电热高温相变储能装置设计与应用.pdf

第 6 卷 第 6 期 农 业 工 程 Vol6 No62016 年 11 月 Agricultural Engineering Nov 2016收稿日期 : 2016-09-27 修回日期 : 2016-11-08基金项目 : 国家 “十二五 ”科技支撑计划子课题 “温室屋面墙体和地面相变储热装置的研究与示范 ”( 项目编号 : 2014BAD08B020103)作者简介 : 赵静 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 研究方向 : 设施农业 。E-mail: 356691883 qq. com电热高温相变储能装置设计与应用赵 静 ， 周增产 ， 卜云龙 ， 卓杰强 ， 兰立波 ， 董 微( 北京京鹏环球科技股份有限公司 ， 北京市植物工厂工程技术研究中心 ， 北京 100094)摘 要 : 伴随全球环境的不断恶化 ， 能源的不断枯竭 ， 如何充分有效地利用能源以及对新能源的开发已经成为业界关注的热点 。相变储能技术是利用相变材料在其物理相变化过程中从环境吸热 ( 冷 ) 量或向环境释放热 ( 冷 ) 量 ， 从而达到能量的储存与释放的目的 。设计了一款电热高温相变储能装置 ， 将电能转化为热能并通过储存介质储存起来 ，用于温室内的加温使用 。该装置可以平衡电网峰谷差 ， 提高用电效率 ， 减少环境污染 ， 降低用户运行费用 ， 为温室的管理及植物的生长提供必要的条件 ， 对温室产业的发展具有重要的意义 。关键词 : 电热高温相变 ; 储能装置 ; 相变材料 ; 温室中图分类号 : TB657. 5 文献标识码 : A 文章编号 : 2095-1795( 2016) 06-0098-05Design and Application of Electric Heating High Temperature PhaseChange Energy Storage DeviceZhao Jing， Zhou Zengchan， Bu Yunlong， Zhuo Jieqiang， Lan Libo， Dong Wei( Beijing Kingpeng International Hi-Tech Corporation，Beijing Engineering esearch Center of Plant Factory， Beijing 100094， China)Abstract: With continuous deterioration of global environment， continuous depletion of energy， how to make full use of energyand development of new energy has become focus of attention of industry Phase change energy storage technology use phasechange materials in physical phase change process from ambient heat ( cold) or release amount of heat ( cold) to environment，so as to achieve energy storage and release A electric heating high temperature phase change energy storage device was de-signed This device transformed electric energy into heat energy and stored it in storage medium， which was used for heating ingreenhouse Electric heating high temperature phase change energy storage device could balance difference between peak andvalley of power grid， improve electricity efficiency， reduce environmental pollution， reduce user operation cost， and providenecessary conditions for management of greenhouse and growth of plants It had great significance to development of greenhouseindustryKey words: Electrothermal high temperature phase transition， Energy storage device， Phase change material， Greenhouse0 引言温室在现代农业中既能克服恶劣的自然气候 、扩展农产品品种 ， 又可提高农业生产效率 ， 其核心是控制适宜农作物生长的温 、湿度环境 。