電熱高溫相變儲能裝置設計與應用.pdf

第 6 卷 第 6 期 農(nóng) 業(yè) 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基金項目 : 國家 “十二五 ”科技支撐計劃子課題 “溫室屋面墻體和地面相變儲熱裝置的研究與示范 ”( 項目編號 : 2014BAD08B020103)作者簡介 : 趙靜 ， 助理工程師 ， 碩士 ， 研究方向 : 設施農(nóng)業(yè) 。E-mail: 356691883 qq. com電熱高溫相變儲能裝置設計與應用趙 靜 ， 周增產(chǎn) ， 卜云龍 ， 卓杰強 ， 蘭立波 ， 董 微( 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司 ， 北京市植物工廠工程技術研究中心 ， 北京 100094)摘 要 : 伴隨全球環(huán)境的不斷惡化 ， 能源的不斷枯竭 ， 如何充分有效地利用能源以及對新能源的開發(fā)已經(jīng)成為業(yè)界關注的熱點 。相變儲能技術是利用相變材料在其物理相變化過程中從環(huán)境吸熱 ( 冷 ) 量或向環(huán)境釋放熱 ( 冷 ) 量 ， 從而達到能量的儲存與釋放的目的 。設計了一款電熱高溫相變儲能裝置 ， 將電能轉(zhuǎn)化為熱能并通過儲存介質(zhì)儲存起來 ，用于溫室內(nèi)的加溫使用 。該裝置可以平衡電網(wǎng)峰谷差 ， 提高用電效率 ， 減少環(huán)境污染 ， 降低用戶運行費用 ， 為溫室的管理及植物的生長提供必要的條件 ， 對溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義 。關鍵詞 : 電熱高溫相變 ; 儲能裝置 ; 相變材料 ; 溫室中圖分類號 : TB657. 5 文獻標識碼 : A 文章編號 : 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 引言溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中既能克服惡劣的自然氣候 、擴展農(nóng)產(chǎn)品品種 ， 又可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率 ， 其核心是控制適宜農(nóng)作物生長的溫 、濕度環(huán)境 。溫室生產(chǎn)中 ， 白天在太陽光的照射下室內(nèi)溫度一般較高 ， 而夜間溫度會下降 ， 導致晝夜溫差較大 ， 對溫室內(nèi)的作物生長不利 。本研究利用相變材料的潛熱特性 ， 儲存農(nóng)用栽培溫室中白天電量低谷時期的廉價電能 ， 當夜晚溫度下降到一定范圍后釋放出儲存這部分電能轉(zhuǎn)化的熱能 ，使一天之中溫室內(nèi)溫度曲線在高峰區(qū)有所下降 ， 而低谷區(qū)有所上升 ， 晝夜之間的溫差變小 ， 以保證冬季蔬菜等農(nóng)作物正常生長 ， 同時減少環(huán)境污染 ， 降低成本 ， 對我國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義 1。本項目研制的相變儲能裝置占地面積小 ， 節(jié)約用地空間 。與直接式電暖氣存在運行費用高等問題相比 ， 電熱高溫相變儲能裝置可利用低谷電蓄熱 ， 儲熱后可備隨時使用 ， 不僅有利于緩解電力的峰谷差 ， 有效降低城市的燃煤污染 ， 還可在實行峰谷電價分級的地區(qū)節(jié)約運行成本 ， 其應用前景廣闊 。1 總體設計1. 1 相變材料的篩選與封裝在制備相變蓄熱材料時通常采用復合的方法 ， 目的在于充分利用各類蓄熱材料的優(yōu)點 ， 克服不足 。選趙靜 等 : 電熱高溫相變儲能裝置設計與應用擇材料時應具備的基本條件是高潛熱的相變材料 、高穩(wěn)定的陶瓷支持材料 ， 兩者在高溫下不發(fā)生化學反應 2。本研究采用氧化物 鋁基合金作為傳熱強化介質(zhì)的相變材料 ， 以提高整個裝置的有效導熱系數(shù) ， 從而實現(xiàn)熱量的快速 、高效傳導 。通常情況下 ， 應用于電熱相變儲熱裝置的相變材料具有一定的高溫腐蝕性 ， 在使用時一般需要封裝 3。同時 ， 相變材料的微封裝具有許多其他優(yōu)點 ，如增加傳熱面積 、減小相變材料同外部環(huán)境的反應及減小相變時帶來的體積變化 。1. 2 電熱相變儲能裝置設計電熱相變儲能裝置儲能單元結構如圖 1 所示 。