CN106705188A - 一种固体谷电能蓄能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体谷电蓄能装置，具有蓄热单元、热交换单元以及控制单元，热交换单元与蓄热单元在控制单元的控制下与用户端进行热量置换，其中蓄热单元包括蓄热体、加热单元组以及绝热层，加热单元组布设于蓄热体中，将谷电转换成热能，并将热能存储于蓄热体中，绝热层布设于蓄热体的外围；热交换单元包括风机、换热器、风道和风室，其将蓄热体中的热能通过热交换方式输出至用户端；控制单元包括动力柜、控制柜、PLC控制器及触摸屏。本发明利用低谷电低价电费期间蓄热，在白天用电高峰的平峰价电时段，是一种高效的清洁节能热工产品，利用自动化控制系统进行采暖、供热的智能设备，降低了用电成本，无污染，是未来清洁能源发展的一种趋势。

Description

一种固体谷电能蓄能设备

技术领域

本发明涉及一种电能蓄能设备，具体地说是一种固体谷电蓄能设备。

背景技术

为控制和整治大气污染,国内在煤炭洁净加工开发技术、煤炭洁净高效燃烧技术、煤炭洁净转化技术、污染排放控制技术等方面取得了许多新成果，并全面推行燃煤锅炉改造工作。所采取的主要技术包括：煤改气，煤改电，生物质，空气源热泵，水源热泵，电热膜等。然而煤炭资源作为不可再生资源，最终会面临资源枯竭问题。同样，煤改气和煤改生物质会遇到燃料供应受限制比较多等问题。并且以上技术并不能很好的解决目前PM2.5超标严重和温室效应问题。中科院的研究表明盲目的推行煤改气反而会加重雾霾现象。国外在应对这方面的做法是大力推行电能替代。随着我国民用核电技术的应用和推广，以及风力发电和太阳能发电这两项基础设施的投入和建设，用电紧张已经得到了初步解决，并且部分地区已经出现谷电不能完全消纳的问题。充分利用谷电，将对我国电能替代工作产生巨大的推动作用。

由于电能替代在治理大气污染方面的巨大效用，电能替代作为重大措施之一，已被写入了国务院《大气污染防治行动计划》等重要文件。对此，国家电网公司提出了“全面深入推进电能替代”。2013年8月，国家电网公司印发了电能替代实施方案，要求在经营区域内全面启动电能替代工作，发挥电能便捷、安全、清洁、高效等优势，面向终端能源消费市场，积极倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来、来的是清洁电”的能源消费新模式，不断提高电能占终端能源消费比重。

通常固体蓄热介质的最高耐热温度为1000℃左右，采用普通加热丝、加热带在反复加热工作后容易熔断。同时，蓄热设备在系统安装中，需要一次、二次循环系统，通过一次循环系统和二次循环系统之间的板式换热器进行二次热交换，造成二次热量损失。热效率低，自动化程度不高，劳动强度大。

发明内容

针对现有技术中固体蓄热介质最高耐热温度不够，加热元件在反复加热工作后容易熔断以及需要一次、二次循环系统二次热量损失大等不足，本发明要解决的问题是提供一种用电成本低(谷电)，清洁高效无污染的固体谷电蓄能装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种固体谷电蓄能装置，具有蓄热单元、热交换单元以及控制单元，热交换单元与蓄热单元在控制单元的控制下与用户端进行热量置换，其中蓄热单元包括蓄热体、加热单元组以及绝热层，加热单元组布设于蓄热体中，将谷电转换成热能，并将热能存储于蓄热体中，绝热层布设于蓄热体的外围；热交换单元包括风机、换热器、风道和风室，其将蓄热体中的热能通过热交换方式输出至用户端；控制单元包括动力柜、控制柜、PLC控制器及触摸屏，对蓄热单元和热交换单元中的电控设备进行智能控制。

蓄热体由固体氧化镁砖砌筑成，固体氧化镁整体为长方体，长方体的下底面沿一轴向及四个侧面的竖向各设有一个凹槽即为通风孔，在与下底面平行的上底面上，在垂直于下底面通风孔的方向上，设有两个凹槽为加热元件的通过方向，构成四维孔型的强化传热结构。

绝缘层由外向内为两层，第一层采用纳米绝热材料层，第二层为空气绝热层。

热交换单元中的风机将蓄热池中的热风经过回风风道抽入换热器，经过换热器换热降温后，通过风道以及风室进入风机入口，风机加压后，通过出风风道再次进入蓄热池；风室即为蓄热池的换热空间。

控制单元包括多个温度传感器，设于风机入口及蓄热体中。

加热单元组采用加热丝，采用星型接法，并与蓄热池吹风方向形成垂直交叉结构即星型交叉加热结构。

本发明还具有支撑结构及保护外壳，支撑结构由底部风机、换热器安装平台即一层平台以及上部蓄热池支撑平台即二层平台组成；保护外壳为安全而设置的防护罩。

换热器为气-水、气-气、气-油换热方式对负载循环热媒进行热交换。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明是一种高效的清洁节能热工产品，利用低谷电在夜间21点到凌晨7点这段低价电费期间蓄热，并在白天用电高峰的平峰价电时段，利用自动化控制系统进行采暖、供热的智能设备，极大降低了用电成本，更清洁、高效、无污染，是未来清洁能源发展的一种趋势。

