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《储能科学与技术》推荐|金翼等：电热相变储能系统的动态储热性能评价

时间：2023-12-17 来源： 浏览：

《储能科学与技术》推荐|金翼等：电热相变储能系统的动态储热性能评价

原创 贾亦轩 姜金玉等 储能科学与技术
储能科学与技术

esst2012

中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿

作者： 贾亦轩   1   姜金玉   1 张叶龙   1 宋鹏飞   1 徐桂芝   2 张高群   2 金翼   1  

单位： 1.  江苏金合能源科技有限公司；  2.  北京智慧能源研究院

引用：   贾亦轩 , 姜金玉 , 张叶龙 , 等 . 电热相变储能系统的动态储热性能评价 [J]. 储能科学与技术 , 2023, 12(12): 3670-3677.

DOI ： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0676

摘 要   本工作以Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 /MgO为储热介质，采用模块化集成思路建立了加热功率100 kW的电热相变储能系统。采用物理方法制备复合储热材料，借助扫描电子显微镜技术(SEM)和差示扫描量热法(DSC)等表征测试手段分析了复合储热材料的组分分布与储热特性。基于储热和放热过程的时间-温度测试曲线引入储热/放热进度函数，并通过研究系统不同位置储热模块的进度函数曲线变化趋势，阐明了系统的动态储热/放热过程。研究发现，储热过程中热风热量的传递是从储热模块中心向顶部聚集，再逐渐向四周扩散；而放热过程中冷风吸热是沿风道方向从前部模块的中心，依次向前部模块、中部模块与后部模块的表面进行。中部与后部储热模块内的热量从中心向底部、侧部和顶部等表面区域传递后向四周扩散。对基于复合相变材料和镁铁氧化物的储热系统的进度函数变化进行了比较分析，发现以复合相变材料作为储热介质时系统具有更快的储热和放热进程。系统的供热水温度设定为70～80 ℃，复合相变储热系统的稳定供热时间为1100 min，比镁铁氧化物储热系统提高了37.5%。本项工作有助于推动相变储热技术在供热系统中的应用，为研究电热相变储能系统中的动态换热过程提供参考依据。
关键词   储能系统；相变储热；电加热；动态储热过程
当前我国热能供应方式主要以消耗化石能源的燃煤锅炉为主，然而大量化石燃料的燃烧不仅产生过多的二氧化碳等温室气体，导致全球气候变暖；同时其排放的化学污染物和粉尘进一步造成了大气污染。因此，近年来国家大力倡导采用可再生能源逐步替代化石能源。然而可再生能源如太阳能和风能等存在间歇性和不稳定性，无法满足用户对能源的稳定可控需求，从而限制了其大规模利用。储能技术是连接能源供需两侧的桥梁和纽带，可以实现能源的“断点续传”，有助于消纳弃光弃风，助力提高可再生能源应用比例，同时也可以提高能源系统的可靠性、灵活性，有利于工业过程降耗提效。热能是整个能源链的核心，全球能源预算的90%都围绕着热量的转换、传输和储存。因此，作为储能技术中的一个重要方向，储热技术在近年来得到了快速发展。储热技术依据储热原理差异可分为显热储热、潜热(相变)储热和热化学储热。其中相变储热技术具有较高的储热密度、较低的储热成本且已具备商业化应用的条件，有望在大规模清洁能源供热领域得到广泛应用。
电热储能系统，也称固体蓄热电锅炉或蓄热式电锅炉，其主要原理为把电能转换为热能存储于储热介质内，在需要时通过热交换对外供热。为了提高系统的经济性和减小占地面积，其储热介质的最高储热温度一般为400～800 ℃。近年来随着新能源电力占比的逐步增加，电热储能系统在清洁供热领域得到了快速发展，并对清洁能源消纳和电网调峰等作出了巨大贡献。尹浩等提出了基于高密度复合相变储热材料电热锅炉的分时配比供热系统，结合冬季供热的负荷系数随室外环境温度的变化规律，提出了分时配比供热系统的优化原则。结合城市供热的示范工程，研究发现分时配比供热系统与全蓄热式供热系统相比初始投资节省33%，与传统直热式电锅炉相比运行费用节省46%。刘圣冠等针对不同蓄热介质的蓄热式电锅炉的供热进行了比较分析，并通过实际工程应用证明了蓄热式电锅炉供热技术具有良好的经济效益和风电消纳潜力。吴佳睿等设计了一种高温相变蓄热电锅炉以代替市政热水的应急系统。经过理论计算与实验测试，该系统热水产量为100 t/d，不仅可承受用水高峰时段带来的压力，而且相比利用市政蒸汽加热生活用水的方式具有明显成本优势。
本工作采用模块化集成思路搭建加热功率100 kW的电热相变储能系统，并基于储热和放热过程的时间-温度测试曲线，引入储热/放热进度函数以评价系统的动态储/放热性能。通过研究系统不同位置储热模块的进度函数曲线变化趋势以阐明系统的动态储热/放热过程。同时，对基于复合相变材料和镁铁氧化物的储热系统的进度函数变化进行比较分析并通过供热实验进行验证，为电热相变储能系统在大规模清洁供暖领域的应用建立基础。

