弃风弃光电或谷电电加热技术及应用
弃风弃光电或谷电电加热技术及应用
1王斌 2王谦
上海电气工程设计有限公司，邮编201199
摘要：在我国，弃风弃光电以及谷电得不到很好的利用，从而造成资源的浪费、环境的污染，合理利用丢弃的电量有益于效益最大化。本文列举了电极热水锅炉蓄热、固体砖蓄热和熔盐蓄热这三种电加热技术，并详细阐述了适用于大规模建设的熔盐蓄热技术，最后结合现有案列说明熔盐蓄热技术的可行性并给出经济性分析。
关键词：弃风弃光电；谷电再利用；电加热技术；熔盐蓄热
1背景
我国是能源生产和消费大国，据统计，2019年我国各类电能总装机容量已达201066×104kW。随着风电、光伏发电的增加，火电在总装机容量中的占比已从2015年的约66%降低到2019年的 59% ，其中风电和光伏分别达到21005x104kW(10.4%)和20468×104kW(10.2%)。但因为风能和电能存在不可预测性，导致风电和光伏发电分布不均以及不稳定，造成了并网的困难。虽然国家有计划地降低风电和光伏的弃电率，但仍有一定比例的弃风弃光电量存在[1]。谷电一般指第一天晚上到第二天早晨时段电，此时段电价下浮约50%，高峰时段（峰电）电价上浮约50%，充分利用谷电可以平衡电网，降低电网负荷[2]。通过对弃风弃光电以及谷电的再利用，不仅节约能源，而且对节能减排、社会经济具有重要作用。
2电蓄热技术
弃风弃光电和谷电蓄热技术有电极热水锅炉蓄热技术、电阻热水锅炉蓄热技术、固体砖蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变蓄热技术。其中，可直接利用10kV以上高压电的蓄热技术有：电极热水锅炉蓄热技术、固体砖蓄热技术和熔盐蓄热技术。
电极热水锅炉蓄热技术是通过电极锅炉将热能储存在蓄热装置中，在用电高峰时段，将蓄热介质中的热能释放出来供用户使用。通过蓄热水罐，可以在热源和用户之间建立一个缓冲时间，使得热源利用更加灵活；固体砖蓄热材料大都为MgO，弃风弃光电或者谷电通过电网输送到蓄热地点，将电能转换为热能，从而为材料进行充热，而后蓄热材料被输送至用户端，为用户供热；熔盐蓄热技术是一种基于熔盐显热蓄热的电加热集中供热技术，通过电加热技术给熔盐充热，被加热的中高温熔盐与水换热，从而供给用户端。
电极热水锅炉技术成本低、室内温度可稳定调节，可满足一般供暖、生活热水和工业热水的需求，但需要具备足够的锅炉房空间；固体砖蓄热技术可模块化组装，占地面积小、蓄热密度高，但初期投资较大，电加热器用量大，供热工况不太稳定，虽然只需很小的空间，但是不适宜大规模布置；熔盐蓄热技术投资成本低、占地面积小、蓄热密度高、供热工况可稳定调节、使用寿命长，但需要考虑防凝措施，可以满足大规模供暖、供热水、工业蒸汽等，相比于前两种蓄热方式，适用于建筑面积大于的小区、别墅区、商业地及旅游区。
3熔盐蓄热技术
根据工艺流程的不同，熔盐蓄热技术可以分为单罐蓄热技术和双罐蓄热技术。蓄热系统主要包括混合熔盐、熔盐罐、熔盐泵、电加热熔盐-水换热器等设备和材料。
其中单罐式熔盐蓄热罐通过控制高温熔盐的流入和流出来实现系统的蓄热和放热过程。在蓄热罐中填充较大热容的多孔介质颗粒，熔盐在多孔介质固体填充颗粒之间形成了温度分层，将低温熔盐和高温熔盐划分了不同的区域，处于温度最低区域和温度最高区域的温度分层被称为斜温层[3]。充热过程，当斜温层完全流出蓄热罐，罐中温度与入口高温熔盐温度相同时，表示充热完成；放热过程，当斜温层开始流出蓄热罐，表示有效放热过程结束。
