。

圖1 1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)原理圖

非棄風電或非低谷電時段，關閉電加熱器，利用儲熱室存儲的熱量為熱水鍋爐提供熱源。其流程為：經(jīng)循環(huán)風機增壓的空氣流經(jīng)儲熱室，通過熱交換帶走儲熱室中復合結構儲熱材料存儲的熱量并使得空氣溫度升高，高溫空氣流經(jīng)熱水鍋爐，通過換熱將熱量傳遞給循環(huán)回水，此時熱風的溫度大幅度降低，再經(jīng)過循環(huán)風機進行增壓后繼續(xù)循環(huán)。儲熱和放熱過程中，均可通過調節(jié)風機風量以保證在儲熱和放熱期間流出儲熱室的空氣所攜帶的熱量，在滿足用戶的供熱需求的同時確保熱水鍋爐熱源的穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)設計和制造過程中電加熱元件與儲熱體完全分體式布置，總占地面積50 m2。采用380 V電壓供電，電加熱功率為100 kW，電加熱表面最大溫升830 ℃；儲熱材料用量3噸；熱水換熱器輸出功率30 kW，進出水溫差30 ℃；循環(huán)風機采用變頻控制，頻率調節(jié)范圍5～50 Hz，功率4 kW，最大風量1800 m3/h，最大風壓3450 Pa。圖2為本研究設計的系統(tǒng)運行控制界面，可通過軟件實時監(jiān)控系統(tǒng)的儲熱和供暖運行狀態(tài)以進行調控。

1.2 儲熱材料對系統(tǒng)儲/放熱性能的影響

分別使用復合相變儲熱材料（相變溫度600 ℃，相變潛熱值126 J/g）和鎂鐵氧化物儲熱材料作為系統(tǒng)儲熱介質，制備成復合相變儲熱磚[6]和鎂鐵儲熱磚，其熱性能參數(shù)如表1所示。

在系統(tǒng)內通過磚與磚的交錯搭接集成為儲熱 體，并將其按照循環(huán)風機的空氣流向方向分為前列、中列和后列3組。由于儲熱體與電加熱器的完全分體式布置，熱量在循環(huán)風的驅動下，從電加熱器側 經(jīng)儲熱材料模塊向換熱器側流動，并從靠近電加熱器端的前列、中列和后列儲熱體依次傳遞并被逐級 吸收，從而在3組儲熱體中形成溫度梯度，使得電 加熱器側前列儲熱體溫度最高，而后列儲熱體溫度 最低。

圖2 1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)控制平臺

表1 儲熱材料的性能參數(shù)

由圖3可知，在一個24 h的循環(huán)周期內，系統(tǒng)儲熱時間為11.5 h。在相同的電加熱功率下，復合相變儲熱體比鎂鐵磚儲熱體儲熱溫度更高，因此采用復合相變儲熱材料作為系統(tǒng)儲熱介質有利于提高系統(tǒng)的儲熱性能。兩種儲熱體內部三列儲熱體每列的最大溫差均在100 ℃附近。放熱過程中，熱量從電加熱器側前列儲熱體依次向后列儲熱體傳遞，復合相變儲熱體在系統(tǒng)運行第12～14 h期間出現(xiàn)前列儲熱體降溫而中列、后列儲熱體繼續(xù)升溫的現(xiàn)象。而對于鎂鐵磚儲熱體，其放熱過程與儲熱過程的各列儲熱體的溫度變化趨勢基本一致。造成這種現(xiàn)象的原因可能是復合相變儲熱體在放熱過程中由于相變過程使得溫度下降速率低于鎂鐵磚儲熱體，從而導致兩種儲熱體放熱過程的差異。

（a）復合相變儲熱體

（b）鎂鐵磚儲熱體

圖3 1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)儲熱體的儲/放熱性能

Fig.3 Heat storage / release performance of thermal storage unit in 1 MW·h electric heating energy storage system

