采用储能供热技术的运行分析
采用储能供热技术的运行分析
吴文辉 天津市供热工程建设公司 300042
【文章摘要】
储能供热技术是电网消纳富余风电、实现移峰填谷的有效手段之一。储能供热系统利用电网低谷时段的富余电力对储能供热模块进行加热储能，在系统需要热能时将其释放，
从而实现能源的储存利用。本文结合对山西北部、内蒙古地区、河北局部等地一些储能供热示范项目的储能供热系统为例，对储能供热设备的性能及综合效率进行分析。结果表明，
储能供热模块的综合热转换效率为91.4%，供热水效果和供暖效果良好。
【关键词】
储能供热技术；储能供热模块；综合热转换效率
风电已成为电网的主力电源之一。根据国家能源局的规划方案，至 2020 年，中国风电建设规模将超过 10GW。为了消纳大量的风电发电能量，可以采用移峰填谷的方法，在夜间风力发电盈余时利用储能设备将能量储存，在白天用能高峰时将储存的能量释放利用。但是，由于目前蓄电池蓄电成本高、寿命短，很难大规模推广应用，比较可行的方法是将电能转换为热能进行存储使用。本文通过对一些储能供热示范项目的储能供热设备性能以及综合效率进行分析研究，旨在全面了解储能供热技术的使用条件及性能参数，为该技术的进一步推广应用提供参考。
1 储能供热模块的种类
电热储能供热模块是集加热、储能、热交换及电控技术于一体的高科技产品， 它采用水电分离技术、自动控制技术和储能保温技术，将夜晚（或白天某时段）电网低谷时期的电能转换为热能储存起来，通过交换装置全天24 h 连续释放热量，是一种环保、高效的新型储能供热技术。
目前，国内外设计生产的储能式供热模块主要有以下几种：
（1） 常压水箱分体式储能供热模块。它的储热介质为常压水，储能容量由储水箱的容积决定。由于常压水的能量密度较小，大容量储能需要较大体积的水箱，因此造成系统占地面较大，而系统热效率较低，一般仅为80% ～ 85%。
（2） 带压水箱式储能供热模块。它的储能介质为带压水，水压一般为0.4 MPa， 热容量为348.6kJ/L，所需水箱体积仍较大。由于采用带压水箱，系统的结构较复杂，安全性较差。
（3） 以氧化铁基固体为储热材料的供热模块。氧化铁基固体的热容量较大，成本也较低，但强度很差，使用寿命较短。
（4） 以固液相变材料为储热材料的储能供热装置。其原理是利用“固→液”变化释放热能的原理来实现热能的存储和释放。与水介质相比其能量密度较大，但材料的价格昂贵，且长期性能不稳定，有些材料还有较强的腐蚀性。
2 储能供热原理及系统主要特点
2.1 系统构成及原理
储能供热系统主要是利用储能供热机实现电能与热能的转化和释放。储能供热机主要由高密
度蓄热合金模块、加热管、高效内螺纹紫铜管换热器、变频调速循环风机等设备组成。
储能供热机加热管利用夜晚电网波谷期的电能对高密度蓄热合金模块进行加热，其外层高密度绝热层可将储能供热机24 h 的热损失率控制在4% 以内。在系统需要释放热量时，变频调速循环风机启动，循环风道内的高温气体开始对流，
然后被循环送至机器下方的换热器内，对交换器内的冷水进行加热。储能供热机通过调整风机的风速和散热器内的水流量调节来热水的温度。与传统储能加热装置70%~80% 的热效率相比，储能供热系统采用新型储能材料和绝热技术，大大提高了蓄能和热交换效率，使储能供热机的综合效率达到90% 以上。
2.2 系统主要特点
本项目采用的储能供热技术主要有以下特点：
（1） 灵活设置储能时间段，提高电网利用率。将夜间（或白天某时段）电网波谷期的电能转化为热能存储起来，用其生产所需的热水、蒸汽和热风，为城市供热提供了热源补充，同时实现了电网的“移峰填谷”，提高了电网消纳清洁能源的能力。
（2）作为储能材料的高密度合金材料，具有热传导性能好、无毒无害，长期性能稳定，热容量高、储热能力强等特点；而且高密度合金储能介质占地仅为常压水箱式储能供热装置体积的1/17，为带压水箱式储能供热装置体积的1/6。
（3）采用先进的水电分离和流体换热技术，既保证了设备的安全可靠，又实现了设备在使用过程中的灵活多变。这种新的储能设备可生产85 ℃以下的常压热水、100 ～
180 ℃的高压蒸汽、100 ～ 300 ℃ 的常压热风。
（4）采用全自动控制和后台集中控制的方式，实现设备运行无人值守，从而降低了运行成本。而后台集中控制方式，可快速实现对电网的有功支撑，增加电网运行的稳定性
3 项目工程简述
本项目选取多个试验点，山西北部、内蒙古地区、河北局部的酒店等，试验选取了不同负荷形式（包括供暖和热水负荷）对储能供热模块性能进行全面分析。该储能供热示范项目的储能供热系统经过连续运行试验，系统运行平稳。运行数据和分析结果显示，储能供热模块的综合热转换效率平均为91.4%，供热水效果和供暖效果良好。储能供热模块的加热时间段可以灵活设定，从而能够利用峰谷或分时电价引导储能供热负荷的投退，移峰填谷。在风电集中开发地区大规模应用储能供热系统，可以有效降低电网风电的旋转备用容量，增强电网调频、调峰能力，减轻风电的间歇性对电网的影响，降低发电成本，为风电场参与发电竞价奠定了基础，同时也提高了电网运行的安全性及稳定性，但是受电价政策和城市配电网结构等因素的影响，在储能供热设备的推广和应用中还需要注意如下问题，并提出相应建议。
（1）目前一些地区没有峰谷电价政策，储能供热模块运行成本较高，因此需加快研究制定峰谷（分时）等电价政策，以便于储能供热技术的推广应用，减少电网负荷的峰谷差，提高电网对风电的消纳能力，同时可有效减少化石能源消耗，提高城市空气质量。
（2）储能供热模块为大功率用电设备，目前城市配电网不足以支撑大规模储能供热设备的使用。在城市中心建设大规模储能供热系统时，需同步考虑对城市配电网的升级改造及其投资成本。建议在风力发电厂、偏远变电站、新规划园区等电源集中、配电网易于建设及改造或供热条件困难的场所优先推广应用储能供热系统。
（3） 建议开展由调度部门统一管理的集中控制储能供热系统研究。系统通过远程计算机监控系统集中统一管理，将分散无序的负荷组合为稳定的、统一有序的超大规模负荷；根据风电装机容量和发电特性，合理配置负荷的建设规模和系统参数，最终实现风能和热能的有效响应。
（4） 建议开展利用供热管网和储热式电采暖的储能特性的研究，以激励供热公司与电网公司合作，从而提升风电利用率和供热效率。
【参考文献】
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