本發(fā)明涉及節(jié)能、儲(chǔ)能、電力和熱力調(diào)峰及熱能工程等技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于梯級(jí)儲(chǔ)熱用熱的低谷電和棄風(fēng)電利用裝置與技術(shù)，可應(yīng)用于規(guī)模性供熱與電力和熱力調(diào)峰，以及可再生能源利用等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，我國(guó)的電力工業(yè)發(fā)展迅速，然而隨著人們生活、工業(yè)和商業(yè)用電的快速增長(zhǎng)，我國(guó)用電高峰期電力供應(yīng)的緊張狀況仍然很嚴(yán)重，與之相應(yīng)的是大量的低谷電得不到有效利用。同時(shí)，我國(guó)近年來(lái)可再生能源工業(yè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了可再生電力上網(wǎng)的問(wèn)題，導(dǎo)致大量的棄風(fēng)、棄光和棄水等問(wèn)題。這些狀況加速了能源綜合利用技術(shù)的發(fā)展和不斷革新升級(jí)，其中儲(chǔ)熱技術(shù)的作用越來(lái)越重要，該技術(shù)的基本原理是在用電低谷時(shí)段或棄風(fēng)電期間，將多余(低價(jià))電轉(zhuǎn)換成熱的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，并在用電高峰期間或需要時(shí)釋放實(shí)現(xiàn)再利用，以此達(dá)到削峰填谷、降低運(yùn)營(yíng)成本和有效利用可再生能源的目的。
基于低谷電或棄風(fēng)電的制熱、儲(chǔ)熱和用熱的技術(shù)近年來(lái)已開(kāi)始有應(yīng)用；專利cn201320282194.x提供了一種電儲(chǔ)熱式熱風(fēng)爐，主要原理是將電能轉(zhuǎn)換成熱能存儲(chǔ)在含有儲(chǔ)熱材料的蓄熱體中，經(jīng)由空氣-空氣交換器加熱空氣進(jìn)行輸出，其中儲(chǔ)熱體包括電加熱式的儲(chǔ)-放熱結(jié)構(gòu)，空氣-空氣交換器由若干根與空氣分配器相連接的u形金屬翅片管構(gòu)成，此裝置適合上萬(wàn)伏電壓等級(jí)的電儲(chǔ)熱；專利cn201210159123.0提供了一種超高壓電熱儲(chǔ)能裝置，將儲(chǔ)熱體分成多個(gè)分體儲(chǔ)熱體進(jìn)行串連，解決了單一儲(chǔ)熱體端電壓過(guò)高的問(wèn)題，適于10kv以上各種電壓等級(jí)，但每個(gè)分體儲(chǔ)熱體內(nèi)電加熱絲引出線兩端電壓差小于儲(chǔ)熱體的最小擊穿電壓；專利cn20129252.3提供一種一體化相變蓄能用電供熱技術(shù)及裝置，通過(guò)電加熱管、導(dǎo)熱翅片和換熱盤(pán)管的傳熱完成相變儲(chǔ)熱材料的蓄熱、釋熱和供暖過(guò)程，導(dǎo)熱金屬翅片并行地垂直穿在加熱套管上，使得儲(chǔ)熱材料可以均勻受熱。以上所述的專利技術(shù)存在以下一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。問(wèn)題之一是采用顯熱儲(chǔ)熱機(jī)理，加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，在熱利用過(guò)程中，系統(tǒng)的熱輸出溫度隨時(shí)間不斷降低，造成即使使用復(fù)雜的控制技術(shù)也難穩(wěn)定供熱過(guò)程；問(wèn)題之二是高溫下材料的導(dǎo)電問(wèn)題，與一般的工業(yè)用電和生活用電不同，高壓電轉(zhuǎn)換成熱能時(shí)不僅要考慮材料的儲(chǔ)熱放熱速率要求和傳熱性能，還應(yīng)考慮材料的導(dǎo)電性，特別是材料在高溫下的導(dǎo)電性能會(huì)增加，例如對(duì)于廣泛應(yīng)用的mgo固體顯熱儲(chǔ)熱材料，高電壓下溫度高于約500℃時(shí)，會(huì)變 成導(dǎo)體，因而限制了系統(tǒng)的儲(chǔ)熱密度，并存在潛在的安全問(wèn)題；問(wèn)題之三是不能實(shí)現(xiàn)熱能的分級(jí)存儲(chǔ)和分級(jí)利用。