1.3 固体电蓄热技术
1.3.1 固体电蓄热装置基本介绍
现今阶段，电能是一种利用率较高的能源，具有传输方便、使用灵活、对环境无污染等优点，它在能源的利用上具有无可比拟的优越性，尤其是在采暖、供热方面，电能的优点极为明显。
固体电蓄热装置能最大化利用低谷电力，工作效率高，节约能源。固体电蓄热装置的主体是蓄热体，换热器、离心风机等构成装置的附属设备。热用户通过换热器中的热水采暖，从而实现全部或大部分使用低谷电力供热的目的。
固体电蓄热装置是一种高效、经济、节能、安全可靠、减少环境污染的新型电加热设备。利用它将夜间低谷期的电能转化成热能储存起来，用于白天高峰电时的采暖、供热，从而降低用电费用，并且在充分利用电网低谷电力、增加电力有效供给、提高电网的负荷率方面是一种非常有效的手段。
1.3.1.1 固体电蓄热装置供热过程
（1）热量产生。通电之后，机组内的加热元件产热将电能转化为热量。
（2）热量储存。热量产生后通过热交换将热能存储于固体电蓄热体中，储能温度可达到800℃。
（3）热量控制。蓄热体外层采用高等隔热体，与外环境隔热，以防止热量散失，提高热源利用率。
（4）热量输送。被存储的热量通过变频循环风机有序对外输送。
（5）热量释放。高温空气所输送热量通过外部换热设备等以热水、热气、热油等形式对外输出。
1.3.1.2 固体电蓄热装置分类
固体电蓄热装置按照传热方式的不同可分为热水型、蒸汽型、热风型。
（1）热水型。热水型固体电蓄热装置的工作原理如图1-20所示。通过换热器对负荷循环水进行热交换，由负荷水泵将热水提供至末端设备中（比如风机盘管、暖气片或生活热水），达到供热目的。
（2）蒸汽型。蒸汽型固体电蓄热装置的工作原理如图1-21所示。通过蒸汽发生器使高温空气和给水进行热交换，加热水至沸腾生成蒸汽，再由负荷水泵将蒸汽提供至末端设备中，以达到为供暖、生产提供蒸汽的目的。
图1-20 热水型固体电蓄热装置的工作原理
图1-21 蒸汽型固体电蓄热装置的工作原理
（3）热风型。热风型固体电蓄热装置的工作原理如图1-22所示。通过风温调控装置对空气温度进行调控，来达到生产需求的高温空气温度。
图1-22 热风型固体电蓄热装置的工作原理
固体电蓄热装置由计算机控制，使得固体电蓄热装置的性能实现智能化、自动化、人性化，从而使装置具有稳定性高、操作简单、使用方便、控制灵活、安全无污染等优点。
1.3.1.3 固体电蓄热装置结构
固体电蓄热装置包括固体电蓄热加热装置（蓄热体、加热元件、换热器、变频风机、炉体外壳、保温等）、附属系统设备[热水循环泵、软化水设备、定压补水系统、低压配电柜、控制系统、热量计量装置及保证设备正常、安全使用的一切辅助设施（含安全底座）等]、备品备件和专用工具等，其结构如图1-23所示。
图1-23 固体电蓄热装置结构
1.3.1.4 固体电蓄热装置技术特征
（1）系统集成。模块化、智能化、集约化设计，以电热蓄能模块为基础组合单元，按用户实际需求灵活组合，并可在室内、室外及地下任意位置安装。储能密度高达500kW·h/m3。
（2）蓄热体结构。蓄热体结构的设计具有完全独立自主的知识产权，采用功能性热流体和高温离子热流体技术、专利结构设计制造的特制形体和配比的固体电蓄热材料构建而成，具有结构稳固、紧凑、耐热震等优势，最高可承受850℃高温。
（3）保温隔热技术。保温隔热层采用的是A级耐火材料，符合《绝热用硅酸铝棉及其制品》（GB/T16400—2015）的规定。
（4）高换热效率。采用的换热系统具有传热系数高、结构紧凑、不易结垢、不易泄漏等特点。
（5）加热元件。采用高品质加热元件通电发热，加热特制的免维护蓄热材料，使用寿命超长，控制系统稳定可靠，操作简单易行。
（6）循环风道均温技术。循环风道采用双流程设计，使空气在蓄热体内的停留时间增加，提高了传热系数，均衡蓄热体内温度，增加与蓄热体热交换量。
（7）大功率发热技术。经过多次技术攻关，采用高电压直接引入发热体，避免变压器等设备的投入，且功率可达百兆瓦级。