1 系统设计与动态储热性能评价

1.1　储热材料制备和表征

电热相变储能系统内的储热介质为复合相变材料。复合相变材料由Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 和氧化镁组成，首先，按照一定比例称量150 ℃充分干燥后的Na 2 CO 3 与K 2 CO 3 球磨30 min，随后将特定质量比的氧化镁加入球磨罐后继续球磨，直至复合材料为颜色均一的粉末；然后，再向复合相变材料粉末中加入少量去离子水进行捏合造粒；最后，复合物在25 MPa的压力下成型后，于窑炉中以5 ℃/min的升温速率升至750 ℃并恒温3 h，再自然冷却至室温，得到复合相变砖(图1)。

图1     复合相变储热砖的制备工艺
复合相变砖的微观形貌采用日本HITACHI公司的S4800扫描电子显微镜(SEM)进行成像。图2为复合相变砖的SEM图。SEM图表明复合相变砖表面存在部分缺陷，这是由于储热砖成型的脱模过程导致的。分别以Na、K和Mg作为Na 2 CO 3 、K 2 CO 3 和MgO的特征元素得到元素分布图，可以看出本制备工艺条件下复合材料内各组分分布较为均匀。复合相变砖的相变温度、潜热等参数通过法国Setaram公司的DSC131 evo差示扫描量热仪(DSC)进行测定。图3为复合盐Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 和复合相变砖的DSC测试结果。可以看出，复合盐与MgO复合后，相变温度变化较小，而潜热明显下降，复合相变砖的相变温度为702 ℃，潜热为102.4 J/g。为了比较不同蓄热介质对系统动态储热性能的影响，本研究选择了镁铁氧化物储热砖作为系统的另一种储热介质。两种储热砖的性能参数见表1。

图2     复合相变材料的 SEM 测试结果

图3     复合相变储热砖与 Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 复合材料的 DSC 曲线

表1   储热材料的性能参数

1.2　系统设计

电热相变储能系统的组成包括电加热器、储热模块、循环风机、换热器、水泵和冷却塔(模拟热用户)，系统流程图如图4所示。主要运行原理为：低谷电时段，系统内的电加热器利用低谷电将电能转换为热能，以空气作为传热介质，变频风机将电加热器转换的热量存储于储热模块内的复合相变材料中，同时部分循环空气被电加热器加热后流经换热器实现向供热管网的热力输送。用电高峰时段，关闭电加热模块，利用经循环风机增压的空气将复合相变材料内的热量释放，在换热器处将循环水加热以持续满足供热需求。

图4     电热相变储能系统流程图
本研究中，基于流程图搭建了加热功率100 kW的电热相变储能示范系统，见图5。其中，系统中电加热器与储热模块之间采用分离式布置，热用户则通过冷却塔进行模拟，相关设计参数见表2。系统采用380 V电压供电，电加热器表面最大温升830 ℃，最大储热容量1 MWh；系统以循环水的形式输出热能，水系统管径为DN25，流量为0.85 m 3 /h，流速为0.5 m/s，热水换热器输出功率30 kW，供热水温度为70～80 ℃，回水温度为40～50 ℃，供热循环水温差30 ℃；储热箱体尺寸：3620 mm×1280 mm×1380 mm，采用内保温结构，材质为岩棉(厚度150 mm)，散热量低于3%；循环风机采用变频控制，频率调节范围5～50 Hz，功率4 kW，最大风量1800 m 3 /h，最大风压3.5 kPa。

图5     电热相变储能系统实物图

表2   电热相变储能系统的设计参数

储热箱体内储热模块由相互交错搭接的储热砖组成，按照空气流向划分为前部、中部和后部储热体。对于每个储热体，在其横截面侧的不同位置的储热砖内设置了温度测点，分别为侧部(A)、顶部(B)、中心(C)和底部(D)测点，如图6所示，所有测点之间的直线距离均为345 mm。在系统运行过程中，通过测量各储热体不同位置的温度变化，测量储热模块不同位置的储/放热进程。

