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国内外相变蓄热技术发展简介

目前我国热/冷能能耗约占全社会能源消耗的40%左右,接近全国电力消费的总额,因而储热技术的发展空间十分巨大且应用广泛,不仅可以通过将谷电以热能形式存储的方式有效提升可再生能源的消纳率,平抑负荷侧波动,还可以推动电能替代,缓解大气污染。在多种储能技术中,相变储热技术的发展前景被广泛看好,这里将为大家展开详细的介绍。
   储热技术基本概况
   首先,先简要介绍一下储热技术的一些基本概况。
   储能技术大体上可以分为三类:显热储热,化学储热和潜热储热(即相变储热)。
   显热储热:储能密度低、体积大、温度输出波动大、成本低、装置结构简单、技术成熟,已有镁砖、混凝土等固体储热的商业化产品。
   化学储热:储能密度高、储能周期长,但稳定性差、具有一定危险性,尚处于实验室研究阶段,无工程示范应用。
   潜热储热(相变储热):储能密度高、体积小、温度输出平稳,但循环寿命有待提升,已经进入商业化应用阶段。
   在储热规模、周期和成本方面,显热储热技术的储能规模约0.001~10MW,储能周期约数小时~数天,成本约0.8~79元/(KW·h);相变储能技术的储能规模约0.001~1MW,储能周期约数小时~数周,成本约79~390元/(KW·h);热化学储能技术的储能规模约0.01~1MW,储能周期约数天~数月,成本约63~780元/(KW·h)。显热储热技术具有明显的成本优势,热化学储能技术的储能周期较突出。
   在储能密度方面,热化学储热技术要远远超过显热储热技术,相变储热技术常位于两者之间(特定的温度使用范围内)。但值得我们注意的是,显热储热技术和相变储热技术的储能密度已得到大量的商业化验证,而热化学储热技术多停留在理论测算或者实验室阶段,还需要经过商业化进一步验证。
   储热体系的优劣主要取决于化学变化的过程,优质的储热体系需具备的条件如下:反应焓值高、储热密度大、工艺条件温和、反应速率快、储放效率高、反应参与物性质稳定和价廉易得、规模化生产设备要求低。
   常用储热材料有水、导热油及熔融盐(显热)等液态材料,还有镁砖、混凝土及复合相变等固体材料,由于固体材料具有工作温度范围宽、储热密度大、无需封装等优势,因而是是目前储热领域研究及应用的热点。在固体储热技术中,相变储热由于其储热密度大、温度输出平稳、装置紧凑且易于规模化的特点,成为了储热领域的佼佼者。
   相变储能技术
   什么是相变储能
   相变储能是热储能的一种利用相变材料(Phase Change Material, PCM)储热特性, 来储存或者是释放其中的热量,从而达到一定的调节和控制该相变材料周围环境的温度, 以此改变能量使用的时空分布, 提高能源的使用效率。
相变储能的技术原理简介
相变储能利用的是材料在从一种物态到另外一种转换过程中热力学状态(焓)的变化。比如冰在融化为水的过程中要从周围环境吸收大量的热量,而在重新凝固时又要放出大量的热量。这种吸热/放热的过程中,材料温度不变,即在很小的温度变化范围能带来大量的能量转换,是相变储能的主要特点。下图以固液相变转化储能为例:
 