2.本发明对蓄热材料(镁砖)和保温材料(纳米保温材料)的更新设计，实现固体蓄热的超高温使用，设计最高使用温度1200℃，超越国内外同种产品800℃的储能温度，达到更高效储热、低成本运行效果；蓄热材料采用高密高效的选材和结构设计，保证材料比热200～1000℃平均比热≥1159j/(kg·℃)，最高耐受温度1600℃，同时，四维孔型的强化传热设计大大提高了传热效果，也使蓄热体可以在寿命20年内(反复升温降温)仍可维持强度、不粉、不裂。

3.本发明中的换热装置可以直接与负载对接，减少因二次换热而造成的热量损失，同时节约一次循环泵、板式换热器等设备投资。且由于高科技纳米保温材料的应用，使得整套设备的能源转换效率高达95％以上。

4.本发明中的加热单元组采用星型交叉加热结构。可实现不停机状况下加热元件的快速更换，运行维护成本低；通过智能化数显触摸屏PLC控制系统，实现气候补偿控制、友好人机对话、无人职守、个性设置、更加人性化的设备运行管理；此外设备自带以太网及485协议，可实现更加准确的24小时远程信息传递与智能监控。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2A为本发明中单块固体氧化镁砖结构主视图；

图2B为图2A的立体图；

图2C为图2A的俯视图；

图2D为图2A的右视图；

图3为星型交叉加热结构示意图。

其中，1为蓄热体，2为加热单元组，3为绝热层，301为空气绝热层，302为纳米绝热层，4为风机，5为加热器，6为风道，601为出风风道，602为回风风道，7为风室，8为动力柜，9为控制柜，10为保护外壳，11为蓄热单元，12为换热单元，13为二层平台，14为支撑结构，15为一层平台，16为热电偶安装位置。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明固体谷电蓄能装置具有蓄热单元11、热交换单元12以及控制单元，热交换单元12与蓄热单元13在控制单元的控制下与用户端进行热量置换，其中蓄热单元包括蓄热体1、加热单元组2以及绝热层3，加热单元组2布设于蓄热池1中，将谷电转换成热能，并将热能存储于蓄热体1中，绝热层3布设于蓄热池1外围；热交换单元包括风机4、换热器5、风道6和风室7，其将蓄热体1中的热能通过热交换方式输出至用户端；控制单元包括动力柜8、控制柜9、PLC控制器及触摸屏，对蓄热单元和热交换单元中的电控设备进行智能控制。本发明还具有支撑结构14及保护外壳10，支撑结构14由底部风机4、换热器5、二层平台13以及上部蓄热池支撑平台组成；保护外壳10是在设备安装完毕后为了安全而设置的防护罩，其为设备所有部件提供安装环境的金属构架，及安全防护所需的外壳。

蓄热体1的蓄热材料通过科学的布置堆积而成，体积大小、堆积模数与存储热量的多少有关。一定功率热能的存储量，在设计时，既要考虑模数，还要考虑存储量满足使用要求，一般1.159kJ/kg.k。

蓄热体1由固体氧化镁砖砌筑成四维孔型的强化传热结构，如图2A～2D所示，固体氧化镁整体为长方体结构，长方体的上底面(图2B)沿一轴向及四个侧面的竖向各设有一个凹槽即是通风孔，在与下底面平行的上底面上，在垂直于下底面通风孔的方向上，设有两个凹槽，是加热元件的通过方向，构成四维孔型的强化传热结构。

如图3所示，为多个固体氧化镁砖砌筑成四维孔型的强化传热结构，各固体氧化镁的相应槽对接，多个加热元件布置在上底面(从图2B看为下面)的两个凹槽中，双箭头所示为热风循环风向，由固体氧化镁砖的下底面(从图2B看为上部)的槽对接后形成的热风道通过，单箭头所示为加热元件通过方向，加热元件采用星形联接，即星型交叉加热结构。(本实施例中，砖布置的时候是按照图2B倒置的方法布置的，也就是说当俯视时看到的砖应该是图3的效果图)

绝热层3由外向内为两层防护，第一层采用纳米绝热层302，具有极大的热阻，保证炉内热量不散失。第二层为空气绝热层301，空气本身就是很好的隔热材料，利用空气隔热。

加热单元组2由加热丝及连接配件、绝缘配件组成，通电后发热实现对蓄热池1的升温。一定的加热功率分成多组启动、停止，减小因启动功率过大对电网的冲击，同时也有利蓄热池的温度控制。本发明中，加热单元组2采用加热丝，布置成星型交叉加热结构，如图3所示，可实现不停机状况下的加热元件的快速更换。

热交换单元中的风机4将蓄热池1中的热风经过回风风道602抽入换热器5，经过换热器5换热降温后，通过风道6以及风室7进入风机4入口，风机4加压后，通过出风风道601再次进入蓄热池1；风室7即为蓄热池的换热空间。循环的高温空气通过换热器5与系统需要的(用户需求的)热介质进行换热，对热水、热风、导热油进行加热。如蒸汽发生器，可生产蒸汽。

