中國儲能網(wǎng)訊：本工作以Na2CO3-K2CO3/MgO為儲熱介質(zhì)，采用模塊化集成思路建立了加熱功率100 kW的電熱相變儲能系統(tǒng)。采用物理方法制備復(fù)合儲熱材料，借助掃描電子顯微鏡技術(shù)(SEM)和差示掃描量熱法(DSC)等表征測試手段分析了復(fù)合儲熱材料的組分分布與儲熱特性?；趦岷头艧徇^程的時間-溫度測試曲線引入儲熱/放熱進度函數(shù)，并通過研究系統(tǒng)不同位置儲熱模塊的進度函數(shù)曲線變化趨勢，闡明了系統(tǒng)的動態(tài)儲熱/放熱過程。研究發(fā)現(xiàn)，儲熱過程中熱風(fēng)熱量的傳遞是從儲熱模塊中心向頂部聚集，再逐漸向四周擴散；而放熱過程中冷風(fēng)吸熱是沿風(fēng)道方向從前部模塊的中心，依次向前部模塊、中部模塊與后部模塊的表面進行。中部與后部儲熱模塊內(nèi)的熱量從中心向底部、側(cè)部和頂部等表面區(qū)域傳遞后向四周擴散。對基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲熱系統(tǒng)的進度函數(shù)變化進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)以復(fù)合相變材料作為儲熱介質(zhì)時系統(tǒng)具有更快的儲熱和放熱進程。系統(tǒng)的供熱水溫度設(shè)定為70～80 ℃，復(fù)合相變儲熱系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱時間為1100 min，比鎂鐵氧化物儲熱系統(tǒng)提高了37.5%。本項工作有助于推動相變儲熱技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，為研究電熱相變儲能系統(tǒng)中的動態(tài)換熱過程提供參考依據(jù)。
當(dāng)前我國熱能供應(yīng)方式主要以消耗化石能源的燃煤鍋爐為主，然而大量化石燃料的燃燒不僅產(chǎn)生過多的二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致全球氣候變暖；同時其排放的化學(xué)污染物和粉塵進一步造成了大氣污染。因此，近年來國家大力倡導(dǎo)采用可再生能源逐步替代化石能源。然而可再生能源如太陽能和風(fēng)能等存在間歇性和不穩(wěn)定性，無法滿足用戶對能源的穩(wěn)定可控需求，從而限制了其大規(guī)模利用。儲能技術(shù)是連接能源供需兩側(cè)的橋梁和紐帶，可以實現(xiàn)能源的“斷點續(xù)傳”，有助于消納棄光棄風(fēng)，助力提高可再生能源應(yīng)用比例，同時也可以提高能源系統(tǒng)的可靠性、靈活性，有利于工業(yè)過程降耗提效。熱能是整個能源鏈的核心，全球能源預(yù)算的90%都圍繞著熱量的轉(zhuǎn)換、傳輸和儲存。因此，作為儲能技術(shù)中的一個重要方向，儲熱技術(shù)在近年來得到了快速發(fā)展。儲熱技術(shù)依據(jù)儲熱原理差異可分為顯熱儲熱、潛熱(相變)儲熱和熱化學(xué)儲熱。其中相變儲熱技術(shù)具有較高的儲熱密度、較低的儲熱成本且已具備商業(yè)化應(yīng)用的條件，有望在大規(guī)模清潔能源供熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
電熱儲能系統(tǒng)，也稱固體蓄熱電鍋爐或蓄熱式電鍋爐，其主要原理為把電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲于儲熱介質(zhì)內(nèi)，在需要時通過熱交換對外供熱。為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和減小占地面積，其儲熱介質(zhì)的最高儲熱溫度一般為400～800 ℃。近年來隨著新能源電力占比的逐步增加，電熱儲能系統(tǒng)在清潔供熱領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，并對清潔能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰等作出了巨大貢獻。