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储能技术|基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状

储能世界网讯:摘 要: 分布式能源系统具有能源利用率高等优点,在国内外得到了快速的发展,但是仍存在设计容量偏大、运行效率降低、耦合可再生能源系统安全性差等问题。为了解决上述问题,蓄冷蓄热技术被应用于分布式能源系统,并得到广泛的应用,但是相关研究工作多为个例,缺少系统性整理和论述。本文从蓄冷蓄热材料发展现状出发,论述不同蓄冷蓄热材料的特点;然后总结分布式能源系统与蓄冷蓄热技术耦合应用现状,分析不同蓄冷蓄热技术的应用效果,确定基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术的发展趋势。结果表明,水、熔盐、耐火砖、冰、石蜡、水合盐是较为适宜的商业应用蓄冷蓄热材料。与分布式能源系统耦合的蓄冷蓄热技术主要为水蓄冷、冰蓄冷、水蓄热、熔盐蓄热、相变蓄热、热化学蓄热技术,其中水蓄冷、冰蓄冷、水蓄热和熔盐蓄热技术耦合应用较为成熟,相变蓄热耦合应用处于示范应用阶段,热化学蓄热耦合应用处于实验室研究阶段。蓄冷蓄热技术与可再生能源分布式系统的耦合应用是未来重要的发展方向。本文可为我国分布式能源系统高效应用提供参考和依据。

(来源:微信公众号储能科学与技术;ID:esst2012;作者:王俊,凌浩恕等)

分布式能源系统是一种建立在用户端,根据用户对能源的不同要求,依据温度对口原则,实现能源梯级利用,提高能源利用效率的新型供能模式。随着全球能源危机与气候变化问题的加剧,分布式能源系统的发展利用已得到世界各国的广泛重视,被誉为21世纪科学用能的最佳方式之一,是世界能源供应方式发展的一个重要方向。

美国是世界较早发展分布式能源的国家,自1978年起提倡发展小型燃气分布式热电联产技术,现已建成6000多座分布式能源系统,发电量约占总电量的14%,计划到2030年新增装机6500 MW以上。日本自20世纪70年代末引入分布式能源且得到快速发展,总装机台数达到16424台,容量突破10 GW。丹麦是世界上能源利用效率较高的国家,80%以上的区域供热热源采用热电联产方式,可节约28%的燃料,减少47%的CO2排放。我国也大力发展分布式能源系统,能源发展“十一五”“十二五”“十三五”规划均提出高度重视分布式能源发展,到2020年分布式天然气发电和分布式光伏装机分别达到1500万千瓦和6000万千瓦。

虽然分布式能源系统发展迅速,但是在设计和运行中仍存在各种问题。例如,设计时忽略冷热电负荷的耦合关系导致设计容量偏大,运行时以热定电和以电定热的方式导致能源效率降低,可再生能源的引入加大了系统的不稳定性。为了解决上述的问题,在分布式能源系统引入蓄冷蓄热技术就显得尤为重要,其不仅可实现冷热负荷与电负荷的解耦,通过削峰填谷,既可适应用户侧负荷需求随季节、昼夜和适用时间呈现出的多周期变化规律及随机性,提高能源综合利用效率,还可消除引入可再生能源而造成的源侧不稳定波动,增加系统的安全性。

目前蓄冷蓄热技术应用于分布式能源系统的研究得到了广泛的应用,但是相关的工作多为个例,缺少系统性整理和论述。因此,本文从蓄冷蓄热材料发展现状出发,论述不同的蓄冷蓄热材料的特点;之后,总结分布式能源系统与蓄冷蓄热技术耦合应用现状,分析不同蓄冷蓄热技术的应用效果,确定基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术的发展趋势,为我国分布式能源系统高效应用提供参考和依据。