图:固液相变转化储能
 
 
   相变材料需要满足一些特定的要求,比如说:
(1)化学性能方面:在反复的相变过程中化学性能稳定,可多次循环利用,对环境友好,无毒,安全。
(2)物理性能方面:材料发生相变时的体积变化小,容易储存;放热过程温度变化稳定。
(3)经济性方面:材料的价格比较便宜,并且较容易制备。常见的相变状态中,固-气相变和液-气相变在过程中有气体产生,自身体积变化较大,因此较少被应用,固-固相变类型本身较少,固-液相变成为了应用中的主流。
典型的相变材料
   水是我们最常见的相变材料,在0℃水凝结成冰时释放的热量就大致等于将水从0℃加热到80摄氏度释放的热量。这是因为材料在相变时的焓变(334KJ/Kg)比起温度变化时的焓变(4.19 KJ/Kg) 高了很多倍,这也成为相变材料的一个明显优势——能量密度高而且体积小。
   常见的无机盐类相变材料包括溶解盐类和结晶水合盐类。比如铝硅盐类的融化温度在577℃,远高于冰-水作为相变储能的工作温度,一般应用于高温领域。此外,无机盐类的相变潜热也更大,如铝硅盐类的能够达到560KJ/kg。
   石蜡作为相变材料时,工作温度在水与无机盐类之间,一般为40℃到70℃之间,适合于常温工况,相变时潜热在200-240KJ/Kg之间。石蜡作为相变储能材料,与无机盐类比不存在过冷及析出现象、无毒性和腐蚀性,成本低。缺点是导热系数小,密度小,单位体积储热能力差。
   目前相变材料的研究中,正在结合无机盐类和石蜡为代表的有机小分子类材料的优势,制成复合相变材料,如在石蜡中添加高热导率材料如铝、铜、石墨等,改善热物特性,提高储热能力。
   相变储能的发展历史与成熟度
   对于相变材料的研究开始于上世纪50年代,Maria Telkes博士观察到了硼砂相变吸热降温的效果,并研究了其相变循环次数。60年代美国NASA展开了相变材料应用研究,以控制温度对航天器内宇航员与仪器的影响。之后美国科学实验室将其应用于建筑领域,将十水硫酸钠共熔混合物做为相变芯材,组成太阳能建筑板,并进行试验性应用,取得了较好的效果。90年代以来,相变储能材料作为冷却剂或者活化剂,也被用于光热、核能系统中的换热器里。近几年,相变储能的研究热点在探索复合相变材料,以及结合纳米技术的包装应用等领域。
   相变储能材料的应用
   建筑领域
   在建筑领域相变储能材料常用于大容量储冷储热,一般与供热系统或建筑材料结合,可成为建筑组成中的一部分,如内墙、楼板等,也可在冷热源处配置,如冰蓄冷设备。近年来较为火热的“被动式房屋”中,相变储能材料就得到了很好的应用,与采暖通风系统结合。由于舒适性的需要,需选择工作温度在21℃至26℃之间的复合相变材料。和冰蓄冷系统相比,在建材中结合的相变储能材料不需要复杂的控制系统,吸热和放热都是被动过程,由材料物性决定。下图为德国达姆施塔特大学的实验住宅,使用了巴斯夫制作的PCM石灰板为吊顶。
图:德国达姆施塔特大学的实验住宅
 
 
电力调峰功能分析
   在需求侧领域,相变储能也能通过储存建筑热能以达到降低电力峰值需求的目的。电力生产过程的连续性,要求发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成,因此发电、供电、用电之间必须随时保持平衡,而且电力系统必须有一定的发电备用容量。电力需求在白天和黑夜、不同季节间存在巨大的峰谷差,从建设成本、资源保护的角度出发,通过新增发输配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难。而且,可再生和分布式能源越来越多的应用使得分散的储能系统的重要性日益增加。储能可以有效地实现需求侧管理,发挥削峰填谷的作用,消除昼夜峰谷差,改善电力系统的日负荷率,使发电设备的利用率大大提高,从而提高电网整体的运行效率,降低供电成本。
   改善电网特性、满足可再生能源需要
   储能装置具有转换效率高且动作快速的特点,能够与系统独立进行有功、无功的交换。将储能设备与先进的电能转换和控制技术相结合,可以实现对电网的快速控制,改善电网的静态和动态特性,在平抑、稳定风能发电或光伏发电的输出功率和提升新能源的利用价值方面具有重要作用。根据现行的风电场并网标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》,风电场有功功率变化应满足电网调度部门的要求。通过高效储能装置及其配套设备,与风电/光伏发电机组容量相匹配,支持充放电状态的迅速切换,确保并网系统安全稳定,满足可再生能源系统的需要。
 
