固体电蓄热技术研究现状及展望

吴 娟，毕月虹，鲁一涵

（1.北京工业大学 城建学部，北京 100124；2.绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京 100124）

0 引言

随着人们生活水平不断提高，供电峰谷差逐年加大，大量的低谷电未能得到充分的利用。固体电蓄热技术通过将非峰值电转化为热能存储起来，可实现电网的削峰填谷，缓解电力供需矛盾，优化电网负荷特性，降低电力设施投资［1］。同时，电能作为一种清洁能源，采用固体电蓄热装置作为热源，可减少因传统燃煤造成的环境污染，是解决冬季供暖污染问题的有效途径［2］。

固体电蓄热采用显热储能的方式，利用物质本身温度的变化实现热量的储存和释放。显热储热技术是发展最早、最为成熟的技术，储热装置运行和管理也较为方便。显热储热材料研制、储热装置优化设计以及高效运行等都是储能的关键技术。在储热装置中，涉及热能与其他形式能之间的转化，及热能在不同物质载体之间的传递以及储热材料在储存过程中所表现出的热力学特征。显热储热材料的重要参数包括：密度、比热容、导热率、热扩散率、运行温度、稳定性、兼容性和成本等。相比显热储能，相变储能是在近似恒温过程中利用材料的相变潜热进行热量的存储和释放，储热密度高、热稳定性好，但初投资较高、存在腐蚀和老化等问题，其应用不如显热储能广泛［3］。

国外对固体电蓄热技术的研究是在20 世纪70年代石油危机之后发展起来的，到20 世纪80 年代初，部分发达国家如美国、德国、日本、丹麦等已开始将其应用于工业与民用建筑领域，主要是围绕蓄热材料的开发和选择、蓄热装置性能的改善以及蓄∕释热性能评价等方面。我国对于固体电蓄热设备的研究开始于20 世纪90 年代，由于峰谷电价和用电补贴等多种优惠政策的实施，我国在固体电蓄热装置的研究和应用上处于高速发展期。目前部分高校、科研院所、企业对固体储能技术进行了大量的研究，并成功应用于实际工程，北京工业大学、哈尔滨工业大学等高校也对固体电蓄热进行了实验室研究。国内的研究集中在蓄热材料的选择、蓄热体结构、蓄热砖的布置、蓄∕释热过程的数值模拟以及蓄热体经济运行模式等方面，主要采用实验测试和数值模拟的研究方法。在现今倡导节能环保的总趋势下，固体电蓄热技术具有非常好的应用前景。

1 固体电蓄热系统

1.1 系统形式及工作原理

固体电蓄热系统基本形式如图1所示，适用电压范围10～110 kV（单机最大蓄热量可达800 MWh）。在夜间低谷电时段，穿插在蓄热砖孔洞中的电热丝通电发热，将热量存储在蓄热砖中；在白天峰电时段，变频风机启动，空气流过蓄热体，被加热的空气通过气-水热交换器，最终将热量分配给用户。

图1 固体电蓄热系统原理Fig.1 Schematic of solid electric heat storage system

固体电蓄热装置在将电能转化热能的过程中不伴随其它能量的转化，转化效率约为100%，由于热量不是直接释放到用户侧，在储热和换热过程中存在热损失，一般为5%～10%，故装置的热效率一般不高于95%［4］。固体电蓄热装置的热效率计算如下

式中：Q为固体电蓄热装置向热用户输出的热量，W；Ql为输入的电量，W。

1.2 固体电蓄热技术研究现状

随着国家煤改电及各种优惠补贴政策的实施，北方煤改电市场不断扩大，固体电蓄热技术具有广阔的市场前景。目前，固体电蓄热技术仍处于初步发展阶段，需要在固体蓄热材料、蓄热装置的结构和蓄∕释热性能、运行方式和控制策略、经济性分析等方面不断地改进和创新，使之成为具有竞争优势的清洁供暖方式。

1.2.1 固体蓄热材料的研究现状

蓄热材料是电蓄热装置的核心部件，其热物理性能直接决定了蓄热装置的布置方式、使用寿命及蓄热效率。在实际应用中，由于蓄热材料的储能密度小导致蓄热装置体积过大，热导率低导致热量局部堆积，这些问题在一定程度上限制了蓄热装置的推广应用，目前商业上广泛使用的主要有镁砖蓄热和混凝土蓄热。