（8）高密度热存储技术。采用可以承受高于500℃高温的高密度、高热容量的蓄热材料，由比例合理的无机盐合成材料加工成型，经高温烧结定性定型。具有体积小、热容量大、蓄热能力强、性能稳定、放热稳定等优点。储能密度高达300kW·h/m3，比水蓄热介质高5～8倍。
（9）水电分离技术。采用独创的水电分离技术，高温蓄热器与热水输出装置之间没有直接关联。由于加热回路和蓄热器相互分离，充分保证了电力设备和加热设备相对独立运行，彻底解决了绝缘问题。
1.3.1.5 蓄热材料
蓄热材料是固体电蓄热装置的构成主体，同时也是影响其蓄释热性能的重要因素之一。不同材料的热力性能各参数有所差异，故选择相对适合的蓄热材料对装置性能必然产生有利的作用。优良的蓄热材料应具有如下性能要求：
（1）具有较高的导热系数和比热容。导热系数体现出蓄热材料本身的热传导性能，导热系数大，装置可以将热源中心处的热量迅速传至表面。蓄热材料的比热容越大，其蓄热能力就越能够充分发挥出来。
（2）热膨胀系数小。固体电蓄热装置在运行中需要考虑反复的加热和冷却工况，因此蓄热材料的热膨胀系数越小，意味着装置在热胀冷缩的作用下具有更好的耐热冲击性，故能延长设备使用寿命。
（3）耐高温且具有较好的结构强度。由于固体电蓄热装置在运行过程中经常处于高温和承重条件下，为了避免装置发生受热变形和受压碎裂，蓄热材料本身在高温下必须具有较高的结构强度。
（4）流体经过的阻力损失小。固体电蓄热装置在释热阶段需要通入取热流体以带走热量，若能提高蓄热材料表面的光滑程度，就可减小流动阻力，在一定程度上降低了风机能耗，节省系统运行成本。
此外，蓄热材料的选择还要适当考虑易于加工和成本因素，蓄热单元不宜加工成过于复杂的形状，否则不利于设备的大规模生产。目前固体电蓄热材料一般采用无机非金属，其中氧化铁的热容量最大，因此在耗电量相同、温度升高相同的情况下，氧化铁所需要的蓄热体积最小；对于氧化铝（90%）和氧化镁（90%）而言，两者的密度和热容量相同，但氧化镁（90%）在导热性能方面优于氧化铝（90%）和氧化铁，也最为耐热。氧化镁（90%）的平均密度为33000kg/m3，平均质量比热容为1000J/（kg·℃），导热系数为4.5～6.0W/（m·℃），取其平均值5.25W/（m·℃），熔点为1600～1700℃。
1.3.2 固体电蓄热技术优势
固体电蓄热装置功能强大，装置由外防护层、换热器、离心风机、保温层、加热丝、温度传感器、控制系统、蓄热砖体等组成。固体电蓄热装置的运行和血液循环原理相似，通过可编程控制器控制其工作流程，利用安装在蓄热体内的温度传感器反馈信息，达到控制装置工况的目的。控制系统为了实现恒温、节能的最优运行原则，不断对蓄热体内的温度进行采集、记录及程序控制调节，从而使蓄热体内温度实现均衡地升高并保持恒温以更好地实现利用低谷电能为热用户提供生活供暖的目的，装置如图1-24所示。
图1-24 固体电蓄热装置
固体电蓄热装置相对于传统的电锅炉或燃煤锅炉设备具备以下优势：
（1）固体电蓄热装置利用耐高温的电加热丝通电发热，整个加热过程不会产生传统锅炉工作中的烟尘、颗粒物质及硫氧化物，这些物质都是导致雾霾天气严重的因素。电蓄热装置代替传统锅炉，将有效减少有害气体排放，缓解雾霾给国民生活带来的不便，保护生态环境，有益于治理雾霾。
（2）固体电蓄热装置利用耐高温的电加热丝通电发热，加热特制的蓄热材料——高比热容、高比重的蓄热砖，再用耐高温、低导热的保温材料将热量保存起来，自动调节热量释放速度，按需取热，节省了不必要的用能浪费，具有显著的节能环保效果，有利于促进国民经济发展。
（3）充分利用电网低谷电力，增加电力有效供给，提高电网负荷率，促进电力资源的优化配置，大批量推广应用后，可提高社会用电综合经济效益，维持电网稳定、经济运行。
（4）固体电蓄热装置工作过程中无污染、无噪声、无废气排放，绿色环保，符合可持续发展及环保政策要求。
（5）外形简单易维修，装置内部的自动温度过热保护器及漏电保护装置确保工作过程安全无害，使用安全可靠。