本实施例中，蓄热材料存储热量，温度最高达1200℃，利用空气作为热载体(也叫媒介)，通过控制空气循环量的多少，达到控制热量输出的多少。循环设备即风机4采用高温风机，变频控制空气循环量。

控制单元中动力柜8及控制柜9是为循环设备如水泵、风机4及加热单元等提供电源的设备，还包括多个温度传感器，设于风机4入口及蓄热体1相应位置即图1中热电偶安装位置16，以及为中央处理器提供数据的本地仪表(温度、压力)，本装置中所有的动作通过一个中央处理系统(采用PLC)对信号收集、数据分析、发出动作指令，实现自动化无人值守。

本发明通过PLC控制系统，实现气候补偿控制、友好人机对话、无人职守、个性设置、更加人性化的设备运行管理；此外设备自带以太网及485协议，可实现更加准确的24小时远程信息传递与智能监控。

本发明的工作过程如下：在低谷电期间，装置内部用电通过电加热元件将电能转化成热能储存在固体蓄热体中，温度可从常温直达到800-1200摄氏度以上。在负载需要热量供给时，设备可按照预先设定好的程序，按设定的温度和供暖量。通过变频风机，将蓄热体中的热能经由密闭的循环风道吹入风-水换热器，再由换热器将能量传输给负载端。装置从蓄热到为负载提供供给，整个环节均采用PLC智能控制，实现完全无人自动化运行。

本发明在制造时考虑整体运输吊装会对蓄热材料造成损坏，采用部件分离，现场组装。搬运口很窄的地方也可进行安装。占地面积小，占地面积仅为水蓄暖的七分之一，为传统锅炉的四分之一。考虑其安全实用性，系统蓄热端与用户端实现百分百绝缘。设计热能利用率高，达到95％以上。

本发明还可在原有配套管线的基础上加装不同换热装置，可根据用户的需要进行设计，对加热输出的介质可以是水，可以是热风，也可以是水蒸气，还可以是导热油，扩展空间巨大。

本发明能够转移用电高峰期电量，缓解用电高峰期电网压力，实现“移峰填谷”，可配合风力发电，光伏发电等新能源，具有良好的社会经济适用性。设备使用无污染，零排放，高效环保。

本设备蓄热材料采用独有配方，保证材料比热值达到1.159kJ/kg.k以上，最高耐受温度可达1600℃，结构采用四维孔型设计，寿命20年内仍可维持强度，不粉、不裂，实现20年内不更换。电加热材料采用特有合金材质，反复加热工作6000小时(行业标准2000小时)，与普通加热管、加热带相比寿命延长3-5倍。星型交叉加热方式，实现不停机状况下的加热带快速更换；智能化数显触摸屏PLC控制系统，实现气候补偿控制、友好人机对话、无人职守、个性设置、更加人性化的设备运行管理；此外设备自带以太网及485协议，可实现更加准确的24小时远程信息传递与智能监控。

Claims (8)

1.一种固体谷电蓄能装置，其特征在于：具有蓄热单元、热交换单元以及控制单元，热交换单元与蓄热单元在控制单元的控制下与用户端进行热量置换，其中蓄热单元包括蓄热体、加热单元组以及绝热层，加热单元组布设于蓄热体中，将谷电转换成热能，并将热能存储于蓄热体中，绝热层布设于蓄热体的外围；热交换单元包括风机、换热器、风道和风室，其将蓄热体中的热能通过热交换方式输出至用户端；控制单元包括动力柜、控制柜、PLC控制器及触摸屏，对蓄热单元和热交换单元中的电控设备进行智能控制。

2.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：蓄热体由固体氧化镁砖砌筑成，固体氧化镁整体为长方体，长方体的下底面沿一轴向及四个侧面的竖向各设有一个凹槽即为通风孔，在与下底面平行的上底面上，在垂直于下底面通风孔的方向上，设有两个凹槽为加热元件的通过方向，构成四维孔型的强化传热结构。

3.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：绝缘层由外向内为两层，第一层采用纳米绝热材料层，第二层为空气绝热层。

4.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：热交换单元中的风机将蓄热池中的热风经过回风风道抽入换热器，经过换热器换热降温后，通过风道以及风室进入风机入口，风机加压后，通过出风风道再次进入蓄热池；风室即为蓄热池的换热空间。

5.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：控制单元包括多个温度传感器，设于风机入口及蓄热体中。

6.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：加热单元组采用加热丝，采用星型接法，并与蓄热池吹风方向形成垂直交叉结构即星型交叉加热结构。

7.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：还具有支撑结构及保护外壳，支撑结构由底部风机、换热器安装平台即一层平台以及上部蓄热池支撑平台即二层平台组成；保护外壳为安全而设置的防护罩。

8.按权利要求1所述的固体谷电蓄能装置，其特征在于：换热器为气-水、气-气、气-油换热方式对负载循环热媒进行热交换。