以上這些問(wèn)題對(duì)儲(chǔ)熱材料的選擇、加熱電極布置和絕緣、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作溫度范圍和控制、儲(chǔ)熱系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面提出了挑戰(zhàn)性的要求。相變儲(chǔ)熱材料因其高的儲(chǔ)熱密度越來(lái)越受到關(guān)注，然而對(duì)于很多相變儲(chǔ)熱材料，尤其是無(wú)機(jī)鹽類材料在相變過(guò)程中也會(huì)導(dǎo)電，因此如上所述的很多專利技術(shù)中的加熱元件與儲(chǔ)熱材料直接接觸的方法在高溫和高電壓下不適用，限制了相變儲(chǔ)熱材料在高壓低谷電或棄風(fēng)電儲(chǔ)熱的應(yīng)用；因此需要發(fā)展新型低谷電/棄風(fēng)電制熱-儲(chǔ)熱-用熱技術(shù)，使其能夠在高壓電和高溫下安全穩(wěn)定地工作，滿足規(guī)模性電力和熱力調(diào)峰需求，以及可再生能源的高效利用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述的問(wèn)題，提供一種利用低谷電/棄風(fēng)電制熱-儲(chǔ)熱-用熱的裝置與技術(shù)，以解決目前高電壓高溫儲(chǔ)熱時(shí)材料導(dǎo)電、儲(chǔ)熱密度不高以及供熱不穩(wěn)定等問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)儲(chǔ)存和釋放，提高了熱能利用率，可用于大規(guī)模供熱和電力調(diào)峰以及可再生能源有效利用。
為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種基于梯級(jí)儲(chǔ)熱用熱的低谷電和棄風(fēng)電利用裝置與技術(shù)，包括循環(huán)控制單元、儲(chǔ)熱/釋熱單元和熱用戶單元；
所述循環(huán)控制單元包括循環(huán)風(fēng)機(jī)、電加熱室、電力控制單元、氣流通道和外墻保溫層；所述循環(huán)風(fēng)機(jī)包括風(fēng)機(jī)控制器，位于電加熱室上游的氣流通道內(nèi)，用于提供儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程中的循環(huán)用風(fēng)；所述風(fēng)機(jī)控制器與電力控制單元以及熱用戶單元相連，用于調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)速和風(fēng)溫；所述電加熱室位于循環(huán)風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)熱室之間的氣流通道內(nèi)，與電力控制單元相連，包含電加熱元件和熱電偶，用于將輸入的高壓低谷電/棄風(fēng)電轉(zhuǎn)換為熱能，并將所制熱能通過(guò)輻射以及循環(huán)空氣傳遞給儲(chǔ)熱材料；所述電加熱元件表面可以涂有抗氧化和輻射增強(qiáng)涂層用于提高加熱元件壽命和加強(qiáng)傳熱；所述電力控制單元位于系統(tǒng)外部，與電加熱室相連，用于電加熱元件的功率和溫度控制，使電加熱室在儲(chǔ)熱期間按要求安全穩(wěn)定的輸出熱能；所述氣流通道包括位于儲(chǔ)熱材料模塊之間的通道、電加熱室內(nèi)通道以及含有循環(huán)風(fēng)機(jī)和向熱用戶供熱的換熱器的通道，用于供熱和儲(chǔ)熱過(guò)程中氣流攜帶熱量流動(dòng)；儲(chǔ)熱過(guò)程中，部分低谷電/棄風(fēng)電所制的熱通過(guò)輻射傳熱傳遞給鄰近電加熱室側(cè)(位于儲(chǔ)熱材料層前部)的儲(chǔ)熱材料，另外的熱由循環(huán)風(fēng)攜帶通過(guò)儲(chǔ)熱材料模塊之間的氣流流道傳遞給儲(chǔ)熱材料，使儲(chǔ)熱材料的溫升從靠近電加熱室的儲(chǔ)熱材料前端開(kāi)始；通過(guò)氣流通道和多孔隔熱層分布的設(shè)計(jì)以及氣流速度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱材料出口的循環(huán)氣流溫度的調(diào)控；如果儲(chǔ)熱期間不供熱，則通過(guò)調(diào)控(如低風(fēng)速)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱材料床中陡的高溫前沿，保持儲(chǔ)熱材料床出口低的循環(huán)氣流溫度；如果儲(chǔ)熱期間同 