1.3 儲熱體運行溫度分布的研究

圖4考察了以復合相變儲熱材料作為儲熱介質的儲熱體在系統(tǒng)運行過程中的溫度分布情況。在一個24 h的循環(huán)周期內，儲熱過程中前列和中列儲熱體的中心溫度相對最高而底部溫度相對最低，溫差約50 ℃，后列儲熱體的頂部溫度在儲熱初期溫升較快，而經(jīng)過5 h的傳熱后儲熱體側面溫度逐漸超過頂部溫度。由此可以說明隨著熱空氣在三列儲熱體中進行傳熱過程，熱量被逐級吸收，初始階段逐漸集中于儲熱體頂部，隨著傳熱時間的延長而向兩側擴散。

（a）前列儲熱磚

（b）中列儲熱磚

（c）后列儲熱磚

1.4 系統(tǒng)的供暖性能

如圖5所示，通過考察一個循環(huán)周期24 h的供暖實驗，發(fā)現(xiàn)供暖循環(huán)水溫度在系統(tǒng)運行5 h后達到穩(wěn)定。經(jīng)過22.5 h的持續(xù)供暖過程，換熱器出口的供暖循環(huán)水溫度開始下降，至24 h系統(tǒng)儲存的熱量釋放完畢，需要重新開啟電加熱進行下一次儲熱循環(huán)。

圖5 1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的供暖性能

2 36 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的示范應用

2.1 示范應用概述

中廣核新疆阿勒泰市風電清潔供暖示范項目為第三中學及周邊后期新建住宅小區(qū)提供供暖熱源，海拔高度906 m。供熱站位于阿勒泰市解放北路東后街第三中學內西南角。項目總供熱面積為5萬平方米，其中，第三中學及周邊后期新建住宅小區(qū)，學校規(guī)劃總面積3.2萬平方米，新建建筑類型均為節(jié)能型居民建筑，規(guī)劃面積約為1.8萬平方米。熱力站供電線路電壓等級為10 kV。供暖區(qū)域低谷電運行時間為10 h，低谷電時段為0:00～8:00及15:00～17:00。項目建成后，可實現(xiàn)每年消納棄風電約1000萬千瓦時，每年可減少供暖燃燒標煤消耗約4000億噸，減少二氧化碳及各種排放13140萬噸。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化設計

圖6為36 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的結構圖[7-8]。輸入電壓采用10 kV，通過在高壓開關柜中植入斷電安全聯(lián)鎖裝置、軟起動裝置和二級真空斷路器和接觸器，保證高壓電接入過程中的安全性。電加熱模塊采用套管式電加熱元件，電加熱絲材質為2080不銹鋼，套管材質為石英；其排布方式為電加熱模塊與儲熱體分體式交錯布置，既保證了高壓電接入時電加熱元件與儲熱材料有足夠的安全距離，又能保證復合相變儲熱材料的均勻加熱，且避免單一模塊故障影響系統(tǒng)正常供熱。

根據(jù)實際使用需求，采用2臺3 MW電熱儲能系統(tǒng)，儲熱材料總用量156 噸，總蓄熱容量36 MW·h，總用地面積1222.13 m2，供熱半徑500 m。其中，單臺輸入加熱電功率3000 kW，蓄熱能量318 MW·h，輸出供熱功率1500 kW，循環(huán)風機采用變頻控制，頻率調節(jié)范圍5～50 Hz，功率30 kW，最大風量23500 m3/h，全壓2000 Pa。圖7為系統(tǒng)的控制平臺，通過優(yōu)化可在線或離線自檢控制單元的設備故障，給出故障信號，指示故障部位，此外可自診斷出硬件模塊故障，并具體定位到單個模塊。