图:德国被动房主要技术措施
   除此之外,在汽车领域,相变材料也有用武之地。发动机的废热被储存后,可以在冷启动的时候重新使用。对于电动汽车,相变储能材料主要是石墨烯/石墨复合材料,或泡沫金属(铜,镍或铝)/石墨复合材料,能够保证电池的工作温度恒定在一个合适的范围,并保证电池温度的一致性,防止电池过热以保证安全,同时也能够避免冬天气温降低带来的续航里程缩短。
   国内相关政策支持
   战略期:电力辅助服务新政与储能未来十年目标
   2017年《关于促进储能技术与产业发展的指导意见(征求意见稿)》首次明确储能战略定位,储能产业迎来战略期。
   国家出台的关于产业落实指导意见如下:
   2017年2月《2017年能源工作指导意见》发布,要求积极推进储能项目工程建设。
   2017年3月《关于促进储能技术与产业发展的指导意见(征求意见稿)》印发,首次明确储能战略定位。
   2017年10月《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》发布,为储能产业从短期到中长期的发展书写了储能产业未来十年的发展目标。
   
  其次,储能参与电力辅助服务新政在战略期密集出台,能参与电力辅助服务的领域越发宽阔,储能的灵活性也得以体现。储能在电力需求侧响应相关的政策也层出不穷。
   总结而言,储能市场在国家政策上的响应遵循以下三点:
   1、鼓励性和认可性政策让资本加强信心对储能产业的投入,但是标准建设不完善,资本一哄而上,造成产能过剩,将原本是解决环境问题的方案,带来新的环境问题;
   2、近期多项有关储能的政策接连出台,广泛的应用推广并没有普遍出现,储能行业期盼更多可操作性政策措施能够推出,明确储能实体在电网中的角色,明确储能电力的商业属性及价值界定规则。
   3、储能投资方并不能有效了解电网对储能的需求,而且基本上没有了解的途径。电网需要系统化设计、规划并指导全社会储能的投资建设,使得储能系统投资建设更合理、更有效。
国内外应用案例与经济性分析
国外先进案例
   除了我国大力发展储能以外,作为能源转型主推手的欧盟同样也在储能上投入了大量的研究与商业模式分析,下面简单介绍几个以欧洲能源行业为主的储能应用场景:
 1、相变储能冰箱
   目前,德国的研究人员正在研究将相变存储作为电网中的可移动负载的冷却设备的经济和技术潜力。目的是证明与其他蓄电技术相比的可行性和优势,并确定其蓄电成本。在用户侧中,冰箱可以作为用电与制冷的最常见的大型设备。现在, 86-255升的相变介质被安置在冰箱中,家用冰箱使用电力来冷却食物。由于潜热存储装置的数量众多和使用,可以在电网中产生显着的,可移动的负载,而不会给用户带来任何舒适感。初步研究表明,与纯电相比,热能存储每千瓦时的存储成本要便宜。该项目已经进入了优化系统的阶段,获得德国联邦研究所的项目支持。
 
 
图:德国项目-相变储能冰箱
 
 
 
    2、DENSE:直接接触式相变储能
   瑞士卢塞恩应用科技大学基于直接接触式潜在存储概念(使用酯作为PCM)开发紧凑型高功率存储,目的是为了克服存储单元固有的低传热速率以及缺乏具有良好热物理性质。酯具有良好的热性能,并且由于其生物来源和可生物降解性,构成了未来储能系统的可持续解决方案。它们在热传递流体和PCM之间直接接触的存储系统中的实现可以大大增加热传递。在该项目中,将对直接接触式存储系统中的传热现象进行建模,并建立实验室规模的装置以表征系统的流动和循环行为。
国内外综合对比分析
 
 
总结
   未来,储热技术将向高效、低成本、长寿命、规模化方向发展,有望在可再生能源消纳、电网削峰填谷、用户冷热电汽联供等场合实现推广应用,构建以电为中心、冷-热-电-汽多能融合的综合能源互联网,实现电力网与热力网互联互通,相变储能技术将为这项大规模可再生能源消纳和综合能源服务提供重要技术支撑。
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