国内外学者对固体蓄热材料的研究主要围绕2个方面：一种是针对目前已有的蓄热材料的比选和如何提高蓄热材料的热物理性能；另一种是开发新的蓄热材料。

文献［7］、文献［8］使用一种基于多目标优化的材料选择工具，比较各种常用的高温显热蓄热材料的热物性参数和经济性，得出高铝混凝土砖和氧化镁砖的成本最低,蓄热材料的热物理性能可通过加入适当的添加剂优化。文献［9］通过实验测试比较了不同成分水泥制备的混凝土材料的力学性能、比热容及热导率，发现该储热材料的最佳工作温度在350～600 ℃，添加质量分数为5%的石墨粉后，混凝土的热导率大于1.7 W∕（m·K）。文献［10］对石英岩、碳化硅陶瓷、高温混凝土、铸铁和氧化铝陶瓷等5种固体蓄热材料进行研究，结果表明，增加粒径会降低固体颗粒与熔盐之间的传热速率，导致有效放热时间和放热效率降低，但是在粒径小于1.9 cm时，熔盐填充床的有效放热效率几乎与固体材料无关。文献［11］在实验室规模的蓄热填充床系统中测试了一种基于拆除废物的新型可持续和低成本的热能存储材料，当填充床温度为150 ℃，表面流体速度为0.95 mm∕s时，最大系统能量效率为67%。文献［12］研究了氧化镁、堇青石、刚玉砖、黏土砖等4种蓄热材料对固体电蓄热装置蓄热性能的影响，结果表明，氧化镁砖的蓄热能力最优，接着依次是刚玉砖、黏土砖、堇青石，蓄热8 h，氧化镁的蓄热量是堇青石蓄热量的1.1倍。目前常见的固体蓄热材料热物性如表1所示［13—14］。

表1 常见固体蓄热材料热物性表Table 1 Thermal properties of common solid heat storagematerials

1.2.2 蓄热体结构和蓄∕放热性能的研究现状

目前，固体电蓄热装置主要存在蓄∕释热过程温度分布不均匀、电热丝容易烧坏、蓄热效率不高及蓄热装置运行一段时间后出现开裂、坍塌等问题。国内外学者针对这些问题做了大量研究。

文献［15］以具有嵌入式管式热交换器的固体储能系统为研究对象，分析了传热结构和操作策略（层流和湍流）对固体蓄热模块传热性能的影响，得出添加传热结构的蓄热模块在湍流状态下，放热效率、放热时间以及蓄热成本最优的结论。文献［16］开发了一种热机械相场方法，模拟研究具有嵌入式热交换器的固体储能装置在蓄热过程中由于开裂而导致的热性能退化问题。文献［17］通过在48 kW固体电蓄热锅炉送风系统的主风管和支风管内部加挡板，改善了出风口风量的不均匀性，使得蓄热体的有效蓄热量提升至1 411 MJ，比原锅炉的有效蓄热量增加了21.8%。文献［18］从多个蓄热结构参数优化的角度出发，对蓄热体的通道结构、孔隙率及进口空气流速等参数进行优化，实验测试和数值模拟结果表明，进口空气流速为6～7 m∕s 时，具有单通道、20%孔隙率的蓄热体结构，其温度分布均匀、温升率速率快、流体动能损失小。温度高的区域，电热丝容易烧毁，文献［19］对固体蓄热电锅炉的配风箱进行改进，通过添加多个导流板使各换热通道出口风量保持一致，在第二次蓄热结束时，蓄热体内部温度最高点由改进前的1 050 ℃降低到750 ℃，蓄热体温差降低79%，温度分布的不均性得到改善。文献［20］采用在电阻丝上添加套管的方式，研究得出添加套管能够有效延长电阻丝的使用寿命，不会降低蓄热体的整体性能。文献［21］从风仓宽度、进风口角度和风口处加设静压箱对固体电蓄热装置的流速分布均匀性进行研究，结果表明，风仓宽度大于2.2 m、进风口角度为15°∕20°（左右∕上）时，蓄热体迎风面流速分布均匀性最优，在送风口添加静压箱，送风系统的均匀性指数提高了13.6%。以上研究为固体电蓄热装置的结构和性能的改善提供了理论支撑。

