1.3　固體電蓄熱技術(shù)

1.3.1　固體電蓄熱裝置基本介紹

現(xiàn)今階段，電能是一種利用率較高的能源，具有傳輸方便、使用靈活、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，它在能源的利用上具有無可比擬的優(yōu)越性，尤其是在采暖、供熱方面，電能的優(yōu)點極為明顯。

固體電蓄熱裝置能最大化利用低谷電力，工作效率高，節(jié)約能源。固體電蓄熱裝置的主體是蓄熱體，換熱器、離心風機等構(gòu)成裝置的附屬設(shè)備。熱用戶通過換熱器中的熱水采暖，從而實現(xiàn)全部或大部分使用低谷電力供熱的目的。

固體電蓄熱裝置是一種高效、經(jīng)濟、節(jié)能、安全可靠、減少環(huán)境污染的新型電加熱設(shè)備。利用它將夜間低谷期的電能轉(zhuǎn)化成熱能儲存起來，用于白天高峰電時的采暖、供熱，從而降低用電費用，并且在充分利用電網(wǎng)低谷電力、增加電力有效供給、提高電網(wǎng)的負荷率方面是一種非常有效的手段。

1.3.1.1　固體電蓄熱裝置供熱過程

（1）熱量產(chǎn)生。通電之后，機組內(nèi)的加熱元件產(chǎn)熱將電能轉(zhuǎn)化為熱量。

（2）熱量儲存。熱量產(chǎn)生后通過熱交換將熱能存儲于固體電蓄熱體中，儲能溫度可達到800℃。

（3）熱量控制。蓄熱體外層采用高等隔熱體，與外環(huán)境隔熱，以防止熱量散失，提高熱源利用率。

（4）熱量輸送。被存儲的熱量通過變頻循環(huán)風機有序?qū)ν廨斔汀?/p>

（5）熱量釋放。高溫空氣所輸送熱量通過外部換熱設(shè)備等以熱水、熱氣、熱油等形式對外輸出。

1.3.1.2　固體電蓄熱裝置分類

固體電蓄熱裝置按照傳熱方式的不同可分為熱水型、蒸汽型、熱風型。

（1）熱水型。熱水型固體電蓄熱裝置的工作原理如圖1-20所示。通過換熱器對負荷循環(huán)水進行熱交換，由負荷水泵將熱水提供至末端設(shè)備中（比如風機盤管、暖氣片或生活熱水），達到供熱目的。

（2）蒸汽型。蒸汽型固體電蓄熱裝置的工作原理如圖1-21所示。通過蒸汽發(fā)生器使高溫空氣和給水進行熱交換，加熱水至沸騰生成蒸汽，再由負荷水泵將蒸汽提供至末端設(shè)備中，以達到為供暖、生產(chǎn)提供蒸汽的目的。

（3）熱風型。熱風型固體電蓄熱裝置的工作原理如圖1-22所示。通過風溫調(diào)控裝置對空氣溫度進行調(diào)控，來達到生產(chǎn)需求的高溫空氣溫度。

固體電蓄熱裝置由計算機控制，使得固體電蓄熱裝置的性能實現(xiàn)智能化、自動化、人性化，從而使裝置具有穩(wěn)定性高、操作簡單、使用方便、控制靈活、安全無污染等優(yōu)點。

1.3.1.3　固體電蓄熱裝置結(jié)構(gòu)

固體電蓄熱裝置包括固體電蓄熱加熱裝置（蓄熱體、加熱元件、換熱器、變頻風機、爐體外殼、保溫等）、附屬系統(tǒng)設(shè)備[熱水循環(huán)泵、軟化水設(shè)備、定壓補水系統(tǒng)、低壓配電柜、控制系統(tǒng)、熱量計量裝置及保證設(shè)備正常、安全使用的一切輔助設(shè)施（含安全底座）等]、備品備件和專用工具等，其結(jié)構(gòu)如圖1-23所示。

1.3.1.4　固體電蓄熱裝置技術(shù)特征

（1）系統(tǒng)集成。模塊化、智能化、集約化設(shè)計，以電熱蓄能模塊為基礎(chǔ)組合單元，按用戶實際需求靈活組合，并可在室內(nèi)、室外及地下任意位置安裝。儲能密度高達500kW·h/m3。