图6     储热模块截面温度测点分布

A：侧部；B：顶部；C：中心；D: 底部

1.3　动态储热性能评价

为了确定复合相变储热砖的相变温度区间，进行系统动态储放热实验前，本工作首先对复合相变储热砖进行静态加热升温与自然冷却降温实验，使用高温马弗炉将复合相变储热砖加热至800 ℃并保温一段时间，之后关闭马弗炉使其在炉内自然冷却降温，加热与降温曲线如图7所示。复合相变储热砖在升温过程和降温过程中都能在700 ℃附近观察到明显的相变等温过程，熔化的起始温度为684 ℃，终止温度为711 ℃，复合相变储热砖的储热过程包括显热储热和潜热储热两个部分，在加热过程中储存大量热量。

图7     复合相变储热砖的加热与降温曲线
对于储能系统的储热与放热特性评估一般方法是建立温度-时间曲线进行对比，通过曲线可以直观显示系统储热或放热的进程。然而对于温度和时间起止点并不相同的储放热过程，仅通过时间-温度曲线难以比较其动态储热/放热性能的优劣。因此在本项研究中，引入了进度函数 Q 以评价系统的动态储/放热性能，见式(1)～(4)。进度函数定义为在一个储/放热时间周期内，当前温度和终止温度的温差与过程起止温差之间的比值，反映了系统的实际储/放热进程。图8为典型的进度函数-时间函数( Q - t )曲线图。图中表明，储热和放热进程函数的数值区间为[0，1]，初始值为1，随着储热和放热过程的进行而下降至0。根据函数定义可得，储热或放热进程函数数值越小，储热或放热过程的进程越快，动态储热或放热性能越好。

图8     典型的进度函数 - 时间函数 ( Q - t ) 曲线
(1)
(2)
(3)
(4)
式中， Q s 和 Q e 分别为储热或放热过程的进度函数，数值区间为[0，1]； T 、 T max 、 T min 分别为储/放热过程的瞬时温度、最高温度和最低温度； t 、Δ t s 、Δ t e 分别表示储/放热过程时间、总储热时间和总放热时间； t s 和 t e 分别为储热和放热过程的时间函数，数值区间为[0，1]。

2 结果与讨论

2.1　储热模块的动态储(放)热性能研究

在循环风机的驱动下，热风从电加热器侧经储热模块向换热器侧流动，其热量依次被前部、中部和后部的储热体吸收，在不同储热体中形成了温度梯度，这导致了其储/放热进程的差异。图9为储热模块储热过程的进度函数曲线。由图可知，在一个储热时间周期内，前部、中部和后部储热体的储热进程并不一致。前部储热体中心位置的储热材料具有更快的储热进程，而其顶部、底部和侧面储热材料的储热进程相对较慢；对于中部和后部储热体，与前部储热体相比，顶部储热材料的储热进程变化较小，而其他位置储热材料的储热进程逐渐变慢并趋于一致。由此可以推测，热风的热量在储热初始阶段主要在储热模块中心部位进行传递，随着传热时间的延长先向顶部聚集，再逐渐向四周扩散。

图9     储热模块储热过程的进度函数变化
图10为储热模块放热过程的进度函数曲线。在一个放热时间周期内，前部储热体中心位置的储热材料具有更快的放热进程，底部、侧面和顶部储热材料的放热进程依次下降；随着放热过程的进行，与前部储热体相比，中部和后部储热体所有位置的放热进程均变慢；其中中部储热体底部的放热进程快于其他位置，储热体侧部、中心和顶部的放热进程减缓明显并逐渐趋于一致；对于后部储热体，底部放热进程较快，而顶部呈现放热进程先增快后减缓的趋势，侧部和中心的放热进程相对较慢最终趋于一致。由此可以推测，对于前部储热模块，放热过程中冷风吸热的过程是从储热模块中心向底部聚集，随传热时间的延长，再缓慢向四周进行吸热。对于中部和后部储热模块，由于风道被前部模块遮挡，冷风从模块四周进行吸热，模块内部的热量由中心向四周传递。

图10     储热模块放热过程的进度函数变化
在一个放热时间周期内，前部中心位置的复合相变砖具有更快的放热进程，而底部、侧面和顶部储热材料的放热进程依次减慢；随着放热过程的持续进行，与前部储热体相比，中部和后部所有位置的复合相变砖的放热进程均变慢；其中底部位置复合相变砖的放热进程快于其他位置，其他位置的复合相变砖的放热进程减缓明显并逐渐趋于一致。由此可以推测，三个储热模块从前到后依次进行放热，而储热模块内的热量先从中心依次向底部、侧部和顶部传递，再随热空气带入换热器中。

