1.3　固體電蓄熱技術

1.3.1　固體電蓄熱裝置基本介紹

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

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、離心風機等構成裝置的附屬設備。熱用戶通過換熱器中的熱水采暖，從而實現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、經濟、節能、安全可靠、減少環境污染的新型電加熱設備。利用它將夜間低谷期的電能轉化成熱能儲存起來，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低谷電力、增加電力有效供給、提高電網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）熱量產生。通電之后，機組內的加熱元件產熱將電能轉化為熱量。

（2）熱量儲存。熱量產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風機有序對外輸送。

（5）熱量釋放。高溫空氣所輸送熱量通過外部換熱設備等以熱水、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水進行熱交換，由負荷水泵將熱水提供至末端設備中（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備中，以達到為供暖、生產提供蒸汽的目的。

（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。通過風溫調控裝置對空氣溫度進行調控，來達到生產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智能化、自動化、人性化，從而使裝置具有穩定性高、操作簡單、使用方便、控制靈活、安全無污染等優點。

1.3.1.3　固體電蓄熱裝置結構

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）、附屬系統設備[熱水循環泵、軟化水設備、定壓補水系統、低壓配電柜、控制系統、熱量計量裝置及保證設備正常、安全使用的一切輔助設施（含安全底座）等]、備品備件和專用工具等，其結構如圖1-23所示。

1.3.1.4　固體電蓄熱裝置技術特征

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

（2）蓄熱體結構。蓄熱體結構的設計具有完全獨立自主的知識產權，采用功能性熱流體和高溫離子熱流體技術、專利結構設計制造的特制形體和配比的固體電蓄熱材料構建而成，具有結構穩固、緊湊、耐熱震等優勢，最高可承受850℃高溫。

（3）保溫隔熱技術。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）的規定。

（4）高換熱效率。采用的換熱系統具有傳熱系數高、結構緊湊、不易結垢、不易泄漏等特點。

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

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

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

（8）高密度熱存儲技術。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，經高溫燒結定性定型。具有體積小、熱容量大、蓄熱能力強、性能穩定、放熱穩定等優點。儲能密度高達300kW·h/m3，比水蓄熱介質高5～8倍。

（9）水電分離技術。采用獨創的水電分離技術，高溫蓄熱器與熱水輸出裝置之間沒有直接關聯。由于加熱回路和蓄熱器相互分離，充分保證了電力設備和加熱設備相對獨立運行，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有所差異，故選擇相對適合的蓄熱材料對裝置性能必然產生有利的作用。優良的蓄熱材料應具有如下性能要求：

（1）具有較高的導熱系數和比熱容。導熱系數體現出蓄熱材料本身的熱傳導性能，導熱系數大，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揮出來。

（2）熱膨脹系數小。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，故能延長設備使用壽命。

（3）耐高溫且具有較好的結構強度。由于固體電蓄熱裝置在運行過程中經常處于高溫和承重條件下，為了避免裝置發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構強度。

（4）流體經過的阻力損失小。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，節省系統運行成本。

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，否則不利于設備的大規模生產。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小；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，平均質量比熱容為1000J/（kg·℃），導熱系數為4.5～6.0W/（m·℃），取其平均值5.25W/（m·℃），熔點為1600～1700℃。

1.3.2　固體電蓄熱技術優勢

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、蓄熱磚體等組成。固體電蓄熱裝置的運行和血液循環原理相似，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。控制系統為了實現恒溫、節能的最優運行原則，不斷對蓄熱體內的溫度進行采集、記錄及程序控制調節，從而使蓄熱體內溫度實現均衡地升高并保持恒溫以更好地實現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的電鍋爐或燃煤鍋爐設備具備以下優勢：

（1）固體電蓄熱裝置利用耐高溫的電加熱絲通電發熱，整個加熱過程不會產生傳統鍋爐工作中的煙塵、顆粒物質及硫氧化物，這些物質都是導致霧霾天氣嚴重的因素。電蓄熱裝置代替傳統鍋爐，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，保護生態環境，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，自動調節熱量釋放速度，按需取熱，節省了不必要的用能浪費，具有顯著的節能環保效果，有利于促進國民經濟發展。

（3）充分利用電網低谷電力，增加電力有效供給，提高電網負荷率，促進電力資源的優化配置，大批量推廣應用后，可提高社會用電綜合經濟效益，維持電網穩定、經濟運行。

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

（5）外形簡單易維修，裝置內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。

在當前倡導節約能源、保護環境的總體趨勢下，固體電蓄熱裝置擁有眾多優點，得到日益廣泛的應用。與此同時，在傳統能源日益緊張的情況下，固體電蓄熱裝置具有無限的發展前景，但是根據我國目前固體電蓄熱裝置的使用情況，其應用規模還有待于進一步開發。

固體電蓄熱系統和電極鍋爐系統、相變蓄熱系統對比見表1-6。

對比結果顯示，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，實現了高溫大容量吉瓦時級的儲能，既可作為調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，我國有關部門出臺了一系列政策。2016年年初，國家能源局發布了關于消納新能源、鼓勵新能源企業參與市場交易的重要通知。在能源豐富的地區充分挖掘當地消納新能源的潛力，深入分析新能源供熱的可行性和經濟性，研究利用新能源代替燃煤鍋爐供暖技術，制定相關方案減少棄風、棄光等問題。

為了解決新能源消耗問題，在現有的調度系統下，有效促進新能源的消納，減少煤炭等化石燃料的消耗，保護環境。提高新能源消納程度和電力系統靈活性有以下方式：

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

（2）針對系統總體調峰能力不足的問題，通過新能源制電轉熱、熱電廠配置固體電蓄熱裝置等，有效提高系統調峰能力，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電，又能用新能源發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境問題。

新能源發電具有分散性、隨機性的特點，通過研究固體電蓄熱系統的協調優化運行和將電蓄熱裝置安裝在電網側，可以充分發揮熱力系統大慣性的性質，協調新能源發電的波動。配備電蓄熱裝置后的電熱聯合作用，還將實現電力系統與熱力系統的優勢互補，消納更多新能源，解決電網運行的協調和優化等問題，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電廠的電力負荷，并且進一步增加了加熱單元的發電量。

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”過程穩定負荷波動，提高電網穩定性，是目前最成熟的風力發電消納技術。

1.3.4　固體電蓄熱應用的經濟性

固體電蓄熱在單位容量占地面積、建設周期、站址選擇靈活性、單位容量造價、效率等方面有明顯優勢，見表1-7，可以解決大容量規模化儲能調峰問題。

國內外規模化電蓄熱技術根據蓄熱工質的不同分為顯熱儲能（液態金屬、油、固態非金屬類等）、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電蓄熱裝置在熔點、工作溫度范圍、儲能密度、導熱系數、規模化大容量等方面有明顯優勢，見表1-8。

目前，固體電蓄熱技術在國外的技術示范工程較少，更沒有規模化應用，只有少量幾家小容量用戶。與國外相比，國內廠家的固體電蓄熱系統在電壓等級、單體功率、大容量規模化、熱能輸出方式等方面都具有絕對優勢。