随着我国社会经济的快速增长，公路建设项目不断增加,公路工程施工具有周期长、施工环境复杂以及影响因素多等特点，如果操作不当或管理不到位，会引发各种安全事故，造人员伤亡和财产损失。因此，公路工程施工安全管理是公路工程项目的重要管理内容，直接关系国家和人们的根本利益。由此可见，对公路工程施工安全管理中存在的问题进行探究有重要的意义。

1.2.3 运行方式和控制策略的研究现状

固体电蓄热系统运行方式和控制策略的选择，是确保实现按需供暖的前提，不合理的运行方式和控制策略可能会导致系统需要的存储容量过多，投资成本增加，或者在运行中存在蓄热不足，采用非低谷电补热造成运行成本增加。通常情况下，运行方式的选择与蓄热容量的大小有关，文献［22］介绍了固体电蓄热装置在不同蓄热容量下所采用的3种运行方式。除此之外，运行方式的选择还与当地的电价有关，相比半蓄热式，全蓄热式虽然运行费用低，但蓄热容量大、初投资较高，在平段电价较低的地区，为降低系统的初投资，可采用半蓄热方式运行［23］。

国内首台固体电蓄热调峰锅炉采用maxDNA控制系统，该项目投产至今运行稳定可靠［24］。文献［25］将非峰值电与城市供热相结合，开发了一种基于非峰值电的新型可控按需供热的电能存储系统，如何准确预测第二天峰电时段所需供热量是该控制策略实施的难点。针对固体电蓄热系统的滞后性，文献［26］采用串级PID 控制方式，设计出一套完整的控制系统，需要考虑系统在实际运行中可能会遇到的信号干扰问题。文献［27］基于固体电蓄热装置的蓄热砖和蓄热空气温度上升的特点，设计出一套模糊PID温度控制系统。文献［28］研究了固态电制热储热系统的热控制方法，通过实验得出采用投切功率和循环风速控制，可以实现储热体的温度和储热效果的控制。固体电蓄热装置控制策略的比较如表2所示。

表2 固体电蓄热装置控制策略的比较Table 2 Comparison of control strategies for solid electric heat storage devices

1.2.4 经济性分析的研究现状

固体电蓄热装置的经济性分析是供暖方式选择的重要依据，其经济性主要受电价和电价结算方式及国家补贴政策的影响。文献［29］分析了新疆乌鲁木齐市某谷电固体蓄热供暖系统，供暖面积为85 800 m2，采用10 kV高压直接供电，总投资320万元，按供暖收费28元∕m2计算，年均净收入120万元，3 a可回收成本。文献［30］结合山东（青岛）国际航运中心项目，比较了固体蓄热电锅炉和高效燃气真空热水锅炉2 种方案的经济性，得出固体蓄热电锅炉的初投资和运行费用分别是高效燃气真空热水锅炉的97%和59%。为了更加直观的比较不同方案的经济可行性，文献［31］提出采用临界电价法比较高温固体蓄热电锅炉、电极锅炉+水蓄热、电锅炉+相变蓄热等3 种供暖方式相比市政供暖是否具备经济性。经计算，高温固体蓄热电锅炉的临界低谷电价最高，达到0.3 015元∕kWh，实际低谷电价为0.280 2元∕kWh，采用该方式供暖具有可行性且经济性最佳。文献［32］对加拿大蒙特利尔地区6所房屋的4种不同存储容量的蓄热单元进行模拟研究，结果表明，仅当选择按h计算的差异费率时在经济上是可行的。文献［33］比较了加拿大魁北克地区使用集中电蓄热系统与常规电加热系统的经济效益，通过将1 a内典型的国内电力消费概况作为输入参数，并考虑定期费率和使用时间费率的影响，得出使用电蓄热供暖系统可使每年电费节省约15%。几种储能电锅炉设备的比较如表3所示［34］。

表3 几种储能电锅炉设备的比较Table 3 Performance comparison of several energy storage electric boilers