時(shí)供熱，則通過(guò)調(diào)控(如中等風(fēng)速)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱材料中較為擴(kuò)散的高溫前沿，使儲(chǔ)熱材料床出口的循環(huán)氣流溫度滿足供熱需求；放熱過(guò)程中，停止電制熱，低溫循環(huán)風(fēng)經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓，從儲(chǔ)熱床前部流進(jìn)儲(chǔ)熱床中的氣流通道，并與儲(chǔ)熱材料換熱，使溫度不斷升高，加熱后的氣體從儲(chǔ)熱材料床出口流出，通過(guò)供熱系統(tǒng)換熱器，將熱量傳遞給熱用戶，此過(guò)程中氣流溫度降低并進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程；由于低溫氣體從儲(chǔ)熱床前部進(jìn)入，儲(chǔ)熱材料床的低溫前沿由上游至下游移動(dòng)，同時(shí)儲(chǔ)熱材料內(nèi)部流道錯(cuò)位排列、多孔絕熱隔板的使用以及風(fēng)速的調(diào)控可以得到較陡的低溫前沿，從而達(dá)到儲(chǔ)熱材料出口氣流溫度恒定的目的，實(shí)現(xiàn)熱的梯級(jí)使用和穩(wěn)定供熱過(guò)程；
所述儲(chǔ)熱/釋熱單元包括絕熱隔板、多孔輻射傳熱板、多孔隔熱層和儲(chǔ)熱層；所述絕熱隔板位于循環(huán)風(fēng)機(jī)所在的氣流通道與儲(chǔ)熱層之間，用于這部分氣流通道及其設(shè)備與儲(chǔ)熱層之間的隔熱；所述多孔輻射傳熱板介于電加熱室與儲(chǔ)/釋熱之間，位于儲(chǔ)熱/釋熱單元的氣流的入口處，所述多孔輻射傳熱板表面可含輻射涂層，用于增強(qiáng)輻射傳熱；所述多孔隔熱層除了用于均勻截面氣流分布，也將儲(chǔ)熱層分為若干儲(chǔ)熱分區(qū)，減少氣流流動(dòng)方向上儲(chǔ)熱層的導(dǎo)熱、維持儲(chǔ)熱層內(nèi)部穩(wěn)定的溫度前沿、實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)存儲(chǔ)和釋放；
所述熱用戶單元包括溫控儀、循環(huán)泵、熱用戶系統(tǒng)和熱交換器；所述溫控儀包括溫度和流量控制器，位于系統(tǒng)外部并與位于氣流通道內(nèi)的溫度傳感器以及熱用戶系統(tǒng)內(nèi)的溫度和流量傳感器相連，用于控制儲(chǔ)熱/釋熱單元的供熱溫度以及熱用戶系統(tǒng)的輸入溫度和流量；所述循環(huán)泵包括傳熱流體循環(huán)管道，與熱用戶系統(tǒng)及位于循環(huán)風(fēng)機(jī)上游氣流通道內(nèi)的熱交換器相連，為管道內(nèi)傳熱流體提供動(dòng)力，將傳熱流體所含熱量傳遞至熱用戶系統(tǒng)進(jìn)行使用；所述熱交換器位于循環(huán)風(fēng)機(jī)上游的氣流通道內(nèi)，與循環(huán)水泵相連，用于將氣流通道內(nèi)的熱風(fēng)的熱傳遞給循環(huán)管道的傳熱流體。
優(yōu)選的，所述電加熱室內(nèi)的加熱元件材質(zhì)為耐高溫、耐氧化和耐腐蝕合金或耐高溫陶瓷。
優(yōu)選的，所述電加熱室內(nèi)的電加熱元件帶有傳熱擴(kuò)展表面以強(qiáng)化傳熱。
優(yōu)選的，所述電加熱室內(nèi)設(shè)置氣流擋板以增加氣流停留時(shí)間，并強(qiáng)化傳熱。
優(yōu)選的，所述保溫層和絕熱隔板可以是單層或多層，其材質(zhì)為低導(dǎo)熱系數(shù)材料，包括泡沫塑料、炭化軟木、蛭石、泡沫玻璃、陶瓷纖維、輕質(zhì)保溫棉、微孔硅酸鈣、珍珠巖及玻璃棉。