相變材料封裝于結構單元中 ， 最外層為封裝外殼 ， 結構單元中間有一根換熱管 ， 換熱介質(zhì)為風 ， 通過氣流經(jīng)管道釋放的潛熱來實現(xiàn)相變材料的蓄放熱 ， 進而實現(xiàn)整個裝置的蓄放熱 。利用夜間價格較低的谷電 ， 把電能轉(zhuǎn)變成熱能后 ， 利用高溫相變材料 ， 使其在相變時吸收大量的潛熱并保持溫度恒定不變而在蓄能元件內(nèi)儲存起來 ， 待需要時再把熱能釋放出來使用 4。1. 封裝外殼 2. 風 3. 相變材料圖 1 電熱相變儲能裝置儲能單元結構Fig. 1 Structure of energy storage unit of electric heating hightemperature phase change energy storage device整套電熱高溫相變儲能裝置含固體電蓄能本體 1套 ， 包括鋼結構平臺 ( 殼體 ) 、固體蓄熱體 、電加熱管 ; 熱換保溫系統(tǒng) 1 套 ， 包括耐高溫循環(huán)風機 、紫銅內(nèi)螺旋換熱裝置及納米級保溫層 ; 調(diào)控系統(tǒng) 1 套 ， 包括后端管理平臺 、控制器 、傳感器以及控制柜 ; 另有1 套高效集成式水泵機組 。裝置殼體材料選用不銹鋼 ， 內(nèi)外殼體間填充性能更好的保溫材料 ， 環(huán)形封裝管采用不銹鋼管 ， 在環(huán)形管內(nèi)填充相變材料 ， 環(huán)形管外排布電熱發(fā)熱體 。圖 2 為電熱高溫相變儲能裝置工作原理 。1. 電阻絲 2. 通風道 3. 高溫相變材料 4. 第 2 換熱器 5. 溫室大棚 6. 風機盤管 7、9. 循環(huán)泵 8. 出水 10. 第 1 換熱器 11. 進水 12. 鼓風機圖 2 電熱相變儲能裝置工作原理Fig. 2 Working principle of electric heating high temperaturephase change energy storage device電熱高溫相變儲能裝置工作原理是電加熱管將電能轉(zhuǎn)換為熱能后 ， 通過熱交換將熱能存儲于高溫相變材料內(nèi) ， 溫度可從常溫直達到 700 以上 。納米級保護層為高能絕緣體 ， 使固體蓄熱體與外界環(huán)境達到熱絕熱 。固體蓄熱體內(nèi)溫度為 800 時 ， 納米級保護層表面溫度只有幾十攝氏度 。在負載需要熱量供給時 ，設備可按照預先定好的程序 ， 按設定的溫度和供熱量 ， 由耐高溫循環(huán)風機提供的循環(huán)高溫空氣 ， 通過紫銅內(nèi)循環(huán)換熱裝置對負載循環(huán)水進行熱交換 ， 由高效集成式水泵機組將熱水提供至末端設備中 ( 風機排管 ) 。輸出溫度的穩(wěn)定性采用多種方式控制 ， 如進回水溫差 、出水恒定溫度 、輸出總熱量測定和負載溫度波動平衡值等 。以上通過傳感器監(jiān)測的數(shù)值經(jīng)中央電腦處理后 ， 將指令傳輸給自動控制器 ， 對設備進行全自動無級化精確運行控制 ， 精度控制在 1 區(qū)間內(nèi) 。通電加熱時間及加熱溫度可根據(jù)負載和基地實際需求任意設定 ， 設備會根據(jù)設定值完全無人自動化運行 。在電力處于需求波谷時期 ， 利用電能通過電加熱發(fā)熱體對放于裝置內(nèi)的儲能單元進行加熱 ， 此時儲能單元內(nèi)封裝的相變材料發(fā)生相變 ， 將吸收的大量熱量儲存起來 ， 實現(xiàn)蓄熱過程 。當電力處于需求波峰時而又需要熱能時 ， 儲能單元中的相變材料開始降溫 ， 并放出大量儲存的熱量實現(xiàn)電熱相變裝置放熱過程 。釋放的熱量 ， 由通過環(huán)形封裝管的換熱介質(zhì)所吸收 ， 通過介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng) ， 循環(huán)至末端設備如風機盤管等加以利用 。2 電熱高溫相變儲能裝置應用優(yōu)勢2. 1 高溫優(yōu)勢現(xiàn)有的電熱熱能設備大多是利用電熱阻絲 ( 管 、棒 ) ， 對受熱傳熱介質(zhì)進行電加熱 ， 或是直接加熱介質(zhì) ( 如空調(diào)風機排管所需的熱水 ， 洗浴及生活所需99農(nóng)業(yè)工程 設計制造及理論研究的熱水 ， 電加熱烤箱等 ) ， 它們的共同點是在需要使用時 ， 必須及時通電 ， 即無法充分利用低電價時段來降低使用成本 。