2 国内外典型蓄热装置的应用

固体储能技术凭借其性能良好、占地体积小、储热量大、负荷调整灵活等优点，目前在国内外已有很多成功的案例和典型装置。根据国家电网统计数据，截至2018 年末，固体电蓄热装置已推广至我国北方14个省（市、区），总功率2 077.69 MW［27］。

2.1 国外典型蓄热装置的应用

由于太阳辐射的间歇性，国外将固体电蓄热装置广泛地应用于太阳能热电厂，并进行了大量的实验研究，在蓄热材料的选择和实际应用方面积累了丰富的的经验。文献［35］—文献［37］基于抛物槽式发电系统的固体蓄热装置，测试了两种不同存储材料的蓄热模块，结果表明陶瓷和高温混凝土均可用于固体电蓄热系统，但后者的材料强度更高、成本更低且更易加工处理。为了能够对固体电蓄热装置进行实时测试，接着在斯图加特建立了第二代20 m3固体蓄热测试模块。文献［38］、文献［39］分析了马斯达尔科学技术研究院太阳能平台的热能存储试验系统的测试结果，得出采用模块化的混凝土蓄热系统具有性能稳定和结构紧凑的优势。

2.2 国内典型蓄热装置的应用

国内固体电蓄热装置多应用于居民采暖、电厂调峰及高校实验研究等方面。2015年，国内首台全自动固体蓄热电锅炉研制成功，该装置能满足用户冬季供暖、夏季制冷及生活热水的需求［40］。2017 年2 月18日，用于辽宁地区供热的260 MW电蓄热装置投运成功，该装置采用大功率供热技术，可实现年最大调峰电量340.2 GWh，增加上网电量273.02 GWh［41］。华电新疆发电有限公司在新疆昌吉地区建设安装的固体电蓄热机组可实现深度调峰60 MW的电负荷，灵活调剂150 万m2供热面积，解决了该地区热电联产机组灵活性改造问题［42］。文献［43］设计并搭建了固体电蓄热系统实验平台，可用于用户供热和高校的实验研究。文献［44］测试研究了新疆某地区20万m2居民清洁供暖工程的高倍率固体蓄热器，测试结果表明两台高倍率蓄热器的蓄热容量分别达到了理论热容量的77.5%和80.0%。从目前国内装置的使用情况来看，固体电蓄热技术应用领域广泛，已经能够实现大功率电热转换和超大容量热能存储，由于固体电热储能成本依然较高，其应用推广受峰谷电价和政府补贴政策的影响较大。典型蓄热装置应用如表4所示。

表4 典型蓄热装置应用Table 4 Applications of typical heat storage devices

3 结束语

经过几十年的发展，固体电蓄热系统作为供热行业一种新兴的蓄热热源形式，由于其性能良好、占地体积小、储热量大、负荷调整灵活等优点，可广泛应用于电厂调峰和清洁电能供热方面。从目前的研究现状和应用情况来看，国内固体电蓄热系统还处于初步阶段，仍有如下问题需要解决。

（1）蓄热材料在实际应用中由于导热性能差，热量无法实现高效地存储与释放，造成热量局部堆积，提高蓄热材料的热导率，能够有效改善蓄热体的温度分布，延长其使用寿命；

（2）固体电蓄热技术能够充分利用峰谷电价的优势，具有较低的运行成本，但初投资成本较高，在满足负荷需求的条件下，合理匹配蓄热装置的存储容量、降低系统初投资，是决定固体电蓄热技术推广应用的关键因素；

（3）目前固体电蓄热装置的运行模式和控制策略主要是针对固体储热热源的调节，并未考虑热源与热网、热用户之间的联系，造成供热系统整体运行效率较低，通过将热源与热网、热用户作为一体考虑，对其运行模式和控制策略进行研究，提高系统效率，进一步降低运行费用；

（4）固体电蓄热装置还处于应用摸索阶段，其设备在生产、安装施工及验收方面缺少相关标准和规范的指导，设备质量参差不齐，造成系统效率较低，因此需要总结编制生产、安装施工及验收标准，保证供暖的可靠性；

（5）将固体电蓄热技术与物联网相结合，利用物联网技术平衡电网和热网之间的需求，是未来研究的一个热点。D