温室生产中 ， 白天在太阳光的照射下室内温度一般较高 ， 而夜间温度会下降 ， 导致昼夜温差较大 ， 对温室内的作物生长不利 。本研究利用相变材料的潜热特性 ， 储存农用栽培温室中白天电量低谷时期的廉价电能 ， 当夜晚温度下降到一定范围后释放出储存这部分电能转化的热能 ，使一天之中温室内温度曲线在高峰区有所下降 ， 而低谷区有所上升 ， 昼夜之间的温差变小 ， 以保证冬季蔬菜等农作物正常生长 ， 同时减少环境污染 ， 降低成本 ， 对我国温室产业的发展具有重要意义 1。本项目研制的相变储能装置占地面积小 ， 节约用地空间 。与直接式电暖气存在运行费用高等问题相比 ， 电热高温相变储能装置可利用低谷电蓄热 ， 储热后可备随时使用 ， 不仅有利于缓解电力的峰谷差 ， 有效降低城市的燃煤污染 ， 还可在实行峰谷电价分级的地区节约运行成本 ， 其应用前景广阔 。1 总体设计1. 1 相变材料的筛选与封装在制备相变蓄热材料时通常采用复合的方法 ， 目的在于充分利用各类蓄热材料的优点 ， 克服不足 。选赵静 等 : 电热高温相变储能装置设计与应用择材料时应具备的基本条件是高潜热的相变材料 、高稳定的陶瓷支持材料 ， 两者在高温下不发生化学反应 2。本研究采用氧化物 铝基合金作为传热强化介质的相变材料 ， 以提高整个装置的有效导热系数 ， 从而实现热量的快速 、高效传导 。通常情况下 ， 应用于电热相变储热装置的相变材料具有一定的高温腐蚀性 ， 在使用时一般需要封装 3。同时 ， 相变材料的微封装具有许多其他优点 ，如增加传热面积 、减小相变材料同外部环境的反应及减小相变时带来的体积变化 。1. 2 电热相变储能装置设计电热相变储能装置储能单元结构如图 1 所示 。相变材料封装于结构单元中 ， 最外层为封装外壳 ， 结构单元中间有一根换热管 ， 换热介质为风 ， 通过气流经管道释放的潜热来实现相变材料的蓄放热 ， 进而实现整个装置的蓄放热 。利用夜间价格较低的谷电 ， 把电能转变成热能后 ， 利用高温相变材料 ， 使其在相变时吸收大量的潜热并保持温度恒定不变而在蓄能元件内储存起来 ， 待需要时再把热能释放出来使用 4。1. 封装外壳 2. 风 3. 相变材料图 1 电热相变储能装置储能单元结构Fig. 1 Structure of energy storage unit of electric heating hightemperature phase change energy storage device整套电热高温相变储能装置含固体电蓄能本体 1套 ， 包括钢结构平台 ( 壳体 ) 、固体蓄热体 、电加热管 ; 热换保温系统 1 套 ， 包括耐高温循环风机 、紫铜内螺旋换热装置及纳米级保温层 ; 调控系统 1 套 ， 包括后端管理平台 、控制器 、传感器以及控制柜 ; 另有1 套高效集成式水泵机组 。装置壳体材料选用不锈钢 ， 内外壳体间填充性能更好的保温材料 ， 环形封装管采用不锈钢管 ， 在环形管内填充相变材料 ， 环形管外排布电热发热体 。图 2 为电热高温相变储能装置工作原理 。1. 电阻丝 2. 通风道 3. 高温相变材料 4. 第 2 换热器 5. 温室大棚 6. 风机盘管 7、9. 循环泵 8. 出水 10. 第 1 换热器 11. 进水 12. 鼓风机图 2 电热相变储能装置工作原理Fig. 2 Working principle of electric heating high temperaturephase change energy storage device电热高温相变储能装置工作原理是电加热管将电能转换为热能后 ， 通过热交换将热能存储于高温相变材料内 ， 温度可从常温直达到 700 以上 。纳米级保护层为高能绝缘体 ， 使固体蓄热体与外界环境达到热绝热 。固体蓄热体内温度为 800 时 ， 纳米级保护层表面温度只有几十摄氏度 。在负载需要热量供给时 ，设备可按照预先定好的程序 ， 按设定的温度和供热量 ， 由耐高温循环风机提供的循环高温空气 ， 通过紫铜内循环换热装置对负载循环水进行热交换 ， 由高效集成式水泵机组将热水提供至末端设备中 ( 风机排管 ) 。