（2）蓄熱體結(jié)構(gòu)。蓄熱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有完全獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)，采用功能性熱流體和高溫離子熱流體技術(shù)、專利結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的特制形體和配比的固體電蓄熱材料構(gòu)建而成，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、緊湊、耐熱震等優(yōu)勢，最高可承受850℃高溫。

（3）保溫隔熱技術(shù)。保溫隔熱層采用的是A級耐火材料，符合《絕熱用硅酸鋁棉及其制品》（GB/T16400—2015）的規(guī)定。

（4）高換熱效率。采用的換熱系統(tǒng)具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、不易結(jié)垢、不易泄漏等特點。

（5）加熱元件。采用高品質(zhì)加熱元件通電發(fā)熱，加熱特制的免維護蓄熱材料，使用壽命超長，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡單易行。

（6）循環(huán)風道均溫技術(shù)。循環(huán)風道采用雙流程設(shè)計，使空氣在蓄熱體內(nèi)的停留時間增加，提高了傳熱系數(shù)，均衡蓄熱體內(nèi)溫度，增加與蓄熱體熱交換量。

（7）大功率發(fā)熱技術(shù)。經(jīng)過多次技術(shù)攻關(guān)，采用高電壓直接引入發(fā)熱體，避免變壓器等設(shè)備的投入，且功率可達百兆瓦級。

（8）高密度熱存儲技術(shù)。采用可以承受高于500℃高溫的高密度、高熱容量的蓄熱材料，由比例合理的無機鹽合成材料加工成型，經(jīng)高溫燒結(jié)定性定型。具有體積小、熱容量大、蓄熱能力強、性能穩(wěn)定、放熱穩(wěn)定等優(yōu)點。儲能密度高達300kW·h/m3，比水蓄熱介質(zhì)高5～8倍。

（9）水電分離技術(shù)。采用獨創(chuàng)的水電分離技術(shù)，高溫蓄熱器與熱水輸出裝置之間沒有直接關(guān)聯(lián)。由于加熱回路和蓄熱器相互分離，充分保證了電力設(shè)備和加熱設(shè)備相對獨立運行，徹底解決了絕緣問題。

1.3.1.5　蓄熱材料

蓄熱材料是固體電蓄熱裝置的構(gòu)成主體，同時也是影響其蓄釋熱性能的重要因素之一。不同材料的熱力性能各參數(shù)有所差異，故選擇相對適合的蓄熱材料對裝置性能必然產(chǎn)生有利的作用。優(yōu)良的蓄熱材料應(yīng)具有如下性能要求：

（1）具有較高的導熱系數(shù)和比熱容。導熱系數(shù)體現(xiàn)出蓄熱材料本身的熱傳導性能，導熱系數(shù)大，裝置可以將熱源中心處的熱量迅速傳至表面。蓄熱材料的比熱容越大，其蓄熱能力就越能夠充分發(fā)揮出來。

（2）熱膨脹系數(shù)小。固體電蓄熱裝置在運行中需要考慮反復的加熱和冷卻工況，因此蓄熱材料的熱膨脹系數(shù)越小，意味著裝置在熱脹冷縮的作用下具有更好的耐熱沖擊性，故能延長設(shè)備使用壽命。

（3）耐高溫且具有較好的結(jié)構(gòu)強度。由于固體電蓄熱裝置在運行過程中經(jīng)常處于高溫和承重條件下，為了避免裝置發(fā)生受熱變形和受壓碎裂，蓄熱材料本身在高溫下必須具有較高的結(jié)構(gòu)強度。

（4）流體經(jīng)過的阻力損失小。固體電蓄熱裝置在釋熱階段需要通入取熱流體以帶走熱量，若能提高蓄熱材料表面的光滑程度，就可減小流動阻力，在一定程度上降低了風機能耗，節(jié)省系統(tǒng)運行成本。

此外，蓄熱材料的選擇還要適當考慮易于加工和成本因素，蓄熱單元不宜加工成過于復雜的形狀，否則不利于設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)。目前固體電蓄熱材料一般采用無機非金屬，其中氧化鐵的熱容量最大，因此在耗電量相同、溫度升高相同的情況下，氧化鐵所需要的蓄熱體積最??；對于氧化鋁（90%）和氧化鎂（90%）而言，兩者的密度和熱容量相同，但氧化鎂（90%）在導熱性能方面優(yōu)于氧化鋁（90%）和氧化鐵，也最為耐熱。氧化鎂（90%）的平均密度為33000kg/m3，平均質(zhì)量比熱容為1000J/（kg·℃），導熱系數(shù)為4.5～6.0W/（m·℃），取其平均值5.25W/（m·℃），熔點為1600～1700℃。