優(yōu)選的，所述儲(chǔ)熱層的材料為有機(jī)或無(wú)機(jī)的顯熱儲(chǔ)熱材料、潛熱(相變)儲(chǔ)熱材料、復(fù)合結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱材料或它們之間的組合，儲(chǔ)熱材料的使用溫度范圍為0-1000℃。
優(yōu)選的，所述循環(huán)風(fēng)機(jī)為低功耗中高溫離心風(fēng)機(jī)。
本發(fā)明的有益效果為：使用高壓低谷電/棄風(fēng)電將循環(huán)空氣加熱至設(shè)計(jì)存儲(chǔ)溫度以上，通 過(guò)循環(huán)空氣從靠近電加熱室的儲(chǔ)熱分區(qū)起逐級(jí)加熱，儲(chǔ)熱層出口處設(shè)有溫控，在有效利用儲(chǔ)熱材料顯熱和潛熱進(jìn)行儲(chǔ)熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)充熱過(guò)程控制和保證循環(huán)風(fēng)機(jī)的正常工作；需要使用熱量時(shí)，關(guān)閉電加熱并使循環(huán)空氣進(jìn)入儲(chǔ)熱氣流通道，循環(huán)空氣被儲(chǔ)熱層加熱后，通過(guò)熱交換器與熱用戶單元內(nèi)的傳熱流體換熱實(shí)現(xiàn)熱能輸出，換熱后的低溫空氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后與儲(chǔ)熱層換熱，實(shí)現(xiàn)風(fēng)的循環(huán)；本發(fā)明將加熱元件和儲(chǔ)熱層分離，解決了目前高壓電制熱、儲(chǔ)熱和用熱技術(shù)中儲(chǔ)熱材料高溫導(dǎo)電的安全問(wèn)題，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；由于采取了儲(chǔ)熱區(qū)和供熱區(qū)分離，儲(chǔ)熱材料可以高溫運(yùn)行，并且可以使用復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，解決了目前傳統(tǒng)儲(chǔ)熱材料的低儲(chǔ)熱密度和系統(tǒng)體積與重量龐大的問(wèn)題；同時(shí)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)熱的梯級(jí)存儲(chǔ)及梯級(jí)利用，保證熱風(fēng)出口溫度的穩(wěn)定性，提高了熱能利用率，適合大規(guī)模推廣。
附圖說(shuō)明
圖1是為本發(fā)明具體實(shí)施方式提供的一種基于梯級(jí)儲(chǔ)熱用熱的低谷電和棄風(fēng)電利用裝置與技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：
1、循環(huán)風(fēng)機(jī)，2、電加熱室，3、電力控制單元，4、氣流通道，5、外墻保溫層，6、絕熱隔板，7、多孔輻射傳熱板，8、多孔隔熱層，9、儲(chǔ)熱層，10、溫控儀，11、循環(huán)泵，12、熱用戶系統(tǒng)，13、熱交換器。
具體實(shí)施方式
圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式提供的一種基于梯級(jí)儲(chǔ)熱用熱的低谷電和棄風(fēng)電利用裝置與技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明的具體實(shí)施方式為：低價(jià)谷電期間或棄風(fēng)電時(shí)段，開(kāi)啟循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)，開(kāi)啟并設(shè)定調(diào)節(jié)電力控制單元(3)，使電加熱室(2)內(nèi)的電加元件加熱流過(guò)其內(nèi)的循環(huán)空氣，熱循環(huán)空氣首先經(jīng)過(guò)多孔輻射板(7)均勻進(jìn)入儲(chǔ)熱層(9)的前端，再通過(guò)儲(chǔ)熱層(9)內(nèi)部的氣流通道(4)和多孔隔熱層(8)進(jìn)入儲(chǔ)熱層(9)中的各分區(qū)，在此過(guò)程中將其攜帶的熱量由前向后逐級(jí)傳遞給各儲(chǔ)熱層(9)分區(qū)，離開(kāi)儲(chǔ)熱層(9)的循環(huán)空氣的溫度由溫控儀(10)實(shí)