输出温度的稳定性采用多种方式控制 ， 如进回水温差 、出水恒定温度 、输出总热量测定和负载温度波动平衡值等 。以上通过传感器监测的数值经中央电脑处理后 ， 将指令传输给自动控制器 ， 对设备进行全自动无级化精确运行控制 ， 精度控制在 1 区间内 。通电加热时间及加热温度可根据负载和基地实际需求任意设定 ， 设备会根据设定值完全无人自动化运行 。在电力处于需求波谷时期 ， 利用电能通过电加热发热体对放于装置内的储能单元进行加热 ， 此时储能单元内封装的相变材料发生相变 ， 将吸收的大量热量储存起来 ， 实现蓄热过程 。当电力处于需求波峰时而又需要热能时 ， 储能单元中的相变材料开始降温 ， 并放出大量储存的热量实现电热相变装置放热过程 。释放的热量 ， 由通过环形封装管的换热介质所吸收 ， 通过介质循环系统 ， 循环至末端设备如风机盘管等加以利用 。2 电热高温相变储能装置应用优势2. 1 高温优势现有的电热热能设备大多是利用电热阻丝 ( 管 、棒 ) ， 对受热传热介质进行电加热 ， 或是直接加热介质 ( 如空调风机排管所需的热水 ， 洗浴及生活所需99农业工程 设计制造及理论研究的热水 ， 电加热烤箱等 ) ， 它们的共同点是在需要使用时 ， 必须及时通电 ， 即无法充分利用低电价时段来降低使用成本 。电热高温相变储能装置可以利用 “削峰填谷 ”的用电方式 ， 将低谷时期的电能转化为热能储存到相变材料中 ， 以供需要时随时供热 ， 这是目前的电热设备无法做到的 。现有的大部分电热设备 ， 所使用的加热 、隔热材质 ， 与研究设计中的材质 ， 在隔热保温性能上存在很大的差距 ， 尤其是热端面达到 700 以上时 ， 差距就更悬殊了 。在热能输出精确控制方面 ， 电热高温相变储能装置也有较强的优越性 。按目前国家出台的峰谷电价计算 ， 电热高温相变储能装置的使用及操作费用 ， 只有现有技术生产的设备的 25% 左右甚至更低 。电热高温相变储能装置采用高比热容的固体相变材料 ， 蓄热温度可高达 800 ， 这也是一般电热设备无法达到的 。2. 2 体积优势削峰填谷的用电方式 ， 在我国其他地方也有一些类似的尝试 ， 如在用电低峰时段 ， 将水通过电加热后存储于水罐中 ， 待用电高峰时停止电加热 ， 使用存储罐中的热水 。但常压下水的加热温度是有限的 ， 约90 ， 这不能满足大部分工矿企业的生产性热能指标需求 。另一方面 ， 为了增加热能的储量 ， 水罐往往需要制作得很大 ， 同时为了节能 ， 又需要对水罐进行高质量的保温处理 ， 这样既占用了较大的空间 ， 又造成了资金的大量投入 。由于我国大部分地区现在的土地及现场无论是购买还是租用 ， 费用价格都比较高 。在相等热功率的设备体积上 ， 都比电热高温储能装置的体积大很多 ， 这无形中又增加了使用者的成本 。电热高温相变储能装置采用高密度合金作为储能材料 ， 具有比热容高 、储热能力强 、长期性能稳定 、无毒无害和无污染等优点 ， 同时大大减少整机占地面积 ， 是一般水储热电锅炉水箱体积的 17 左右 ， 大大减少了散热面积 ， 提高了整体效率 。电热高温相变储能装置将加热 、储能 、取热 、换热及控制功能组合在一台无压的一体化结构内 ， 装置整体热效率高达 95% 以上 ， 以电热高温相变储能装置通电 8 h 计算 ， 即可存储约 29. 37 万 kJ 的热能 。如果用水存储相同的热量 ， 加热水罐需要占地10 m3， 而电热高温相变储能装置只需 1 m3即可 ， 体积优势明显 。2. 3 控制系统优势电热高温相变储热装置的控制系统由后端管理平台 、控制器 、传感器和控制柜组成 。采用新型算法 ，结合气候补偿 、分时分温控制方法 ， 既减少人工资金投入 ， 又能达到节能的效果 。2. 3. 1 储热量算法无论是采暖季节还是制冷季节 ， 一般空调机组每年运行负荷率 ( 指在统计期间内的平均负荷与最大负荷之比 ) 均不高 ， 一般在达到设计负荷 50% 以下的运行时间占全年运行时间的 70%。电热高温相变储热装置中控制系统储热机组的最大储热量 ， 是根据不同建筑物的分时热负荷累加出来的 ， 不是最大热负荷与供热时间相乘 。如某办公楼的储热负荷确定 ( 图 3) ， 采用此算法可最大限度降低用户的初投资 ， 而储热机组按照此算法运行 ， 同样可显著降低供暖费用 。图 3 某办公楼热负荷分配Fig. 3 Thermal load distribution of an office building2. 3. 2 气候补偿控制根据对室外气象和温度的连续监测 ， 本装置采用气候补偿控制法智能调节出水温度 ， 不同的天气运行相应的补偿曲线 ( 图 4) ， 实现按需供热的目标 ， 在保证供暖品质的同时实现能源节约 。