1 蓄冷蓄热材料

蓄冷蓄热技术是利用蓄冷蓄热材料将冷或热量储存起来,并在需要时再释放,力图解决热能供给与需求在时间、空间或强度上不匹配所带来的问题,最大限度地提高系统能源利用率的技术,其本质是蓄冷蓄热材料分子热运动引起内能变化。根据作用机理,蓄冷蓄热材料主要有显热、潜热和热化学三类。

1.1 显热材料

显热蓄冷蓄热材料是在相态不改变情况下,利用自身比热容和温度升降实现热量和冷量的蓄积或释放。典型显热材料主要有液体和固体两种状态。液态材料主要有水、导热油、熔盐等,固态材料主要有岩石、混凝土、陶瓷、耐火砖等,相关技术特点见表1。

表1 典型显热材料技术特点

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注: ①使用温度为温度范围的80%。

在蓄冷和低温蓄热领域,水是一种较为优秀的蓄冷蓄热材料,其比热容和蓄能密度均超过其他典型显热材料,且可以作为热量传递介质,减小热量的损失。在中高温蓄热领域,熔盐和耐火砖分别是较为适宜的液体和固体蓄热材料。熔盐主要包括硝酸盐、氯化物、碳酸盐和氟化物。其中,硝酸盐技术相对成熟,具有熔点低、比热容大、热稳定性好、腐蚀性低等优点,被广泛应用于太阳能热发电领域;氟化物具有较高的热存储容量,被应用于太阳能空间站和熔盐核反应堆中,但也具有成本较高、热稳定性较差、有毒性等缺点。耐火砖具有化学性能稳定、使用温度范围广、强度高等特点,在电蓄热供暖领域得到了应用。

1.2 潜热材料

相变潜热蓄冷蓄热材料是利用相态变化时的潜热进行冷量或热量的储存与释放。相变潜热材料由于蓄能密度远高于显热材料,成为了目前最受关注的蓄冷蓄热技术。

典型的相变潜热材料主要有共晶盐水溶液、冰、气体水溶液、石蜡、脂肪酸、糖醇、水合盐、无机盐等,相关的技术特点见图1和表2。从图中可以看出,可应用于蓄冷的潜热材料主要有共晶盐水溶液、冰、气体水合物、水合盐、石蜡、脂肪酸等材料。其中,共晶盐水溶液、冰、水合盐、石蜡等来料已实现商业应用,但是共晶盐水溶液和水合盐有较强的腐蚀性。可应用于蓄热的潜热材料主要为水合盐、石蜡、脂肪酸、糖醇、硝酸盐等无机盐材料,其中水合盐和石蜡已经实现商业应用,脂肪酸处于示范应用阶段,但是,其成本较石蜡更高,循环稳定性不能满足实际应用要求限制了其应用。

图1 潜热蓄冷蓄热材料的相变温度与相变焓

储能技术|基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状

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表2 典型相变潜热材料技术特点

1.3 热化学材料

热化学材料是利用可逆吸附、吸收、化学反应进行热量的蓄积与释放,具有温域范围广、蓄热密度大、长期蓄热热损失小等优点。

根据工作温度,热化学材料可以分为中低温材料和高温材料。其中,中低温材料主要包括以水蒸气、氨气为吸收剂或吸附剂的LiBr、LiCl、CaCl2、硅胶、沸石等材料,高温热化学材料包括金属氢化物、有机物、氧化还原物、氢氧化物、氨和碳酸盐等。典型热化学材料技术特点见表3。从表中可以看出,热化学材料蓄热密度高于显热材料和潜热材料,但是,目前技术成熟度不足,多数材料均处于实验室研究阶段,离大规模应用尚有较大距离。