图1单罐熔盐蓄热供暖示意图[4]
图1表示单罐熔盐蓄热供暖示意图，从风机出来的风进入熔盐罐被加热，之后进入风-水换热器，热风将热量传递给水，水被加热到一定温度后供用户使用，换热后的风重新进入风机，完成风循环。
图2为电加热的熔盐蓄热供热示意图。双罐熔盐蓄热过程为：熔盐电加热器启动，低温熔盐被泵抽出在电加热器中被加热，被加热的熔盐进入高温熔盐罐中被储存起来；放热过程为：高温熔盐进入换热器给用户侧的冷水加热，换热后的熔盐进入低温罐，完成放热过程。
图2电加热熔盐蓄热供热示意图
单罐熔盐蓄热可以利用更廉价的固体代替一部分熔盐并且只需一个蓄热罐，建设成本降低并且占地面积小，可以大大减小成本支出，但需要严格控制斜温层，并且高温熔盐和低温熔盐较难区分。与单罐熔盐相比，双罐熔盐系统结构简单，供热负荷稳定，可灵活调节，控制相对简单，但双罐的存在，意味着建设成本的提高和占地面积的增大[5]。
4熔盐供暖技术应用及经济分析
相较传统的煤气或燃煤供热方式，采用熔盐储热与供热模式具备安全、高效、操作简便、无废弃物的优势，运行成本也比燃气供暖减少了很多。
姚俊彬等[4]采用单罐熔盐供暖模式为阜新市大楼提供供热服务，供水平均温度为79.9 ℃，回水平均温度为63.9 ℃，室内平均温度为18.4 ℃，供热温度基本满足热用户的需求。由北京工业大学设计研发，中投亿星红日太阳能科技有限公司投资建设的全球首座熔盐蓄热低谷电绿色供暖示范工程在河北辛集建成。示范工程供暖建筑面积为7.5×104m2，利用夜间电网系统10h的低谷时段电力加热熔盐进行储能。在冬季，熔盐蓄热系统可供建筑物全天 24h采暖。该工程于2016年11 月15日投入运行，居民用户室内温度能够稳定维持在 19~24℃，受到了居民的好评[6]。
熔盐蓄热建设成本较低，系统简单，整个投资成本大约150 元/m2，供暖季运营成本根据峰谷电价不同在13~18 元/m2，具有良好的经济性能；该项目建设周期较短，只需3~5个月；对投资人来说，资金回收快，受益年限长，平均30年[7]。
5总结
本文针对弃风弃光电以及谷电得不到充分利用这种问题，列举了电极热水锅炉蓄热、固体砖蓄热和熔盐蓄热这三种电加热技术，通过对比分析，熔盐蓄热技术更适用于大规模建设并对此加以阐述，最后结合现有案列说明熔盐蓄热技术的可行性并给出经济性分析。综上所述，电加热技术是一种可以有效利用弃风弃光电和低谷电的储热技术，对改善环境、促进电网削峰填谷具有重要意义，是一项值得大力推广的储能技术。
参考文献
[1] 王卓辉. 我国弃风弃光电量再利用的分析与对策[J]. 中外能源. 2021， 26(05): 23-26.
[2] 关书伟. 谷电、太阳能设备加热与熔盐蓄热的集中供暖技术应用[J]. 住宅与房地产. 2017(05): 250.
[3] 张晨. 中低温槽式太阳能热发电储热系统关键技术研究[D]. 华北电力大学(北京)， 2018.
[4] 姚俊彬，赵峥峥. 单罐熔盐蓄热供暖系统研究及其应用[J]. 西部皮革. 2017， 39(02): 18-20.
[5] 刘畅. 高温熔盐蓄热风电系统设计及研究[D]. 中国科学院大学， 2018.
[6] 吴玉庭，张晓明，王慧富，等. 基于弃风弃光或低谷电加热的熔盐蓄热供热技术及其评价[J]. 中外能源. 2017， 22(02): 93-99.
[7] 王海军，赵雅静，杨玉江，等. 熔盐储能技术的研究及熔盐供暖技术的应用前景[J]. 广州化工. 2017， 45(15): 33-34， 47.