（6）使用蓄热效率较高的蓄热材料及高性能的加热元件，蓄热效率相较电采暖装置得到较大提高，夜间储存电能满足全天供热需求，极大降低装置运行费用。
（7）装置安装简单，使用维护方便。
在当前倡导节约能源、保护环境的总体趋势下，固体电蓄热装置拥有众多优点，得到日益广泛的应用。与此同时，在传统能源日益紧张的情况下，固体电蓄热装置具有无限的发展前景，但是根据我国目前固体电蓄热装置的使用情况，其应用规模还有待于进一步开发。
固体电蓄热系统和电极锅炉系统、相变蓄热系统对比见表1-6。
对比结果显示，固体电蓄热打破了原有蒸汽高温热水大容量储能的壁垒，采用固体电蓄热的方式，实现了高温大容量吉瓦时级的储能，既可作为调峰电站配合新能源消纳使用，也解决了清洁供热的热负荷问题。
表1-6 固体电蓄热系统和电极式水蓄热系统、相变蓄热系统对比
1.3.3 固体电蓄热参与新能源消纳
随着新能源发电装机容量的增加，其波动性增加，导致严重的弃风、弃光等问题，严重影响新能源的消纳吸收。为了解决新能源的消纳问题，我国有关部门出台了一系列政策。2016年年初，国家能源局发布了关于消纳新能源、鼓励新能源企业参与市场交易的重要通知。在能源丰富的地区充分挖掘当地消纳新能源的潜力，深入分析新能源供热的可行性和经济性，研究利用新能源代替燃煤锅炉供暖技术，制定相关方案减少弃风、弃光等问题。
为了解决新能源消耗问题，在现有的调度系统下，有效促进新能源的消纳，减少煤炭等化石燃料的消耗，保护环境。提高新能源消纳程度和电力系统灵活性有以下方式：
（1）针对新能源发电外送困难的问题，有效提高负荷用电量及增加配电系统消纳新能源的能力。
（2）针对系统总体调峰能力不足的问题，通过新能源制电转热、热电厂配置固体电蓄热装置等，有效提高系统调峰能力，增加新能源的消纳能力。
采用固体电蓄热装置参与新能源消纳既能消纳多余的新能源发电，又能用新能源发电替代燃煤锅炉直接进行供暖，有效减少温室气体排放，可大大缓解燃煤锅炉造成的环境问题。
新能源发电具有分散性、随机性的特点，通过研究固体电蓄热系统的协调优化运行和将电蓄热装置安装在电网侧，可以充分发挥热力系统大惯性的性质，协调新能源发电的波动。配备电蓄热装置后的电热联合作用，还将实现电力系统与热力系统的优势互补，消纳更多新能源，解决电网运行的协调和优化等问题，固体电蓄热装置参与新能源消纳如图1-25所示。
图1-25 固体电蓄热装置参与新能源消纳
固体电蓄热装置在夜间将电能转换为热能进行加热。一方面，它降低了加热装置的热负荷，最小发电量随着热负荷的减小而降低，操作灵活性提高；另一方面，它在低负荷期间增加了发电厂的电力负荷，并且进一步增加了加热单元的发电量。
以风电为例，风电采暖方案通过配备固体电蓄热装置，可在夜间耗电低谷期利用丰富的电能向固体电蓄热装置储存热能；在峰值负荷期间直接向用户供电，并通过固体电蓄热装置中存储的热能向用户供热，如图1-26所示。
图1-26 固体电蓄热装置参与风电消纳
该方案不仅可以吸收过剩的风电，还可以通过“储能”和“能量释放”过程稳定负荷波动，提高电网稳定性，是目前最成熟的风力发电消纳技术。
1.3.4 固体电蓄热应用的经济性
固体电蓄热在单位容量占地面积、建设周期、站址选择灵活性、单位容量造价、效率等方面有明显优势，见表1-7，可以解决大容量规模化储能调峰问题。
表1-7 典型储能技术应用的经济对比
国内外规模化电蓄热技术根据蓄热工质的不同分为显热储能（液态金属、油、固态非金属类等）、相变潜热储能（有机材料、无机盐等）、高压水及热水蒸气储能等。以氧化镁为主的固态电蓄热装置在熔点、工作温度范围、储能密度、导热系数、规模化大容量等方面有明显优势，见表1-8。
表1-8 国内外电蓄热方式及工作特性对比
目前，固体电蓄热技术在国外的技术示范工程较少，更没有规模化应用，只有少量几家小容量用户。与国外相比，国内厂家的固体电蓄热系统在电压等级、单体功率、大容量规模化、热能输出方式等方面都具有绝对优势。