時(shí)記錄，并以此作為依據(jù)調(diào)節(jié)電加熱室(2)的輸出溫度和循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)熱過(guò)程的調(diào)控，使得循環(huán)空氣回流至循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)的溫度不超過(guò)其耐受溫度，并能保證儲(chǔ)熱期間同時(shí)需要供熱的情況下對(duì)循環(huán)風(fēng)參數(shù)的要求；非低谷電或非棄風(fēng)電時(shí)段，電加熱單元關(guān)閉，這個(gè)時(shí)段需要供熱時(shí)，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)，循環(huán)風(fēng)與儲(chǔ)熱層(9)內(nèi)的儲(chǔ)熱材料換熱使其溫度提高，加熱后的循環(huán)風(fēng)通過(guò)儲(chǔ)熱層(9)內(nèi)的氣流通道(4)將熱量攜帶至熱交換器(13) 處并傳遞給由循環(huán)泵(11)驅(qū)動(dòng)的傳熱流體，最終將熱量輸入至熱用戶系統(tǒng)(12)，熱量的輸出由溫控儀(10)和循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)的控制器調(diào)控；通過(guò)熱交換器(13)的循環(huán)空氣溫度降低，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)(1)加壓后重新進(jìn)入儲(chǔ)熱層(9)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
采用本發(fā)明提供的一種基于梯級(jí)儲(chǔ)熱用熱的低谷電和棄風(fēng)電利用裝置與技術(shù)為江蘇30000m2的商場(chǎng)白天供暖，考慮設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為40w/m2，夜間低谷電時(shí)段為8小時(shí)，加熱期間不供熱，白天供熱時(shí)間為8小時(shí)，則系統(tǒng)供熱和儲(chǔ)熱功率均為1.2mw，所需總儲(chǔ)熱量為9.6mwh；考慮到各類損失，設(shè)計(jì)取10％的余量，則加儲(chǔ)熱加熱功率實(shí)際值取1.32mw；使用儲(chǔ)熱密度為930kj/kg的定型相變儲(chǔ)熱材料，儲(chǔ)熱材料使用量約為40噸。根據(jù)江蘇省“蘇價(jià)工[2011]358號(hào)”文規(guī)定，大工業(yè)、非優(yōu)待、1-10千伏用電價(jià)格為：高峰1.112元/千瓦時(shí)，平段0.667元/千瓦時(shí)，低谷0.322元/千瓦時(shí)，按照利用8小時(shí)低谷電儲(chǔ)熱，供8小時(shí)平段和8小時(shí)高峰時(shí)段使用，平均計(jì)算可得，采用本低谷電利用裝置每度電可節(jié)省0.5675元，江蘇省供暖季一般從12月至來(lái)年3月，因此每個(gè)供暖季可節(jié)省約65萬(wàn)元。
本發(fā)明是通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行描述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員知悉，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)這些特征和實(shí)施例進(jìn)行各種改變或等效替換。另外，在本發(fā)明的指導(dǎo)下，可以對(duì)這些特征和實(shí)施例進(jìn)行修改以適應(yīng)具體的情況及材料而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不受此處所公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制，所有落入本申請(qǐng)的權(quán)利要求內(nèi)的實(shí)施例都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。