1.3.2　固體電蓄熱技術(shù)優(yōu)勢

固體電蓄熱裝置功能強大，裝置由外防護層、換熱器、離心風機、保溫層、加熱絲、溫度傳感器、控制系統(tǒng)、蓄熱磚體等組成。固體電蓄熱裝置的運行和血液循環(huán)原理相似，通過可編程控制器控制其工作流程，利用安裝在蓄熱體內(nèi)的溫度傳感器反饋信息，達到控制裝置工況的目的。控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)恒溫、節(jié)能的最優(yōu)運行原則，不斷對蓄熱體內(nèi)的溫度進行采集、記錄及程序控制調(diào)節(jié)，從而使蓄熱體內(nèi)溫度實現(xiàn)均衡地升高并保持恒溫以更好地實現(xiàn)利用低谷電能為熱用戶提供生活供暖的目的，裝置如圖1-24所示。

固體電蓄熱裝置相對于傳統(tǒng)的電鍋爐或燃煤鍋爐設(shè)備具備以下優(yōu)勢：

（1）固體電蓄熱裝置利用耐高溫的電加熱絲通電發(fā)熱，整個加熱過程不會產(chǎn)生傳統(tǒng)鍋爐工作中的煙塵、顆粒物質(zhì)及硫氧化物，這些物質(zhì)都是導致霧霾天氣嚴重的因素。電蓄熱裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐，將有效減少有害氣體排放，緩解霧霾給國民生活帶來的不便，保護生態(tài)環(huán)境，有益于治理霧霾。

（2）固體電蓄熱裝置利用耐高溫的電加熱絲通電發(fā)熱，加熱特制的蓄熱材料——高比熱容、高比重的蓄熱磚，再用耐高溫、低導熱的保溫材料將熱量保存起來，自動調(diào)節(jié)熱量釋放速度，按需取熱，節(jié)省了不必要的用能浪費，具有顯著的節(jié)能環(huán)保效果，有利于促進國民經(jīng)濟發(fā)展。

（3）充分利用電網(wǎng)低谷電力，增加電力有效供給，提高電網(wǎng)負荷率，促進電力資源的優(yōu)化配置，大批量推廣應(yīng)用后，可提高社會用電綜合經(jīng)濟效益，維持電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

（4）固體電蓄熱裝置工作過程中無污染、無噪聲、無廢氣排放，綠色環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展及環(huán)保政策要求。

（5）外形簡單易維修，裝置內(nèi)部的自動溫度過熱保護器及漏電保護裝置確保工作過程安全無害，使用安全可靠。

（6）使用蓄熱效率較高的蓄熱材料及高性能的加熱元件，蓄熱效率相較電采暖裝置得到較大提高，夜間儲存電能滿足全天供熱需求，極大降低裝置運行費用。

（7）裝置安裝簡單，使用維護方便。

在當前倡導節(jié)約能源、保護環(huán)境的總體趨勢下，固體電蓄熱裝置擁有眾多優(yōu)點，得到日益廣泛的應(yīng)用。與此同時，在傳統(tǒng)能源日益緊張的情況下，固體電蓄熱裝置具有無限的發(fā)展前景，但是根據(jù)我國目前固體電蓄熱裝置的使用情況，其應(yīng)用規(guī)模還有待于進一步開發(fā)。

固體電蓄熱系統(tǒng)和電極鍋爐系統(tǒng)、相變蓄熱系統(tǒng)對比見表1-6。

對比結(jié)果顯示，固體電蓄熱打破了原有蒸汽高溫熱水大容量儲能的壁壘，采用固體電蓄熱的方式，實現(xiàn)了高溫大容量吉瓦時級的儲能，既可作為調(diào)峰電站配合新能源消納使用，也解決了清潔供熱的熱負荷問題。

