基于复合相变储热材料的电热储能系统

张叶龙，宋鹏飞，周 伟，王 刚，许 永，翁立奎，冷光辉，丁玉龙



基于复合相变储热材料的电热储能系统

张叶龙1，宋鹏飞1，周 伟1，王 刚1，许 永1，翁立奎1，冷光辉2，丁玉龙2

（1南京金合能源材料有限公司，江苏南京 210047；2英国伯明翰大学，英国伯明翰 B15 2TT）

为解决弃风电消纳和燃煤锅炉供暖存在的污染问题，采用模块化集成思路，建立了1 MW·h电热储能系统。同等条件下，与镁铁储热砖储热系统进行对比，发现复合相变储热材料的储热性能优于镁铁储热砖储热材料。通过研究复合相变储热体的温度分布，发现储热过程中热量被储热体逐级吸收，初始阶段逐渐集中于储热体顶部，随着传热时间的延长而向两侧扩散。供暖实验表明供暖循环水温度在系统运行5 h后达到稳定，可满足24 h供热需求。通过电加热元件与储热体分体交错的布置方式进行了系统优化，建立了36 MW·h级电热储能示范系统，通过研究供暖期系统的储热和供暖运行情况，结果表明其与1 MW·h系统的供暖性能基本一致，但内部温度场分布更均匀。

电加热；蓄热；复合相变材料

为转变能源发展方式、调整能源结构、实现碳减排目标，近年来我国可再生能源在整个能源结构中的比重不断提升，尤其是风电得到了快速发展。然而我国近年来弃风限电的现象较为严重。根据国家能源局的统计数据，2015年我国全年弃风电量339亿千瓦时，平均弃风率15%，同比增加7%；而2016年全国弃风电量进一步加剧，达到497亿千瓦时，弃风较为严重的地区是甘肃（弃风率43%、弃风电量 104亿千瓦时）、新疆（弃风率38%、弃风电量137亿千瓦时）。同时为了解决目前空气污染和雾霾等问题，中央和各地政府纷纷出台政策，取缔小型燃煤锅炉，因此电能替代成为目前国内能源结构及城市供暖的主要方向。

为了解决弃风电消纳及燃煤锅炉的替代问题，利用弃风电供热成为了未来发展的必然趋势[1]。然而风电具有间歇性、波动性的特点，因此很难保证风电供热的稳定性。储热技术将间歇性的弃风电以热的形式储存起来，并实现热能的稳定输出，因此在弃风电供暖领域具有广阔的应用前景[2]。西门子公司于2016年在德国Hamburg-Bergedorf建立了风电储热实验装置，采用岩石作为储热材料，通过空气将岩石存储的热量传递至蒸汽锅炉驱动汽轮机发电，实验发现岩石储热最高温度可达600 ℃；西门子公司下一步将考察装置整体的能量转换效率，拟于2017年建设36 MW·h的大规模风电储热系统，使用岩石储热材料2000 m3，每天输出1.5 MW电力，研究人员预计系统早期开发阶段的发电效率能达到25%[3]。储热技术的核心是储热材料，相变储热材料因储热密度高、储/释热过程温度恒定等优势，逐渐成为储热领域的研究热点[4-5]。本文采用模块化的系统集成思路，以复合相变储热材料为核心，将电加热模块、储热模块、换热模块和控制模块进行有机组合，建立1 MW·h电热储能系统，对比镁铁储热砖的储热性能并研究相变储热体温度分布。根据实验结果对系统放大优化，建立36 MW·h级的工业示范系统，分析供暖期系统的储热性能和供暖运行情况，为系统改良和应用推广建立基础。

1 1 MW·h电热储能系统的性能研究

1.1 系统设计原理及结构

本系统主要设计原理如图1所示。弃风电/低谷电通过电网输送到制热/储热地点，电热转换和存储单元内的电加热器开启制热，并对储热室内的复合结构储热材料充热；同时开启循环风机，经过循环风机增压的空气流经电制热室时，与电制热室的电加热器换热，使其温度升高，高温空气经过储热室时，通过对流和辐射传热将热量传递给复合结构储热材料；热风经过储热室后，通过热水锅炉（也称为换热器），将热量传递给供暖循环水同时实现供暖需求；通过热水锅炉后的风温大幅度降低，再经过循环风机进行增压后继续循环。