圖6 36 MW·h電熱儲能系統(tǒng)結構圖

圖7 36 MW·h電熱儲能系統(tǒng)控制平臺

2.3 系統(tǒng)儲/放熱過程與供暖性能的研究

系統(tǒng)以5萬平方米供暖面積進行蓄熱供熱設計，由于現(xiàn)階段僅為阿勒泰市第三中學供暖，供暖總面積3.2萬平方米，因此系統(tǒng)不需滿負荷運行。以1號爐在0:00～24:00的一個24 h的循環(huán)周期為例，系統(tǒng)在兩個低谷用電時段（0:00～8:00，15:00～17:00）進行三次蓄熱，分別在0:00、6:00和15:00開始蓄熱，總蓄熱時間8 h。由圖8可知，由于電加熱元件與儲熱體的分體錯位布置，各列儲熱體儲熱過程中溫度分布與1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)相比更均勻。放熱過程中各列儲熱體的溫度變化趨勢與儲熱過程基本相同。

循環(huán)風進口溫度：400 ℃

如圖9所示，通過考察1號爐一個循環(huán)周期24 h的供暖實驗，發(fā)現(xiàn)供暖循環(huán)水溫度在系統(tǒng)運行5 h后達到穩(wěn)定，供暖過程中經(jīng)歷4次波動，這與室外溫度的急劇變化和3次儲熱過程中儲熱體的快速溫升有關。供暖過程持續(xù)22.5 h后，換熱器出口的供暖循環(huán)水溫度開始下降。系統(tǒng)運行24 h時系統(tǒng)儲存的熱量釋放完畢，需重新開啟電加熱進行下一次儲熱循環(huán)。

圖9 36 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的供暖性能

3 結 論

通過考察1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的儲/放熱過程和供暖性能，在100 kW電加熱功率下，復合相變儲熱體比鎂鐵磚儲熱體儲熱溫度更高，因此采用復合相變儲熱材料作為系統(tǒng)儲熱介質有利于提高系統(tǒng)的儲熱性能。隨著熱空氣在三列儲熱體中進行傳熱過程，熱量被逐級吸收，初始階段逐漸集中于儲熱體頂部，隨著傳熱時間的延長而向兩側擴散。供暖實驗表明，在30 kW熱輸出功率條件下，系統(tǒng)運行5 h后達到穩(wěn)定，通過11.5 h的儲熱過程可持續(xù)24 h放熱過程。

依托中廣核新疆阿勒泰市風電清潔供暖示范項目建立了36 MW·h電熱儲能示范系統(tǒng)，以復合相變儲熱材料為儲熱介質，在6 MW電加熱功率，1500 kW熱輸出功率的條件下經(jīng)過8 h儲熱過程，可滿足3.2萬平方米持續(xù)24 h的供暖需求。其與1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)的供暖性能基本一致，而各列儲熱體溫度場分布與1 MW·h電熱儲能系統(tǒng)相比更均勻。

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Electrical heating systems with heat storage using composite phase change materials

ZHANG Yelong1, SONG Pengfei1, ZHOU Wei1, WANG Gang1, XU Yong1, WENG Likui1, LENG Guanghui2, DING Yulong2

(1Nanjing Jinhe Energy Materials Company Limited, Nanjing 210047, Jiangsu, China;2University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK)

A 1 MW·h electrical heating system with heat storage was constructed based on an modular design. Both a composite phase change material and a magnesium iron oxide based material were used as heat storage materials. The results showed that the composite phase change material outperformed the metal oxide based storage material under the same testing conditions. Based on the results of the 1 MW·h system, a 36 MW·h system was designed, constructed and tested. Similar performance was obtained.

electrical heating; heat storage; composite phase change materials

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0080

TK 229.92

A

2095-4239（2017）06-1250-07

2017-05-31；

2017-06-23。

江蘇省科技型企業(yè)技術創(chuàng)新資金項目（BC2015002）。

張葉龍（1988—），男，工程師，主要研究方向為儲熱材料及系統(tǒng)，E-mail：ZYL1988219@163.com；

丁玉龍，教授，研究方向為儲能系統(tǒng)及能源材料，E-mail：y.ding@bham.ac.uk。