研究背景

我国近年来弃风限电的现象较为严重，2016年全国弃风电量已达到497亿千瓦时。此外为了解决目前空气污染和雾霾等问题，*和各地*纷纷出台政策，取缔小型燃煤锅炉，电能替代成为目前国内能源结构及城市供暖的主要方向。为了解决弃风电消纳及燃煤锅炉的替代问题，利用弃风电供热成为了未来发展的必然趋势。由于弃风具有间歇性、波动性的特点，很难保证风电供热的稳定性。而在弃风电供热技术中引入储热技术可将间歇性的弃风电以热的形式储存起来，实现热能的稳定输出，具有广阔的应用前景。

创新点及解决的问题

本文创新点在于首次以复合相变储热材料作为储热介质，采用模块化集成思路将电加热模块、储热模块、换热模块和控制模块进行系统集成，建立1 MW·h电热储能系统，与传统的以镁铁储热砖为储热介质的系统储热性能进行了对比。此外，通过研究相变储热体的温度分布情况，对系统进行放大优化，建立36 MW·h级的工业示范系统，分析对比了系统放大前后供暖运行情况，为系统改良和应用推广建立基础。

重点内容导读

1 MW·h电热储能系统的性能研究

1.1  系统设计原理及结构

图1  1 MW·h电热储能系统原理图

本系统设计和制造过程中电加热元件与储热体完全分体式布置，电加热功率为100 kW，换热器输出功率30 kW，总占地面积50 m2。

图2  1 MW·h电热储能系统控制平台

1.2  储热材料对系统储/放热性能的影响

分别使用复合相变储热材料（相变温度600 ℃，潜热126 J/g）和镁铁氧化物储热材料作为系统储热介质并制备成储热砖，性能参数如表1所示。

在系统内通过砖与砖的交错搭接集成为储热体，按照空气流向方向分为前列、中列和后列。由图3可知，在24 h周期内系统储热时间11.5 h。在相同的电加热功率下，复合相变储热体储热温度更高，有利于提高系统的储热性能。

图3  1 MW·h电热储能系统储热体的储/放热性能

1.3  储热体运行温度分布的研究

（a）前列储热砖

（b）中列储热砖

（c）后列储热砖

图4  1 MW·h电热储能系统复合相变储热体的温度分布

1.4  系统的供暖性能

图5  1 MW·h电热储能系统的供暖性能

2  36 MW·h电热储能系统的示范应用

2.1  示范应用概述

中广核*阿勒泰市风电清洁供暖示范项目为第三中学及周边后期新建住宅小区提供供暖热源，项目总供热面积为5万平方米，其中第三中学及周边后期新建住宅小区规划总面积3.2万平方米，新建建筑类型规划面积约为1.8万平方米。

2.2  系统优化设计

采用2台3 MW电热储能系统，采用电加热模块与储热体分体式交错布置，输出供热功率1500 kW，总用地面积1222.13 m2。

图6  36 MW·h电热储能系统结构图

图7  36 MW·h电热储能系统控制平台

2.3  系统储/放热过程与供暖性能的研究

图8  36 MW·h电热储能系统储热体的储/放热性能

图9  36 MW·h电热储能系统的供暖性能

结论

通过考察1 MW·h电热储能系统的储热和供暖性能，在100 kW电加热功率下复合相变储热体的储热性能优于镁铁砖储热体。热空气在三列储热体中进行传热过程中，热量被逐级吸收，初始阶段集中于储热体顶部，随传热时间的延长向两侧扩散。供暖实验表明，在30 kW热输出功率条件下，储热11.5 h可持续24 h放热过程。

依托中广核*阿勒泰市风电清洁供暖示范项目建立了36 MW·h电热储能系统，以复合相变储热材料为储热介质，在6 MW电加热功率，1500 kW热输出功率的条件下经过8 h储热过程，可满足3.2万平方米持续24 h的供暖需求。其与1 MW·h电热储能系统的供暖性能基本一致，而储热体温度分布更加均匀。