尹浩等提出了基于高密度復(fù)合相變儲熱材料電熱鍋爐的分時配比供熱系統(tǒng)，結(jié)合冬季供熱的負荷系數(shù)隨室外環(huán)境溫度的變化規(guī)律，提出了分時配比供熱系統(tǒng)的優(yōu)化原則。結(jié)合城市供熱的示范工程，研究發(fā)現(xiàn)分時配比供熱系統(tǒng)與全蓄熱式供熱系統(tǒng)相比初始投資節(jié)省33%，與傳統(tǒng)直熱式電鍋爐相比運行費用節(jié)省46%。劉圣冠等針對不同蓄熱介質(zhì)的蓄熱式電鍋爐的供熱進行了比較分析，并通過實際工程應(yīng)用證明了蓄熱式電鍋爐供熱技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益和風(fēng)電消納潛力。吳佳睿等設(shè)計了一種高溫相變蓄熱電鍋爐以代替市政熱水的應(yīng)急系統(tǒng)。經(jīng)過理論計算與實驗測試，該系統(tǒng)熱水產(chǎn)量為100 t/d，不僅可承受用水高峰時段帶來的壓力，而且相比利用市政蒸汽加熱生活用水的方式具有明顯成本優(yōu)勢。
本工作采用模塊化集成思路搭建加熱功率100 kW的電熱相變儲能系統(tǒng)，并基于儲熱和放熱過程的時間-溫度測試曲線，引入儲熱/放熱進度函數(shù)以評價系統(tǒng)的動態(tài)儲/放熱性能。通過研究系統(tǒng)不同位置儲熱模塊的進度函數(shù)曲線變化趨勢以闡明系統(tǒng)的動態(tài)儲熱/放熱過程。同時，對基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲熱系統(tǒng)的進度函數(shù)變化進行比較分析并通過供熱實驗進行驗證，為電熱相變儲能系統(tǒng)在大規(guī)模清潔供暖領(lǐng)域的應(yīng)用建立基礎(chǔ)。
1 系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)儲熱性能評價
1.1 儲熱材料制備和表征
電熱相變儲能系統(tǒng)內(nèi)的儲熱介質(zhì)為復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料由Na2CO3-K2CO3和氧化鎂組成，首先，按照一定比例稱量150 ℃充分干燥后的Na2CO3與K2CO3球磨30 min，隨后將特定質(zhì)量比的氧化鎂加入球磨罐后繼續(xù)球磨，直至復(fù)合材料為顏色均一的粉末；然后，再向復(fù)合相變材料粉末中加入少量去離子水進行捏合造粒；最后，復(fù)合物在25 MPa的壓力下成型后，于窯爐中以5 ℃/min的升溫速率升至750 ℃并恒溫3 h，再自然冷卻至室溫，得到復(fù)合相變磚(圖1)。
圖1 復(fù)合相變儲熱磚的制備工藝
復(fù)合相變磚的微觀形貌采用日本HITACHI公司的S4800掃描電子顯微鏡(SEM)進行成像。圖2為復(fù)合相變磚的SEM圖。SEM圖表明復(fù)合相變磚表面存在部分缺陷，這是由于儲熱磚成型的脫模過程導(dǎo)致的。分別以Na、K和Mg作為Na2CO3、K2CO3和MgO的特征元素得到元素分布圖，可以看出本制備工藝條件下復(fù)合材料內(nèi)各組分分布較為均勻。復(fù)合相變磚的相變溫度、潛熱等參數(shù)通過法國Setaram公司的DSC131 evo差示掃描量熱儀(DSC)進行測定。圖3為復(fù)合鹽Na2CO3-K2CO3和復(fù)合相變磚的DSC測試結(jié)果?？梢钥闯觯瑥?fù)合鹽與MgO復(fù)合后，相變溫度變化較小，而潛熱明顯下降，復(fù)合相變磚的相變溫度為702 ℃，潛熱為102.4 J/g。為了比較不同蓄熱介質(zhì)對系統(tǒng)動態(tài)儲熱性能的影響，本研究選擇了鎂鐵氧化物儲熱磚作為系統(tǒng)的另一種儲熱介質(zhì)。兩種儲熱磚的性能參數(shù)見表1。
圖2 復(fù)合相變材料的SEM測試結(jié)果
圖3 復(fù)合相變儲熱磚與Na2CO3-K2CO3復(fù)合材料的DSC曲線
表1 儲熱材料的性能參數(shù)
1.2 系統(tǒng)設(shè)計