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表3 典型热化学材料技术特点

2 蓄冷蓄热技术与分布式能源系统耦合应用方式

2.1 蓄冷技术

与分布式能源系统耦合应用的蓄冷技术主要有水蓄冷和冰蓄冷技术。表4为两种蓄冷技术的技术特点[26]。从表可以看出,冰蓄冷技术的作用机理为潜热和显热的复合蓄冷方式,因此使用温度范围较水蓄冷有明显扩大,蓄冷能力与体积蓄冷量也有显著增加,且可提供温度更低的冷量,进而提高系统整体的相应速度,但是冰蓄冷技术需要双工况制冷机,制冷效率相对较低,也会增加项目的初投资。水蓄冷技术不仅可以使用制冷能效高的常规冷水机组,还可以实现蓄热和蓄冷两种用途,可进一步降低项目的初投资。

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表4 水蓄冷和冰蓄冷技术特点

目前水蓄冷或冰蓄冷技术与传统分布式能源系统耦合应用已到达商业应用阶段,根据用户需求,应用形式也不尽相同,但是其设计思路主要有利用余热蓄冷和低谷电蓄冷,相关系统流程如图2所示。余热蓄冷技术是将分布式能源系统余热进行制冷在满足用户需求时,将余冷进行冷量储存,在余热制冷不足时,利用蓄冷或备用电制冷机进行供冷。低谷电蓄冷技术是分布式能源余热制冷全部供冷,并在低谷电时进行额外电制冷机制冷储存,在余热制冷不足时,利用蓄冷进行供冷。

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图2 蓄冷技术与传统分布式能源系统耦合应用方式

常丽等设计了一种传统分布式能源系统与余热蓄冰耦合应用系统,并在广州地区商业建筑运行,结果如图3所示,余热蓄冰技术可满足23%的供冷量,运行成本日节省815.67万,投资回收期为5.09年。王琅等分析了余热蓄冷装置对分布式能源系统的运行能耗和经济性的影响,确定蓄冷容量为120 kW·h时,系统有最大年生命周期成本节约率。

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图3 供冷量组成

卢海勇等耦合应用了低谷电水蓄冷技术与传统分布式能源系统,建立了冷、热、电和天然气能量平衡的优化配置模型,结果表明该耦合系统在满足供冷需求同时具有最佳的经济性。李正茂等也将低谷电水蓄冷技术与分布式能源系统应用于数据中心,得到类似的结论。上海申通能源申能能源中心大楼采用低谷电冰蓄冷技术与分布式能源耦合系统,运行结果表明,系统稳定发电成本低于市电,冰蓄冷技术每天可节约电费0.17万元。秦渊等也将低谷电冰蓄冷技术应用于传统分布式能源系统,并发现当峰谷电价比达到3∶1时,系统具有很好的经济效益。Luo等也利用类似系统得到相同的结论。

随着新能源利用技术的发展,分布式能源系统向多能源化方向发展,蓄冷技术也进行了多种耦合应用。Di Somma等和潘雪竹等分别设计了一种水蓄冷技术与含太阳能集热器的分布式能源系统,如图4所示,其可以利用太阳能集热器的集热或内燃机余热进行制冷并进行冷量的蓄积。程杉等将冰蓄冷技术与风光分布式能源耦合应用系统进行建模计算,如图5和图6所示,确定了系统电量和冷量可以满足用户需求,系统调度成本进一步减少。Testi等也提出相似系统。

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图4 水蓄冷与含太阳能集热器的分布式能源系统

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图5 冰蓄冷技术与风光分布式能源耦合应用系统

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图6 供冷量逐时变化

2.2 蓄热技术

耦合应用于分布式能源系统的蓄热技术主要有水、熔盐等显热蓄热技术、相变蓄热技术、热化学蓄热技术。其中,水、熔盐等显热蓄热技术耦合应用是较为成熟的方式,已经进行商业应用,相变蓄热技术耦合应用处于示范应用阶段,热化学蓄热技术耦合应用处于实验室试验阶段。