图1 1 MW·h电热储能系统原理图

非弃风电或非低谷电时段，关闭电加热器，利用储热室存储的热量为热水锅炉提供热源。其流程为：经循环风机增压的空气流经储热室，通过热交换带走储热室中复合结构储热材料存储的热量并使得空气温度升高，高温空气流经热水锅炉，通过换热将热量传递给循环回水，此时热风的温度大幅度降低，再经过循环风机进行增压后继续循环。储热和放热过程中，均可通过调节风机风量以保证在储热和放热期间流出储热室的空气所携带的热量，在满足用户的供热需求的同时确保热水锅炉热源的稳定性。

本系统设计和制造过程中电加热元件与储热体完全分体式布置，总占地面积50 m2。采用380 V电压供电，电加热功率为100 kW，电加热表面最大温升830 ℃；储热材料用量3吨；热水换热器输出功率30 kW，进出水温差30 ℃；循环风机采用变频控制，频率调节范围5～50 Hz，功率4 kW，最大风量1800 m3/h，最大风压3450 Pa。图2为本研究设计的系统运行控制界面，可通过软件实时监控系统的储热和供暖运行状态以进行调控。

1.2 储热材料对系统储/放热性能的影响

分别使用复合相变储热材料（相变温度600 ℃，相变潜热值126 J/g）和镁铁氧化物储热材料作为系统储热介质，制备成复合相变储热砖[6]和镁铁储热砖，其热性能参数如表1所示。

在系统内通过砖与砖的交错搭接集成为储热 体，并将其按照循环风机的空气流向方向分为前列、中列和后列3组。由于储热体与电加热器的完全分体式布置，热量在循环风的驱动下，从电加热器侧 经储热材料模块向换热器侧流动，并从靠近电加热器端的前列、中列和后列储热体依次传递并被逐级 吸收，从而在3组储热体中形成温度梯度，使得电 加热器侧前列储热体温度最高，而后列储热体温度 最低。

图2 1 MW·h电热储能系统控制平台

表1 储热材料的性能参数

由图3可知，在一个24 h的循环周期内，系统储热时间为11.5 h。在相同的电加热功率下，复合相变储热体比镁铁砖储热体储热温度更高，因此采用复合相变储热材料作为系统储热介质有利于提高系统的储热性能。两种储热体内部三列储热体每列的最大温差均在100 ℃附近。放热过程中，热量从电加热器侧前列储热体依次向后列储热体传递，复合相变储热体在系统运行第12～14 h期间出现前列储热体降温而中列、后列储热体继续升温的现象。而对于镁铁砖储热体，其放热过程与储热过程的各列储热体的温度变化趋势基本一致。造成这种现象的原因可能是复合相变储热体在放热过程中由于相变过程使得温度下降速率低于镁铁砖储热体，从而导致两种储热体放热过程的差异。

（a）复合相变储热体

（b）镁铁砖储热体

图3 1 MW·h电热储能系统储热体的储/放热性能

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

1.3 储热体运行温度分布的研究

图4考察了以复合相变储热材料作为储热介质的储热体在系统运行过程中的温度分布情况。在一个24 h的循环周期内，储热过程中前列和中列储热体的中心温度相对最高而底部温度相对最低，温差约50 ℃，后列储热体的顶部温度在储热初期温升较快，而经过5 h的传热后储热体侧面温度逐渐超过顶部温度。由此可以说明随着热空气在三列储热体中进行传热过程，热量被逐级吸收，初始阶段逐渐集中于储热体顶部，随着传热时间的延长而向两侧扩散。

（a）前列储热砖

（b）中列储热砖

（c）后列储热砖

1.4 系统的供暖性能

如图5所示，通过考察一个循环周期24 h的供暖实验，发现供暖循环水温度在系统运行5 h后达到稳定。经过22.5 h的持续供暖过程，换热器出口的供暖循环水温度开始下降，至24 h系统储存的热量释放完毕，需要重新开启电加热进行下一次储热循环。

图5 1 MW·h电热储能系统的供暖性能

2 36 MW·h电热储能系统的示范应用

2.1 示范应用概述

中广核新疆阿勒泰市风电清洁供暖示范项目为第三中学及周边后期新建住宅小区提供供暖热源，海拔高度906 m。供热站位于阿勒泰市解放北路东后街第三中学内西南角。项目总供热面积为5万平方米，其中，第三中学及周边后期新建住宅小区，学校规划总面积3.2万平方米，新建建筑类型均为节能型居民建筑，规划面积约为1.8万平方米。热力站供电线路电压等级为10 kV。供暖区域低谷电运行时间为10 h，低谷电时段为0:00～8:00及15:00～17:00。项目建成后，可实现每年消纳弃风电约1000万千瓦时，每年可减少供暖燃烧标煤消耗约4000亿吨，减少二氧化碳及各种排放13140万吨。