2.2　储热材料对系统动态储(放)热性能的影响

图11为分别基于复合相变材料和镁铁氧化物两种储热介质的系统储热模块的进度函数曲线。实验中选择储热模块中部储热体的中心部位进行温度测量，并通过式(1)～(4)转换为进度函数。由图可知，基于复合相变材料的储热体具有更快的储热和放热进程，表明复合相变材料的动态储/放热性能优于镁铁氧化物。

图11     不同储热材料对系统储 ( 放 ) 热进度函数的影响
在相同系统操作条件下，采用镁铁氧化物和复合相变材料分别作为储热介质进行供热实验，为了充分利用储热介质的相变潜热与显热，将蓄热介质的最高加热温度设置为800 ℃，设定供热水温度为70～80 ℃，循环水温差为30 ℃，两种材料的质量均为3 t。镁铁氧化物与复合相变材料的总储热量分别参考公式(5)、(6)进行计算。
(5)
(6)
其中， Q oxide 与 Q PCM 分别为镁铁砖氧化物与复合相变材料的总储热量； m oxide 与 m PCM 分别为镁铁砖氧化物与复合相变材料的质量，均为3 t； C p ,oxide 、 C p ,s 与 C p ,l 分别为镁铁砖氧化物的固态比热容、复合相变材料的固态比热容与液态比热容； T max 、 T min 、 T PCM,initial 与 T PCM,termination 分别为储热介质的最高温度、最低温度、复合相变材料的相变起始温度与相变终止温度；Δ H 为复合相变材料的相变潜热。以此计算，当储热介质加热至800 ℃时，相比于镁铁砖氧化物，复合相变材料的总储热量提高31.8%。
如图12所示，研究发现当镁铁氧化物作为储热介质时，供暖循环水温差迅速达到设定值，但起始阶段有较大波动，稳定供热800 min后供热能力下降。当复合相变材料作为储热介质时，供热循环水温差缓慢达到设定值且无较大波动，稳定供热时间达到1100 min，比以镁铁氧化物作为储热介质时提高37.5%，与总储热量提高值接近，表明与镁铁氧化物储热系统相比，以复合相变材料作为储热介质的电热储能系统具有更好的供热性能。

图12     基于不同储热材料的电热储能系统的供热能力比较
热效率是储能系统储热、放热效果评价的重要参数，储能系统的热效率参考公式(7)～(9)进行计算。
(7)
(8)
(9)
式中， η 为系统的热效率； Q l 与 Q h 分别为供热系统输出热水的放热量与系统蓄热过程电加热装置的用电量； C p ,water 为水的比热容； m water 为输出热水的质量；Δ T water 为供热循环水的加热温差； t out 与 t in 分别为系统稳定供热水时间与系统的蓄热时间； P 为电加热装置的加热功率。以此计算使用复合相变材料与使用镁铁砖作为蓄热介质的系统热效率分别为94.84%与93.31%，说明更换蓄热介质对于系统自身的热效率几乎没有影响。

3 结论

本工作通过模块化集成思路建立了加热功率100 kW的电热相变储能系统。基于储热和放热过程的时间-温度测试曲线引入了储热/放热进度函数以评价系统的动态储/放热性能，并对基于复合相变材料和镁铁氧化物的储热系统的进度函数变化进行了比较分析，得出以下结论：
（1）基于储热模块不同位置的进度函数曲线分析得到了储热和放热过程路径，即储热过程中热风热量的传递是从储热模块中心向顶部聚集，再逐渐向四周扩散；而放热过程中冷风吸热是沿风道方向从前部模块的中心，依次向前部模块、中部模块与后部模块的表面进行。中部与后部储热模块内的热量从中心向底部、侧部和顶部等表面区域传递后向四周扩散。
（2）基于储热模块中部储热体的中心位置的进度函数计算结果，初步表明复合相变储热系统比镁铁氧化物储热系统具有更快的储热和放热进程；此外系统供热实验表明，复合相变储热系统的稳定供热时间达到1100 min，与镁铁氧化物储热系统相比提高了37.5%，但蓄热介质改变对系统自身的热效率没有影响。

第一作者： 贾亦轩(2000—)，男，中级工程师，研究方向为储热材料开发及储热技术应用研究，E-mail：yixuan.jia@jinhe-energy.com；

通讯作者： 金翼，正高级工程师，研究方向为储热技术开发及液化空气储能技术研究，E-mail：yi.jin@jinhe-energy.com。

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