2.2.1 显热蓄热技术

水蓄热技术与传统分布式能源系统耦合应用方式与冰蓄冷技术耦合应用类似,也为余热蓄热和低谷电蓄热技术,对应的设计原理也如图2所示。Wu等验证分布式能源系统与余热水蓄热技术耦合应用具有很好的经济性和环境友好性。Blarke等建立余热水蓄热技术与分布式能源系统耦合应用系统,得到了类似的结论。赵静等研究了低谷电水蓄热技术对传统分布式能源系统的性能影响,发现低谷电水蓄热技术不仅可以满足热负荷需求,如图7所示,还可以增加系统运行时间,提高系统经济效益及能源利用效率。

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图7 供热量逐时变化

水蓄热与可再生能源分布式系统的耦合应用也得到了一定的研究。彭怡峰等利用蓄热装置解决风电消纳问题,建立冷热电联供与蓄热储能分布式能源系统运行模型,验证了利用蓄热装置消纳风电具有较好的经济优势。杨志鹏等进一步利用增加新能源的利用,利用光伏、风机、燃料电池、地源热泵结合传统分布式能源系统进行蓄热供暖,如图8所示,并验证分布式能源系统引入蓄热技术具有显著的经济效益,燃料费用减少19.2%,运行成本降低18.1%。Mavromatidis等建立水蓄热与生物质、太阳能耦合的分布式能源系统,并优化了不同碳排放下的最优装机容量,如图9和图10所示。Di Somma等也建立类似系统,得到系统年总运行成本降低了21%~36%。颜飞龙探讨了水蓄热在分布式太阳能热发电技术中应用的可行性,发现在没有太阳能输入的条件下,水蓄热能够使系统在平均50%的额定负荷下持续工作0.5 h。

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图8 水蓄热与风光地源热泵耦合的分布式能源系统

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图9 水蓄热与生物质、太阳能耦合的分布式能源系统

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图10 不同碳排放下最优装机容量

熔盐蓄热技术中,较为常见的是应用于太阳能热发电的硝酸盐蓄热技术,目前全球已有20余座应用于熔盐蓄热的太阳能热电站,装机容量达3899 MW。熊新强等提出熔盐蓄热是太阳能光热发电的设计重点,并归纳熔盐蓄热与太阳能热发电系统的结构形式,如图11所示,包括太阳能集热、熔盐蓄热储能和发电三部分,热熔盐罐和冷熔盐罐设计温度可分别为565 ℃和290 ℃,最优设计方案分别为不锈钢罐体+硅酸铝保温层和碳钢罐体+耐高温有机硅防腐涂料+硅酸铝保温层。张宏韬等研究发现,利用硝酸熔盐作为蓄热介质可以明显提升热发电系统发电效率,改善材料热稳定性。Montes等对比分析了蒸气、导热油、熔盐为太阳能光热电站传热介质,发现与蒸气、导热油相比,采用solar salt熔盐作为传热介质,在进出口温度为525 ℃/234 ℃时可以提高约4%的系统㶲效率。王慧富等对不同熔盐应用于太阳能热发电进行了模拟,发现采用低熔点熔盐作为传热和蓄热介质时年发电量和年发电效率最高,低熔点熔盐传热、太阳盐蓄热时年发电量最低,导热油传热、太阳盐蓄热时年发电效率最低。熔盐蓄热技术与弃风弃光电或低谷电耦合的电供暖技术也得到了一定程度的示范应用。吴玉庭等提出了一种利用弃风弃光电或低谷电加热的熔盐蓄热供暖技术,并在河北辛集进行示范应用,结果表明,室内温度稳定维持在19~24 ℃,投资回收期为10年,每年可减少二氧化碳排放1889 t、粉尘排放70 t、二氧化硫排放6 t、氮氧化物排放5.3 t。