1.3.3　固體電蓄熱參與新能源消納

隨著新能源發(fā)電裝機容量的增加，其波動性增加，導致嚴重的棄風、棄光等問題，嚴重影響新能源的消納吸收。為了解決新能源的消納問題，我國有關(guān)部門出臺了一系列政策。2016年年初，國家能源局發(fā)布了關(guān)于消納新能源、鼓勵新能源企業(yè)參與市場交易的重要通知。在能源豐富的地區(qū)充分挖掘當?shù)叵{新能源的潛力，深入分析新能源供熱的可行性和經(jīng)濟性，研究利用新能源代替燃煤鍋爐供暖技術(shù)，制定相關(guān)方案減少棄風、棄光等問題。

為了解決新能源消耗問題，在現(xiàn)有的調(diào)度系統(tǒng)下，有效促進新能源的消納，減少煤炭等化石燃料的消耗，保護環(huán)境。提高新能源消納程度和電力系統(tǒng)靈活性有以下方式：

（1）針對新能源發(fā)電外送困難的問題，有效提高負荷用電量及增加配電系統(tǒng)消納新能源的能力。

（2）針對系統(tǒng)總體調(diào)峰能力不足的問題，通過新能源制電轉(zhuǎn)熱、熱電廠配置固體電蓄熱裝置等，有效提高系統(tǒng)調(diào)峰能力，增加新能源的消納能力。

采用固體電蓄熱裝置參與新能源消納既能消納多余的新能源發(fā)電，又能用新能源發(fā)電替代燃煤鍋爐直接進行供暖，有效減少溫室氣體排放，可大大緩解燃煤鍋爐造成的環(huán)境問題。

新能源發(fā)電具有分散性、隨機性的特點，通過研究固體電蓄熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行和將電蓄熱裝置安裝在電網(wǎng)側(cè)，可以充分發(fā)揮熱力系統(tǒng)大慣性的性質(zhì)，協(xié)調(diào)新能源發(fā)電的波動。配備電蓄熱裝置后的電熱聯(lián)合作用，還將實現(xiàn)電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，消納更多新能源，解決電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)和優(yōu)化等問題，固體電蓄熱裝置參與新能源消納如圖1-25所示。

固體電蓄熱裝置在夜間將電能轉(zhuǎn)換為熱能進行加熱。一方面，它降低了加熱裝置的熱負荷，最小發(fā)電量隨著熱負荷的減小而降低，操作靈活性提高；另一方面，它在低負荷期間增加了發(fā)電廠的電力負荷，并且進一步增加了加熱單元的發(fā)電量。

以風電為例，風電采暖方案通過配備固體電蓄熱裝置，可在夜間耗電低谷期利用豐富的電能向固體電蓄熱裝置儲存熱能；在峰值負荷期間直接向用戶供電，并通過固體電蓄熱裝置中存儲的熱能向用戶供熱，如圖1-26所示。

該方案不僅可以吸收過剩的風電，還可以通過“儲能”和“能量釋放”過程穩(wěn)定負荷波動，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，是目前最成熟的風力發(fā)電消納技術(shù)。

1.3.4　固體電蓄熱應(yīng)用的經(jīng)濟性

固體電蓄熱在單位容量占地面積、建設(shè)周期、站址選擇靈活性、單位容量造價、效率等方面有明顯優(yōu)勢，見表1-7，可以解決大容量規(guī)?；瘍δ苷{(diào)峰問題。

國內(nèi)外規(guī)?；娦顭峒夹g(shù)根據(jù)蓄熱工質(zhì)的不同分為顯熱儲能（液態(tài)金屬、油、固態(tài)非金屬類等）、相變潛熱儲能（有機材料、無機鹽等）、高壓水及熱水蒸氣儲能等。以氧化鎂為主的固態(tài)電蓄熱裝置在熔點、工作溫度范圍、儲能密度、導熱系數(shù)、規(guī)?；笕萘康确矫嬗忻黠@優(yōu)勢，見表1-8。

目前，固體電蓄熱技術(shù)在國外的技術(shù)示范工程較少，更沒有規(guī)?；瘧?yīng)用，只有少量幾家小容量用戶。與國外相比，國內(nèi)廠家的固體電蓄熱系統(tǒng)在電壓等級、單體功率、大容量規(guī)?；崮茌敵龇绞降确矫娑季哂薪^對優(yōu)勢。