電熱相變儲能系統(tǒng)的組成包括電加熱器、儲熱模塊、循環(huán)風(fēng)機、換熱器、水泵和冷卻塔(模擬熱用戶)，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。主要運行原理為：低谷電時段，系統(tǒng)內(nèi)的電加熱器利用低谷電將電能轉(zhuǎn)換為熱能，以空氣作為傳熱介質(zhì)，變頻風(fēng)機將電加熱器轉(zhuǎn)換的熱量存儲于儲熱模塊內(nèi)的復(fù)合相變材料中，同時部分循環(huán)空氣被電加熱器加熱后流經(jīng)換熱器實現(xiàn)向供熱管網(wǎng)的熱力輸送。用電高峰時段，關(guān)閉電加熱模塊，利用經(jīng)循環(huán)風(fēng)機增壓的空氣將復(fù)合相變材料內(nèi)的熱量釋放，在換熱器處將循環(huán)水加熱以持續(xù)滿足供熱需求。
圖4 電熱相變儲能系統(tǒng)流程圖
本研究中，基于流程圖搭建了加熱功率100 kW的電熱相變儲能示范系統(tǒng)，見圖5。其中，系統(tǒng)中電加熱器與儲熱模塊之間采用分離式布置，熱用戶則通過冷卻塔進行模擬，相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表2。系統(tǒng)采用380 V電壓供電，電加熱器表面最大溫升830 ℃，最大儲熱容量1 MWh；系統(tǒng)以循環(huán)水的形式輸出熱能，水系統(tǒng)管徑為DN25，流量為0.85 m3/h，流速為0.5 m/s，熱水換熱器輸出功率30 kW，供熱水溫度為70～80 ℃，回水溫度為40～50 ℃，供熱循環(huán)水溫差30 ℃；儲熱箱體尺寸：3620 mm×1280 mm×1380 mm，采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為巖棉(厚度150 mm)，散熱量低于3%；循環(huán)風(fēng)機采用變頻控制，頻率調(diào)節(jié)范圍5～50 Hz，功率4 kW，最大風(fēng)量1800 m3/h，最大風(fēng)壓3.5 kPa。
圖5 電熱相變儲能系統(tǒng)實物圖
表2 電熱相變儲能系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)
儲熱箱體內(nèi)儲熱模塊由相互交錯搭接的儲熱磚組成，按照空氣流向劃分為前部、中部和后部儲熱體。對于每個儲熱體，在其橫截面?zhèn)鹊牟煌恢玫膬岽u內(nèi)設(shè)置了溫度測點，分別為側(cè)部(A)、頂部(B)、中心(C)和底部(D)測點，如圖6所示，所有測點之間的直線距離均為345 mm。在系統(tǒng)運行過程中，通過測量各儲熱體不同位置的溫度變化，測量儲熱模塊不同位置的儲/放熱進程。
圖6 儲熱模塊截面溫度測點分布
A：側(cè)部；B：頂部；C：中心；D: 底部
1.3 動態(tài)儲熱性能評價
為了確定復(fù)合相變儲熱磚的相變溫度區(qū)間，進行系統(tǒng)動態(tài)儲放熱實驗前，本工作首先對復(fù)合相變儲熱磚進行靜態(tài)加熱升溫與自然冷卻降溫實驗，使用高溫馬弗爐將復(fù)合相變儲熱磚加熱至800 ℃并保溫一段時間，之后關(guān)閉馬弗爐使其在爐內(nèi)自然冷卻降溫，加熱與降溫曲線如圖7所示。復(fù)合相變儲熱磚在升溫過程和降溫過程中都能在700 ℃附近觀察到明顯的相變等溫過程，熔化的起始溫度為684 ℃，終止溫度為711 ℃，復(fù)合相變儲熱磚的儲熱過程包括顯熱儲熱和潛熱儲熱兩個部分，在加熱過程中儲存大量熱量。
圖7 復(fù)合相變儲熱磚的加熱與降溫曲線
對于儲能系統(tǒng)的儲熱與放熱特性評估一般方法是建立溫度-時間曲線進行對比，通過曲線可以直觀顯示系統(tǒng)儲熱或放熱的進程。然而對于溫度和時間起止點并不相同的儲放熱過程，僅通過時間-溫度曲線難以比較其動態(tài)儲熱/放熱性能的優(yōu)劣。因此在本項研究中，引入了進度函數(shù)Q以評價系統(tǒng)的動態(tài)儲/放熱性能，見式(1)～(4)。進度函數(shù)定義為在一個儲/放熱時間周期內(nèi)，當(dāng)前溫度和終止溫度的溫差與過程起止溫差之間的比值，反映了系統(tǒng)的實際儲/放熱進程。圖8為典型的進度函數(shù)-時間函數(shù)(Q-t)曲線圖。圖中表明，儲熱和放熱進程函數(shù)的數(shù)值區(qū)間為[0，1]，初始值為1，隨著儲熱和放熱過程的進行而下降至0。根據(jù)函數(shù)定義可得，儲熱或放熱進程函數(shù)數(shù)值越小，儲熱或放熱過程的進程越快，動態(tài)儲熱或放熱性能越好。