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图11 熔盐蓄热与太阳能热发电系统

2.2.2 相变蓄热技术

相变蓄热技术与分布式能源系统耦合应用处于示范应用阶段。周宇昊等建立多能互补分布式能源试验平台,采用硝酸盐相变材料回收烟气高温热量,采用十二水硫酸铝钾回收中低温蒸汽热量,并验证了系统在3 h后仍能满足系统供热要求。俞铁铭等设计了基于相变蓄热技术的天然气分布式能源系统,数值模拟了相变材料液相率,发现相变材料在4 h内可以完成释热。卓思文设计了一种带相变材料蓄热技术与分布式能源系统的耦合系统,如图12所示,确定耦合系统的一次能耗相对节能率、燃气轮机机减容率、吸收式制冷机减容率分别为16.3%、51.1%和45.8%。李志永等将相变蓄热与太阳能供暖相结合提出一套太阳能-相变蓄热-新风供暖系统,结果表明,相变蓄热可保证空调机组的出风温度基本稳定在35 ℃,满足空调末端的需要。

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图12 相变材料蓄热技术与分布式能源系统耦合应用系统

2.2.3 相变蓄热技术

热化学蓄热技术的耦合应用还处于实验室研究初期,特别是与传统分布式能源系统耦合应用研究较少。Zhang等提出一种热化学储热技术与分布式能源系统耦合方式,如图13所示,甲醇经过槽式太阳能集热器吸收太阳能,通过分解反应生成CO和氢气,之后利用原动机供应冷热电。试验结果表明,该系统全年能源平均利用率为47.61%。

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图13 热化学储热技术与分布式能源系统耦合方式

3 结论

(1)蓄冷蓄热材料可分为显热、潜热和热化学材料。显热材料在技术成熟度、经济性等方面有着显著的优势,但是蓄能密度最低。热化学蓄热材料蓄能密度最高,但是技术成熟度不足,多数处于实验室研究阶段,相变蓄热材料蓄能密度和技术成熟度较为适中,具有很强的商业应用潜力。

(2)水、熔盐、耐火砖、冰、石蜡、水合盐较为适宜的商业应用蓄冷蓄热材料。其中,水和冰蓄能技术已得到广泛的商业应用,熔盐多应用于太阳能热发电领域,耐火砖也在电蓄热供暖领域得到了发展。

(3)与分布式能源系统耦合的蓄冷技术主要为水蓄冷和冰蓄冷技术。冰蓄冷技术以显热和潜热方式蓄冷,具有蓄冷密度高、系统响应快等优点,水蓄冷以显热方式蓄冷,具有制冷效率高、初投资低等优点。蓄冷技术与传统分布式能源系统耦合应用已达到商业应用阶段,主要有利用余热和低谷电进行蓄冷,运行效果较佳,经济性较好;与风光等可再生能源分布式系统的耦合应用主要处于试验和示范应用阶段,提高能源利用率和降低运行成本是未来的重要发展方向。

(4)水蓄热、熔盐蓄热等显热蓄热技术和相变蓄热技术是分布式能源系统耦合的主要蓄热技术。其中,水蓄热、熔盐蓄热等显热蓄热技术耦合应用较为成熟,相变蓄热耦合应用处于示范应用阶段。热化学蓄热耦合应用也在实验室研究中得到一定关注,需要进一步研究。蓄热技术与风、光、地热、生物质等可再生能源分布式系统耦合应用主要处于试验和示范应用阶段,对于缓解弃风弃电、提高环境友好性和经济性具有较大的发展潜力和应用价值。

引用本文: 王俊,曹建军,张利勇等.基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状[J].储能科学与技术,2020,09(06):1847-1857.

WANG Jun,CAO Jianjun,ZHANG Liyong,et al.Review on application of cold storage and heat storage technology based on distributed energy system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1847-1857.

第一作者:王俊(1980—),男,博士,高级工程师,从事清洁发电、分布式能源、综合能源服务等技术研究和项目开发;

通讯作者:凌浩恕,博士,助理研究员,研究方向为大规模物理储能技术。E-mail:linghaoshu@iet.cn。

原标题:基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状

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