相变材料在变电站中的应用分析

2020-12-28贾恒杰

电工材料 2020年6期

贾恒杰

（韶关供电局，广东韶关 512000）

引言

相变材料最早应用于房屋建筑中，因其节能性和优异的控温功能，可以减少人们对供暖设备的依赖，间接使得房屋能源消耗降低。随着应用场景的不断扩大，相变材料也引起了电力行业的重视，变电站同样存在节能、控温需求，将相变材料应用于变电站中已取得到了良好的反馈，这使得相变材料逐渐应用于变电站。从变电站相变材料应用现状来看，其普遍应用于智能变电站二次设备。

1 相变材料应用优势

任何相变材料的物理状态均会随着温度变化而变化，在物理状态改变过程中，具有吸收、释放热能的作用，且吸收、释放率较大[1]。相变材料能够应用于实际环境中，就需要采用相应手段使潜热转化为显热，这种转化手段因相变材料类型不同而不同，显热并不会造成相变材料物理形态的变化，但可以对温度进行管控，因此在实际应用中具有重要影响[2]。

在以往变电站建设中存在控温要求，采取的方法是优化变电站结构设计、优化砌块材料结构，这些方法的缺点在于能效较低，可控性较差，不满足变电站这种对温度控制精度具有较高要求的需求，且两者现开发程度已经趋于成熟，发展空间略小，而相变材料变电站完全规避了以往变电站的缺点，实现了高精度控温功能，具有应用优势[3]。以往变电站建设的控温功能实现，需要整体建筑一同运作，因此要落实该项功能，在建设中就必须全体采用先进材料，成本较高。而相变材料应用下，只需要少量材料就能实现控温功能，成本较低[4,5]。

2 智能变电站二次设备舱相变材料应用方案

2.1 方案基础

智能变电站二次设备舱（预制舱）是一种位于户外环境的变电站设备，在应用中会受到阳光直射，经常会出现温度过高的现象，此类设备在无防护的条件下故障率较高，且存在安全隐患。传统防护方案是采用具有降温功能的电气设备来避免温度过高，这一措施电能损耗较大，应用成本较高，但通过相变材料的应用可以有效突破传统局限，达到低成本控温目的。

2.2 案例概况

以某变电站预制舱的相变材料、工业空调联合热管控的方案为例来进行分析。预制舱舱体发热的主要热源有预制舱内部的元器件、外界空气向舱内热传导、太阳辐射传导。表1为案例中三个热源的总量数据。

表1 案例中三个热源的总量数据

由表1可知，预制舱内部的元器件的发热量是无可避免的，其热量数据来源主要通过测量得出，对比设备供应商提供数据，确认测量数据准确；外界空气向舱内热传导热量较大，主要是因为周边环境导致，案例预制舱安装在水泥地上，每年最高气温普遍维持在40℃左右，通过周边温度测量可见，预制舱周边温度在最高气温条件下，普遍比气象温度高出5℃，因此在计算时取值为45℃，随之再对预制舱的内温、内外温差进行测量，结果为25℃、20℃，在墙体热阻达0.8 W/m2的条件下，设热能余量为5%，数据参数为0.85 W/m2，与预制舱表面面积115 m2结合，进行乘法计算得到实际热量为1955 W；太阳辐射传导热量最大，其热量主要通过国家标准来取值计算得出，国家标准中太阳辐射强度取值为1120 W/m2，通过测量确认预制舱外壳热能吸收率为0.065，在照射面为60 m2的条件下进行乘法计算，可得太阳辐射传导热量，即4368 W[4,5]。预制舱的基本参数及要求见表2。

表2 案例预制舱的基本参数及要求

2.3 相变材料应用方式

在3个预制舱热源数据基础上进行加法计算，可得预制舱总热负荷约值(8323 W)，将相变材料与传统降温电气设备一同应用。首先，考虑到预制场直接降温需求，降温电气设备以20%的裕度进行选择，制冷量需要控制在9960 W左右；其次，考虑到电气设备运行时长、功率问题，为了降低电能损耗，需要加强预制舱的散热性能，采用相变材料来达到目的，即将相变材料安装在舱体内部，各材料规格为400 mm×200 mm×30 mm，每个预制舱内共有两条，通过封装工艺将相变材料固定在仓体内。该相变材料应用方式，在理论上可以提高预制舱散热性能25%，使降温电气设备在实际运行中的时间延长、功率减小，起到节能、控温效果。

2.4 相变材料应用原理与能效

案例中相变材料安装的位置为预制舱内最高温处，相较于其他部位其温度高出4℃左右，案例中采用的相变材料其固态至液态的变化温度为25℃，所以当舱体内的温度达到21℃时，会激发相变材料的物理形态朝液态方向发展，相变材料开始吸收舱体内的热量，使温度上升速率开始变慢，同时相变材料吸收的热量在舱体内温度不低于21℃的条件下，会长时间储存在相变材料内，待气温低于21℃时会缓缓释放，使舱体内尽可能保持恒温状态。另外，考虑到预制舱的空气热传导、太阳辐射两个热源的影响，实际气温会超过21℃，在这一环境下相变材料将持续吸收热能，如果热能吸收满，则可以启动降温电气设备对舱体进行降温。由此可见，在相变材料的应用下，降温电气设备不需要时刻保持开启状态，只有在相变材料不足以应对预制舱降温需求的条件下才需要启动，较于以往方案具有节约电能的作用。

2.5 方案成本分析

首先设立成本评估指标，即使用寿命、相变吸热率、潜热、密度、热传导系数。通过实测发现，采用的相变材料具有5000次的相变寿命，预制舱每年的相变次数约为150～160次，以此推算相变材料可以使用25年左右，可见其使用寿命较长；根据案例中预制舱的大小，其总体能够安装的相变材料数量为250 kg（共103批），单批量相变材料的吸热率6.48 kJ，总的相变吸热率为667.44 kJ；相变材料潜热、密度、热传导系数分别为360 kJ/kg、1560 kg/L、0.56 W/(m·K)。

其次较于以往方案的能效进行转换计算可知，在该方案应用下，相变材料在控温能效上相当于两台功率分别为5000 W的降温电气设备连续运作3 h的效果，可见相变材料方案可以节省电气设备的电能损耗，方案具有降低成本的作用。依照实际数据可见，案例原有方案中共有两台5000 W的电气降温设备，每台设备的额定输入功率为1500 W，在无相变材料的条件下，每日需要耗电300 kW·h，而在相变材料条件下每日可省电18 kW·h，结合当地电价（0.35元/（kW·h））可知，相变材料可以帮助案例变电站每日节省电费6元，在使用寿命基础上（假定每年运行250天，总共运行20年），可以节约30 000元左右，再减去相变材料的购置成本20 000可知，该方案在每台预制舱上每20年可以节约10 000元。