2.2 系统优化设计

图6为36 MW·h电热储能系统的结构图[7-8]。输入电压采用10 kV，通过在高压开关柜中植入断电安全联锁装置、软起动装置和二级真空断路器和接触器，保证高压电接入过程中的安全性。电加热模块采用套管式电加热元件，电加热丝材质为2080不锈钢，套管材质为石英；其排布方式为电加热模块与储热体分体式交错布置，既保证了高压电接入时电加热元件与储热材料有足够的安全距离，又能保证复合相变储热材料的均匀加热，且避免单一模块故障影响系统正常供热。

根据实际使用需求，采用2台3 MW电热储能系统，储热材料总用量156 吨，总蓄热容量36 MW·h，总用地面积1222.13 m2，供热半径500 m。其中，单台输入加热电功率3000 kW，蓄热能量³18 MW·h，输出供热功率1500 kW，循环风机采用变频控制，频率调节范围5～50 Hz，功率30 kW，最大风量23500 m3/h，全压2000 Pa。图7为系统的控制平台，通过优化可在线或离线自检控制单元的设备故障，给出故障信号，指示故障部位，此外可自诊断出硬件模块故障，并具体定位到单个模块。

图6 36 MW·h电热储能系统结构图

图7 36 MW·h电热储能系统控制平台

2.3 系统储/放热过程与供暖性能的研究

系统以5万平方米供暖面积进行蓄热供热设计，由于现阶段仅为阿勒泰市第三中学供暖，供暖总面积3.2万平方米，因此系统不需满负荷运行。以1号炉在0:00～24:00的一个24 h的循环周期为例，系统在两个低谷用电时段（0:00～8:00，15:00～17:00）进行三次蓄热，分别在0:00、6:00和15:00开始蓄热，总蓄热时间8 h。由图8可知，由于电加热元件与储热体的分体错位布置，各列储热体储热过程中温度分布与1 MW·h电热储能系统相比更均匀。放热过程中各列储热体的温度变化趋势与储热过程基本相同。

循环风进口温度：400 ℃

如图9所示，通过考察1号炉一个循环周期24 h的供暖实验，发现供暖循环水温度在系统运行5 h后达到稳定，供暖过程中经历4次波动，这与室外温度的急剧变化和3次储热过程中储热体的快速温升有关。供暖过程持续22.5 h后，换热器出口的供暖循环水温度开始下降。系统运行24 h时系统储存的热量释放完毕，需重新开启电加热进行下一次储热循环。

图9 36 MW·h电热储能系统的供暖性能

3 结 论

通过考察1 MW·h电热储能系统的储/放热过程和供暖性能，在100 kW电加热功率下，复合相变储热体比镁铁砖储热体储热温度更高，因此采用复合相变储热材料作为系统储热介质有利于提高系统的储热性能。随着热空气在三列储热体中进行传热过程，热量被逐级吸收，初始阶段逐渐集中于储热体顶部，随着传热时间的延长而向两侧扩散。供暖实验表明，在30 kW热输出功率条件下，系统运行5 h后达到稳定，通过11.5 h的储热过程可持续24 h放热过程。

依托中广核新疆阿勒泰市风电清洁供暖示范项目建立了36 MW·h电热储能示范系统，以复合相变储热材料为储热介质，在6 MW电加热功率，1500 kW热输出功率的条件下经过8 h储热过程，可满足3.2万平方米持续24 h的供暖需求。其与1 MW·h电热储能系统的供暖性能基本一致，而各列储热体温度场分布与1 MW·h电热储能系统相比更均匀。

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REN Ai, CHEN Jiuliang, DING Yulong, et al. A kind of off-peak electricity or abandoned wind electricity heating system with heat storage function: CN 201620538965.0[P]. 2016-11-09.

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。

江苏省科技型企业技术创新资金项目（BC2015002）。

张叶龙（1988—），男，工程师，主要研究方向为储热材料及系统，E-mail：ZYL1988219@163.com；

丁玉龙，教授，研究方向为储能系统及能源材料，E-mail：y.ding@bham.ac.uk。