電熱高溫相變儲能裝置可以利用 “削峰填谷 ”的用電方式 ， 將低谷時期的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存到相變材料中 ， 以供需要時隨時供熱 ， 這是目前的電熱設備無法做到的 ?，F(xiàn)有的大部分電熱設備 ， 所使用的加熱 、隔熱材質(zhì) ， 與研究設計中的材質(zhì) ， 在隔熱保溫性能上存在很大的差距 ， 尤其是熱端面達到 700 以上時 ， 差距就更懸殊了 。在熱能輸出精確控制方面 ， 電熱高溫相變儲能裝置也有較強的優(yōu)越性 。按目前國家出臺的峰谷電價計算 ， 電熱高溫相變儲能裝置的使用及操作費用 ， 只有現(xiàn)有技術生產(chǎn)的設備的 25% 左右甚至更低 。電熱高溫相變儲能裝置采用高比熱容的固體相變材料 ， 蓄熱溫度可高達 800 ， 這也是一般電熱設備無法達到的 。2. 2 體積優(yōu)勢削峰填谷的用電方式 ， 在我國其他地方也有一些類似的嘗試 ， 如在用電低峰時段 ， 將水通過電加熱后存儲于水罐中 ， 待用電高峰時停止電加熱 ， 使用存儲罐中的熱水 。但常壓下水的加熱溫度是有限的 ， 約90 ， 這不能滿足大部分工礦企業(yè)的生產(chǎn)性熱能指標需求 。另一方面 ， 為了增加熱能的儲量 ， 水罐往往需要制作得很大 ， 同時為了節(jié)能 ， 又需要對水罐進行高質(zhì)量的保溫處理 ， 這樣既占用了較大的空間 ， 又造成了資金的大量投入 。由于我國大部分地區(qū)現(xiàn)在的土地及現(xiàn)場無論是購買還是租用 ， 費用價格都比較高 。在相等熱功率的設備體積上 ， 都比電熱高溫儲能裝置的體積大很多 ， 這無形中又增加了使用者的成本 。電熱高溫相變儲能裝置采用高密度合金作為儲能材料 ， 具有比熱容高 、儲熱能力強 、長期性能穩(wěn)定 、無毒無害和無污染等優(yōu)點 ， 同時大大減少整機占地面積 ， 是一般水儲熱電鍋爐水箱體積的 17 左右 ， 大大減少了散熱面積 ， 提高了整體效率 。電熱高溫相變儲能裝置將加熱 、儲能 、取熱 、換熱及控制功能組合在一臺無壓的一體化結構內(nèi) ， 裝置整體熱效率高達 95% 以上 ， 以電熱高溫相變儲能裝置通電 8 h 計算 ， 即可存儲約 29. 37 萬 kJ 的熱能 。如果用水存儲相同的熱量 ， 加熱水罐需要占地10 m3， 而電熱高溫相變儲能裝置只需 1 m3即可 ， 體積優(yōu)勢明顯 。2. 3 控制系統(tǒng)優(yōu)勢電熱高溫相變儲熱裝置的控制系統(tǒng)由后端管理平臺 、控制器 、傳感器和控制柜組成 。采用新型算法 ，結合氣候補償 、分時分溫控制方法 ， 既減少人工資金投入 ， 又能達到節(jié)能的效果 。2. 3. 1 儲熱量算法無論是采暖季節(jié)還是制冷季節(jié) ， 一般空調(diào)機組每年運行負荷率 ( 指在統(tǒng)計期間內(nèi)的平均負荷與最大負荷之比 ) 均不高 ， 一般在達到設計負荷 50% 以下的運行時間占全年運行時間的 70%。電熱高溫相變儲熱裝置中控制系統(tǒng)儲熱機組的最大儲熱量 ， 是根據(jù)不同建筑物的分時熱負荷累加出來的 ， 不是最大熱負荷與供熱時間相乘 。如某辦公樓的儲熱負荷確定 ( 圖 3) ， 采用此算法可最大限度降低用戶的初投資 ， 而儲熱機組按照此算法運行 ， 同樣可顯著降低供暖費用 。圖 3 某辦公樓熱負荷分配Fig. 3 Thermal load distribution of an office building2. 3. 2 氣候補償控制根據(jù)對室外氣象和溫度的連續(xù)監(jiān)測 ， 本裝置采用氣候補償控制法智能調(diào)節(jié)出水溫度 ， 不同的天氣運行相應的補償曲線 ( 圖 4) ， 實現(xiàn)按需供熱的目標 ， 在保證供暖品質(zhì)的同時實現(xiàn)能源節(jié)約 。不同天氣下出水溫度不同 ， 加熱溫度也不同 ， 采用氣候補償控制的方法 ， 靈活應對天氣變化帶來的供應需求 ， 大大減少了資源浪費情況 ， 同時為使用者節(jié)省不必要的開支 。2. 3. 3 分時分溫控制采用分時段控制出口水溫原理 ， 可根據(jù)用戶的需001趙靜 等 : 電熱高溫相變儲能裝置設計與應用圖 4 不同室外環(huán)境下供水溫度變化Fig. 