圖8 典型的進度函數(shù)-時間函數(shù)(Q-t)曲線
式中，Qs和Qe分別為儲熱或放熱過程的進度函數(shù)，數(shù)值區(qū)間為[0，1]；T、Tmax、Tmin分別為儲/放熱過程的瞬時溫度、最高溫度和最低溫度；t、Δts、Δte分別表示儲/放熱過程時間、總儲熱時間和總放熱時間；ts和te分別為儲熱和放熱過程的時間函數(shù)，數(shù)值區(qū)間為[0，1]。
2 結(jié)果與討論
2.1 儲熱模塊的動態(tài)儲(放)熱性能研究
在循環(huán)風(fēng)機的驅(qū)動下，熱風(fēng)從電加熱器側(cè)經(jīng)儲熱模塊向換熱器側(cè)流動，其熱量依次被前部、中部和后部的儲熱體吸收，在不同儲熱體中形成了溫度梯度，這導(dǎo)致了其儲/放熱進程的差異。圖9為儲熱模塊儲熱過程的進度函數(shù)曲線。由圖可知，在一個儲熱時間周期內(nèi)，前部、中部和后部儲熱體的儲熱進程并不一致。前部儲熱體中心位置的儲熱材料具有更快的儲熱進程，而其頂部、底部和側(cè)面儲熱材料的儲熱進程相對較慢；對于中部和后部儲熱體，與前部儲熱體相比，頂部儲熱材料的儲熱進程變化較小，而其他位置儲熱材料的儲熱進程逐漸變慢并趨于一致。由此可以推測，熱風(fēng)的熱量在儲熱初始階段主要在儲熱模塊中心部位進行傳遞，隨著傳熱時間的延長先向頂部聚集，再逐漸向四周擴散。
圖9 儲熱模塊儲熱過程的進度函數(shù)變化
圖10為儲熱模塊放熱過程的進度函數(shù)曲線。在一個放熱時間周期內(nèi)，前部儲熱體中心位置的儲熱材料具有更快的放熱進程，底部、側(cè)面和頂部儲熱材料的放熱進程依次下降；隨著放熱過程的進行，與前部儲熱體相比，中部和后部儲熱體所有位置的放熱進程均變慢；其中中部儲熱體底部的放熱進程快于其他位置，儲熱體側(cè)部、中心和頂部的放熱進程減緩明顯并逐漸趨于一致；對于后部儲熱體，底部放熱進程較快，而頂部呈現(xiàn)放熱進程先增快后減緩的趨勢，側(cè)部和中心的放熱進程相對較慢最終趨于一致。由此可以推測，對于前部儲熱模塊，放熱過程中冷風(fēng)吸熱的過程是從儲熱模塊中心向底部聚集，隨傳熱時間的延長，再緩慢向四周進行吸熱。對于中部和后部儲熱模塊，由于風(fēng)道被前部模塊遮擋，冷風(fēng)從模塊四周進行吸熱，模塊內(nèi)部的熱量由中心向四周傳遞。
圖10 儲熱模塊放熱過程的進度函數(shù)變化
在一個放熱時間周期內(nèi)，前部中心位置的復(fù)合相變磚具有更快的放熱進程，而底部、側(cè)面和頂部儲熱材料的放熱進程依次減慢；隨著放熱過程的持續(xù)進行，與前部儲熱體相比，中部和后部所有位置的復(fù)合相變磚的放熱進程均變慢；其中底部位置復(fù)合相變磚的放熱進程快于其他位置，其他位置的復(fù)合相變磚的放熱進程減緩明顯并逐漸趨于一致。由此可以推測，三個儲熱模塊從前到后依次進行放熱，而儲熱模塊內(nèi)的熱量先從中心依次向底部、側(cè)部和頂部傳遞，再隨熱空氣帶入換熱器中。
2.2 儲熱材料對系統(tǒng)動態(tài)儲(放)熱性能的影響
圖11為分別基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物兩種儲熱介質(zhì)的系統(tǒng)儲熱模塊的進度函數(shù)曲線。實驗中選擇儲熱模塊中部儲熱體的中心部位進行溫度測量，并通過式(1)～(4)轉(zhuǎn)換為進度函數(shù)。由圖可知，基于復(fù)合相變材料的儲熱體具有更快的儲熱和放熱進程，表明復(fù)合相變材料的動態(tài)儲/放熱性能優(yōu)于鎂鐵氧化物。
圖11 不同儲熱材料對系統(tǒng)儲(放)熱進度函數(shù)的影響