不同天气下出水温度不同 ， 加热温度也不同 ， 采用气候补偿控制的方法 ， 灵活应对天气变化带来的供应需求 ， 大大减少了资源浪费情况 ， 同时为使用者节省不必要的开支 。2. 3. 3 分时分温控制采用分时段控制出口水温原理 ， 可根据用户的需001赵静 等 : 电热高温相变储能装置设计与应用图 4 不同室外环境下供水温度变化Fig. 4 Temperature change of water supply in different out-door environment求自动调节锅炉的出口水温 ， 出口水温的精度可控制在 ±1 的范围内 ， 实现持续恒温供热 ; 同时用户可以根据气候情况以及自身的供暖要求进行出口水温的设置 ， 遇到气温的突然变化 ， 可以及时调整 ， 从而最大程度地节省供暖成本 ， 使装置在最佳的经济状态下运行 。对于 24 h 连续供暖系统 ， 如果按照传统的手动调节控制方法 ， 供水温度必定产生不同程度的阶段跳跃 。图 5 中 ， 折线为司炉工每天手动调节的阶段示意图 ， 而实际运行过程中 ， 很多供热单位很难保证如此频繁的手动操作 ， 所以节能空间并未被很好地利用 。采用分时分温自动控制后 ， 供水温度曲线变化如图 5所示 ， 能够做到及时跟踪调节 ， 很大程度上实现了节能控制 。手动调节折线与自动调节曲线之间包围的不规则面积即是气候补偿器的节能空间 ， 显而易见 ， 其节能效果非常可观 。图 5 手动调节与自动调节方式温控变化Fig. 5 Temperature change of manual adjustment and auto-matic adjustment3 样机试验电热高温相变储能装置样机在通州试验基地铝天沟温室进行了试验 。试验温室采用 Venlo 式 8 m 跨玻璃连栋温室 ( LB808-4. 5) ， 东西排跨 ， 南北排开间 ，天沟为南北走向 。温室南北山墙 : 8 m跨 × 1 跨 = 8m; 东西侧墙 : 4. 0 m开间 × 5 开间 = 20 m; 轴线面积 : 8 m ×20 m =160 m2。温室配备 2 层保温幕系统和内遮阴系统 ， 立面覆盖 5 mm + 6A + 5 mm 厚双层中空玻璃 ， 顶部覆盖 5 mm 厚单层钢化玻璃 。经计算 ， 该温室采暖负荷 28 kW 左右 。图 6 为电热相变储能装置样机内外景 ， 图 7 为电热相变储能装置样机控制系统及界面 ， 图 8 为电热相变储能装置样机机房及温室栽培内景 。图 6 电热相变储能装置样机内外景Fig. 6 Prototype internal and external of electric heating hightemperature phase change energy storage device图 7 电热相变储能装置样机控制系统及界面Fig. 7 Control system and interface of electric heating high tem-perature phase change energy storage device图 8 电热相变储能装置样机机房及温室栽培内景Fig. 8 Prototype room and greenhouse interior of electric heatinghigh temperature phase change energy storage device电热相变储能装置与普通非蓄热式电锅炉运行费用对比情况见表 1。由表 1 可知 ， 电热相变储能装置与普通非蓄热式电锅炉相比 ， 每天可节省 461. 35 354. 85 =106. 5 元 。以北京地区为例 ， 全年供暖 4 个月 ， 按平均每月 30 d 计算 ， 全年可节省 106. 5 ×4 ×30 =12 780 元 ， 4 年即可收回储能装置成本 12 780 ×4=51 210 元 。101农业工程 设计制造及理论研究表 1 电热相变储能装置与非电热式锅炉运行费用对比Tab. 1 Operating cost comparison between electric heating high temperature phase change energy storage device andnon electric heating boiler设备类别日采暖总量kW·h1设备容量kW高峰期日运行费元低谷期日运行费元平段期日运行费元日运行费合计元非蓄热式电锅炉 672 28 291. 74 79. 52 90. 09 461. 35电热相变储能装置 672 45 82. 26 127. 8 144. 79 354. 