4 Temperature change of water supply in different out-door environment求自動調(diào)節(jié)鍋爐的出口水溫 ， 出口水溫的精度可控制在 ±1 的范圍內(nèi) ， 實現(xiàn)持續(xù)恒溫供熱 ; 同時用戶可以根據(jù)氣候情況以及自身的供暖要求進行出口水溫的設置 ， 遇到氣溫的突然變化 ， 可以及時調(diào)整 ， 從而最大程度地節(jié)省供暖成本 ， 使裝置在最佳的經(jīng)濟狀態(tài)下運行 。對于 24 h 連續(xù)供暖系統(tǒng) ， 如果按照傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)控制方法 ， 供水溫度必定產(chǎn)生不同程度的階段跳躍 。圖 5 中 ， 折線為司爐工每天手動調(diào)節(jié)的階段示意圖 ， 而實際運行過程中 ， 很多供熱單位很難保證如此頻繁的手動操作 ， 所以節(jié)能空間并未被很好地利用 。采用分時分溫自動控制后 ， 供水溫度曲線變化如圖 5所示 ， 能夠做到及時跟蹤調(diào)節(jié) ， 很大程度上實現(xiàn)了節(jié)能控制 。手動調(diào)節(jié)折線與自動調(diào)節(jié)曲線之間包圍的不規(guī)則面積即是氣候補償器的節(jié)能空間 ， 顯而易見 ， 其節(jié)能效果非常可觀 。圖 5 手動調(diào)節(jié)與自動調(diào)節(jié)方式溫控變化Fig. 5 Temperature change of manual adjustment and auto-matic adjustment3 樣機試驗電熱高溫相變儲能裝置樣機在通州試驗基地鋁天溝溫室進行了試驗 。試驗溫室采用 Venlo 式 8 m 跨玻璃連棟溫室 ( LB808-4. 5) ， 東西排跨 ， 南北排開間 ，天溝為南北走向 。溫室南北山墻 : 8 m跨 × 1 跨 = 8m; 東西側(cè)墻 : 4. 0 m開間 × 5 開間 = 20 m; 軸線面積 : 8 m ×20 m =160 m2。溫室配備 2 層保溫幕系統(tǒng)和內(nèi)遮陰系統(tǒng) ， 立面覆蓋 5 mm + 6A + 5 mm 厚雙層中空玻璃 ， 頂部覆蓋 5 mm 厚單層鋼化玻璃 。經(jīng)計算 ， 該溫室采暖負荷 28 kW 左右 。圖 6 為電熱相變儲能裝置樣機內(nèi)外景 ， 圖 7 為電熱相變儲能裝置樣機控制系統(tǒng)及界面 ， 圖 8 為電熱相變儲能裝置樣機機房及溫室栽培內(nèi)景 。圖 6 電熱相變儲能裝置樣機內(nèi)外景Fig. 6 Prototype internal and external of electric heating hightemperature phase change energy storage device圖 7 電熱相變儲能裝置樣機控制系統(tǒng)及界面Fig. 7 Control system and interface of electric heating high tem-perature phase change energy storage device圖 8 電熱相變儲能裝置樣機機房及溫室栽培內(nèi)景Fig. 8 Prototype room and greenhouse interior of electric heatinghigh temperature phase change energy storage device電熱相變儲能裝置與普通非蓄熱式電鍋爐運行費用對比情況見表 1。由表 1 可知 ， 電熱相變儲能裝置與普通非蓄熱式電鍋爐相比 ， 每天可節(jié)省 461. 35 354. 85 =106. 5 元 。以北京地區(qū)為例 ， 全年供暖 4 個月 ， 按平均每月 30 d 計算 ， 全年可節(jié)省 106. 5 ×4 ×30 =12 780 元 ， 4 年即可收回儲能裝置成本 12 780 ×4=51 210 元 。101農(nóng)業(yè)工程 設計制造及理論研究表 1 電熱相變儲能裝置與非電熱式鍋爐運行費用對比Tab. 1 Operating cost comparison between electric heating high temperature phase change energy storage device andnon electric heating boiler設備類別日采暖總量kW·h1設備容量kW高峰期日運行費元低谷期日運行費元平段期日運行費元日運行費合計元非蓄熱式電鍋爐 672 28 291. 74 79. 52 90. 