在相同系統(tǒng)操作條件下，采用鎂鐵氧化物和復(fù)合相變材料分別作為儲熱介質(zhì)進行供熱實驗，為了充分利用儲熱介質(zhì)的相變潛熱與顯熱，將蓄熱介質(zhì)的最高加熱溫度設(shè)置為800 ℃，設(shè)定供熱水溫度為70～80 ℃，循環(huán)水溫差為30 ℃，兩種材料的質(zhì)量均為3 t。鎂鐵氧化物與復(fù)合相變材料的總儲熱量分別參考公式(5)、(6)進行計算。
其中，Qoxide與QPCM分別為鎂鐵磚氧化物與復(fù)合相變材料的總儲熱量；moxide與mPCM分別為鎂鐵磚氧化物與復(fù)合相變材料的質(zhì)量，均為3 t；Cp,oxide、Cp,s與Cp,l分別為鎂鐵磚氧化物的固態(tài)比熱容、復(fù)合相變材料的固態(tài)比熱容與液態(tài)比熱容；Tmax、Tmin、TPCM,initial與TPCM,termination分別為儲熱介質(zhì)的最高溫度、最低溫度、復(fù)合相變材料的相變起始溫度與相變終止溫度；ΔH為復(fù)合相變材料的相變潛熱。以此計算，當(dāng)儲熱介質(zhì)加熱至800 ℃時，相比于鎂鐵磚氧化物，復(fù)合相變材料的總儲熱量提高31.8%。
如圖12所示，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎂鐵氧化物作為儲熱介質(zhì)時，供暖循環(huán)水溫差迅速達到設(shè)定值，但起始階段有較大波動，穩(wěn)定供熱800 min后供熱能力下降。當(dāng)復(fù)合相變材料作為儲熱介質(zhì)時，供熱循環(huán)水溫差緩慢達到設(shè)定值且無較大波動，穩(wěn)定供熱時間達到1100 min，比以鎂鐵氧化物作為儲熱介質(zhì)時提高37.5%，與總儲熱量提高值接近，表明與鎂鐵氧化物儲熱系統(tǒng)相比，以復(fù)合相變材料作為儲熱介質(zhì)的電熱儲能系統(tǒng)具有更好的供熱性能。
圖12 基于不同儲熱材料的電熱儲能系統(tǒng)的供熱能力比較
熱效率是儲能系統(tǒng)儲熱、放熱效果評價的重要參數(shù)，儲能系統(tǒng)的熱效率參考公式(7)～(9)進行計算。
式中，η為系統(tǒng)的熱效率；Ql與Qh分別為供熱系統(tǒng)輸出熱水的放熱量與系統(tǒng)蓄熱過程電加熱裝置的用電量；Cp,water為水的比熱容；mwater為輸出熱水的質(zhì)量；ΔTwater為供熱循環(huán)水的加熱溫差；tout與tin分別為系統(tǒng)穩(wěn)定供熱水時間與系統(tǒng)的蓄熱時間；P為電加熱裝置的加熱功率。以此計算使用復(fù)合相變材料與使用鎂鐵磚作為蓄熱介質(zhì)的系統(tǒng)熱效率分別為94.84%與93.31%，說明更換蓄熱介質(zhì)對于系統(tǒng)自身的熱效率幾乎沒有影響。
3 結(jié)論
本工作通過模塊化集成思路建立了加熱功率100 kW的電熱相變儲能系統(tǒng)?；趦岷头艧徇^程的時間-溫度測試曲線引入了儲熱/放熱進度函數(shù)以評價系統(tǒng)的動態(tài)儲/放熱性能，并對基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲熱系統(tǒng)的進度函數(shù)變化進行了比較分析，得出以下結(jié)論：
（1）基于儲熱模塊不同位置的進度函數(shù)曲線分析得到了儲熱和放熱過程路徑，即儲熱過程中熱風(fēng)熱量的傳遞是從儲熱模塊中心向頂部聚集，再逐漸向四周擴散；而放熱過程中冷風(fēng)吸熱是沿風(fēng)道方向從前部模塊的中心，依次向前部模塊、中部模塊與后部模塊的表面進行。中部與后部儲熱模塊內(nèi)的熱量從中心向底部、側(cè)部和頂部等表面區(qū)域傳遞后向四周擴散。
（2）基于儲熱模塊中部儲熱體的中心位置的進度函數(shù)計算結(jié)果，初步表明復(fù)合相變儲熱系統(tǒng)比鎂鐵氧化物儲熱系統(tǒng)具有更快的儲熱和放熱進程；此外系統(tǒng)供熱實驗表明，復(fù)合相變儲熱系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱時間達到1100 min，與鎂鐵氧化物儲熱系統(tǒng)相比提高了37.5%，但蓄熱介質(zhì)改變對系統(tǒng)自身的熱效率沒有影響。
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