85注 : 按北京地区峰段总时间 11 h， 谷段总时间 8 h， 平段总时间 5 h， 峰段农电价 0. 947 2 元 ( kW·h) ， 谷段农电价 0. 355元 ( kW·h) ， 平段农电价 0. 643 5 元 ( kW·h) 计算 。此表中 ， 相变蓄热锅炉利用全部谷段和平段电力共 13 h 仍未满足热量需求 ， 还使用了峰段电力约 1. 93 h。电热相变储能装置样机经初步试验 ， 检测了其耗电量及升温能力 。测试 8 h 内 ， 耗电量约 44 kWh;炉内温度从 21 可升至 681 ， 升温 83 h。测试结果见表 2。表 2 电热相变储能装置蓄热能力测试结果Tab. 2 Test results of heat storage capacity of electric heating hightemperature phase change energy storage device序号 时间电表读数kW·h电量消耗kW·h锅炉内温度温度增加值1 8 52 330 212 9 52 380 50 120 993 10 52 420 40 210 904 13 00 510 90 389 1795 13 52 550 40 458 696 14 52 590 40 536 787 15 52 640 50 610 748 16 52 680 40 681 71350 660平均耗电量kW·h143. 8平均温度增加·h182. 54 结束语能源是人类赖以生存的基础 ， 是国民经济和社会发展的重要战略物资 ， 也是推动社会经济发展的动力 5-7。随着电力需求的不断增加以及电力需求峰谷差距的不断加大 ， 仅仅依靠加建发电厂 ， 既不科学又不经济 8。相变储能技术是为应对能源危机而产生的一门新兴技术 ， 它在蓄冷空调系统 、电热相变蓄热装置以及建筑节能等方面的应用是促进谷期电力消费和调峰的可行方式 ， 也是实行谷峰电价的技术保证 。经加工制成的相变储能材料广泛应用于建筑 、服装等行业 9。在建筑行业 ， 可以经定型加工后制成相变地板 ， 也可以经微胶囊化处理后与水泥沙浆混合制成相变墙体 。这种储能材料可用于冬季室内取暖 ，也可以用于夏季室外墙体隔热及建设恒温大楼 ， 另外 ， 还可用于航空航天服装 、极地服装等制造 。本研究设计的电热高温相变储能装置省去传统采暖系统的热力管道和散热器 ， 投资较低 。而且电能转换为热能后可直接用于采暖 ， 转换效率约 100%， 避免了电锅炉采暖中因中间介质 ( 热水 ) 而造成的热损失 。在运行方面 ， 电热高温相变储能装置调节灵活 ， 使用方便 ， 用户可根据需要对储能装置的启停随时控制 ， 因而可缩短采暖季节装置运行的时间 ， 进而减少采暖运行费 。对于提高农业整体水平 ， 推动温室工程产业向高新技术发展 ， 改善农业生态环境 ， 实现农业的可持续发展有重要意义 。应用电热高温相变储能装置既能节约能源又减少环境污染 ， 还可降低温室制造成本 ， 提高劳动生产率和设施产出品质 ， 直接带动农民致富 ， 为农村经济的发展打下良好的基础 。同时对我国农业技术装备水平的大幅度提高及国际竞争力的提升产生重要影响 。参考文献 1 尚燕 ， 张雄 相变储能材料应用研究 J 西华大学学报 : 自然科学版 ， 2005， 24( 2) : 87-90Shang Yan， Zhang Xiong Study progress on phase change energystorage materials J Journal of Xihua University: Natural Sci-ence， 2005， 24( 2) : 87-90 2 张仁元 ， 柯秀芳 新型相变材料与电热相变储能热水热风联供装置及经济性分析 J 电力需求侧管理 ， 2002， 4( 6) : 36-38Zhang enyuan， Ke Xiufang Economic analysis of one new phasechange material and electricity heating phase change energy storagehot water and hot breeze united supply device J Power DemandSide Management， 2002， 4( 6) : 36-38 3 张兴雪 ， 王华 ， 王胜林 MgO 陶瓷基复合相变蓄热材料的制备和性能研究 J 工业加热 ， 2006， 35( 1) : 7-9Zhang Xingxue， Wang Hua， Wang Shenglin Preparation 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