09 461. 35電熱相變儲能裝置 672 45 82. 26 127. 8 144. 79 354. 85注 : 按北京地區(qū)峰段總時間 11 h， 谷段總時間 8 h， 平段總時間 5 h， 峰段農(nóng)電價 0. 947 2 元 ( kW·h) ， 谷段農(nóng)電價 0. 355元 ( kW·h) ， 平段農(nóng)電價 0. 643 5 元 ( kW·h) 計算 。此表中 ， 相變蓄熱鍋爐利用全部谷段和平段電力共 13 h 仍未滿足熱量需求 ， 還使用了峰段電力約 1. 93 h。電熱相變儲能裝置樣機經(jīng)初步試驗 ， 檢測了其耗電量及升溫能力 。測試 8 h 內(nèi) ， 耗電量約 44 kWh;爐內(nèi)溫度從 21 可升至 681 ， 升溫 83 h。測試結果見表 2。表 2 電熱相變儲能裝置蓄熱能力測試結果Tab. 2 Test results of heat storage capacity of electric heating hightemperature phase change energy storage device序號 時間電表讀數(shù)kW·h電量消耗kW·h鍋爐內(nèi)溫度溫度增加值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平均耗電量kW·h143. 8平均溫度增加·h182. 54 結束語能源是人類賴以生存的基礎 ， 是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略物資 ， 也是推動社會經(jīng)濟發(fā)展的動力 5-7。隨著電力需求的不斷增加以及電力需求峰谷差距的不斷加大 ， 僅僅依靠加建發(fā)電廠 ， 既不科學又不經(jīng)濟 8。相變儲能技術是為應對能源危機而產(chǎn)生的一門新興技術 ， 它在蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 、電熱相變蓄熱裝置以及建筑節(jié)能等方面的應用是促進谷期電力消費和調(diào)峰的可行方式 ， 也是實行谷峰電價的技術保證 。經(jīng)加工制成的相變儲能材料廣泛應用于建筑 、服裝等行業(yè) 9。在建筑行業(yè) ， 可以經(jīng)定型加工后制成相變地板 ， 也可以經(jīng)微膠囊化處理后與水泥沙漿混合制成相變墻體 。這種儲能材料可用于冬季室內(nèi)取暖 ，也可以用于夏季室外墻體隔熱及建設恒溫大樓 ， 另外 ， 還可用于航空航天服裝 、極地服裝等制造 。本研究設計的電熱高溫相變儲能裝置省去傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的熱力管道和散熱器 ， 投資較低 。而且電能轉(zhuǎn)換為熱能后可直接用于采暖 ， 轉(zhuǎn)換效率約 100%， 避免了電鍋爐采暖中因中間介質(zhì) ( 熱水 ) 而造成的熱損失 。在運行方面 ， 電熱高溫相變儲能裝置調(diào)節(jié)靈活 ， 使用方便 ， 用戶可根據(jù)需要對儲能裝置的啟停隨時控制 ， 因而可縮短采暖季節(jié)裝置運行的時間 ， 進而減少采暖運行費 。對于提高農(nóng)業(yè)整體水平 ， 推動溫室工程產(chǎn)業(yè)向高新技術發(fā)展 ， 改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境 ， 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義 。應用電熱高溫相變儲能裝置既能節(jié)約能源又減少環(huán)境污染 ， 還可降低溫室制造成本 ， 提高勞動生產(chǎn)率和設施產(chǎn)出品質(zhì) ， 直接帶動農(nóng)民致富 ， 為農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展打下良好的基礎 。同時對我國農(nóng)業(yè)技術裝備水平的大幅度提高及國際競爭力的提升產(chǎn)生重要影響 。參考文獻 1 尚燕 ， 張雄 相變儲能材料應用研究 J 西華大學學報 : 自然科學版 ， 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 張仁元 ， 柯秀芳 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