CN113237369A - 集成储热单元的电热换能装置及换能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成储热单元的电热换能装置及方法，装置包括：外接电气单元，电热换能单元和供热系统单元；电热换能单元包括保温外壳、控制器、电制热器件、储热材料部分、骨架和预热层；储热材料部分为固态储热材；电制热器件穿插在块状储热材料之间；所述供热系统单元包括循环变频风机、换热通道、换热水箱和换热管道，电热转换装置的预热层、变频循环风机、换热通道和换热水箱内的换热管道以及热负荷相连，热负荷包括汽暖和水暖；从循环变频风机输出的换热循环介质，经过换热通道提供汽暖供热，换热通道与设置在换热水箱内换热管道连通，与水进行热交换，提供水暖供热。

Description

集成储热单元的电热换能装置及换能方法

技术领域

本发明涉及新能源供热技术中的电热转换装置领域，具体涉及一种集成固态储热单元的电热换能装置。

背景技术

目前在冬季，仍有很多地区采用传统的燃煤供热方式，不仅能效低、污染严重，而且煤炭资源是不可再生资源，不利于可持续发展。基于电力的清洁供暖，“电能替代”的方式正逐渐兴起，为缓解资源及污染的问题提供了可靠有效的解决方案。利用“电能替代”方式来供热，可以改变能源结构，减少煤炭等污染性强的能源的使用，利用清洁电力能源来供热。在电力系统方面，将电热换能站看作是一种特殊的大型电负荷，由于电热换能站中采用了固态储热装置，使得装置的灵活性增强，同时增强了电网的调峰能力。此外，将电热转换装置看作是一种可控电负荷，通过与电网、输电线、变电站、供热系统结合，形成包括发电、输电、变电、用电的整体体系的电热换能站，对改善电网的调峰能力有突出贡献。

现有的电加热并储热的技术方案中，专利[[1]提出了一种电加热储热换热装置，采用相变储热的方式进行储热，但是这种储热材料的循环寿命有待提升。专利[2]提出了一种耦合压缩空气储能的太阳能水轮发电储热集成装置，采用压缩空气储能是一种清洁的储能方式，但该方式的运行稳定性较差。

参考文献

[1]刘勇.一种电加热储能换热装置:北京,CN108731264A[P].2018-11-02

[2]吴小明.一种耦合压缩空气储能的太阳能水轮发电储热集成装置:江苏省,CN210317493U[P].2020-04-14

[3]杨洪茂,崔学政,关彦,郭建,付丽,付刚,苏德华.一种固体蓄热材料及制备方法和应用:辽宁省,CN106905929B[P].2019-09-20

发明内容

本发明的目的在于：提出一种可以以改善电网的调峰能力的集成储热单元的电热换能装置，同时给出换热方法。本发明的储热部分采用穿插式固态储热装置配合保温层，具有加热快、加热均匀且保温效果好的双层保障效果，可以将本发明的电热换能装置作为是一种灵活性高的可控负荷，以改善电网的调峰能力，所采用的技术方案如下：

一种集成储热单元的电热换能装置，包括：外接电气单元，电热换能单元和供热系统单元，外接电气单元是电热换能单元与外部电网部分连接的桥梁，外部电能通过外接电气单元经送达到用户端，外接电气单元还通过固态继电器与电热换能单元连接，由控制器控制固态继电器开断，对电热换能单元的电制热器件进行加热；

其特征在于，

所述电热换能单元包括保温外壳、控制器、电制热器件、储热材料部分、骨架和预热层；

电制热器件、储热材料部分和骨架位于保温外壳内；

储热材料部分为固态储热材料，骨架用于装载固态储热材料；骨架中存在可以流通换热循环介质的通道，储热材料部分和骨架构成蓄热体，在蓄热体和保温外壳之间设置有预热层，预热层内存在换热循环介质；

电制热器件穿插在块状储热材料之间；

所述供热系统单元包括循环变频风机、换热通道、换热水箱和换热管道，电热转换装置的预热层、变频循环风机、换热通道和换热水箱内的换热管道以及热负荷相连，热负荷包括汽暖和水暖；从循环变频风机输出的换热循环介质，经过换热通道提供汽暖供热，换热通道与设置在换热水箱内换热管道连通，与水进行热交换，提供水暖供热。

进一步地，电制热器件采取电感电容并联谐振的方式，包括电感加热器和电容，电感加热器的线圈穿插在块状储热材料之间。

进一步地，储热材料部分为块状储热材料。

进一步地，保温外壳内设置有温度传感器。

进一步地，循环变频风机与保温外壳的上部相连，用于将从蓄热体下方输入的气态的换热循环介质，由下而上，经过蓄热体到达预热层，再将热量带出，从上方输出到换热通道。

进一步地，骨架中存在的可以流通换热循环介质的通道为小孔或缝隙。

进一步地，换热水箱内的换热管道与保温外壳的下部相连，从换热管道冷却下来的热循环介质从下方回流到预热层内。

进一步地，所述的骨架为耐热钢或铸铁。

本发明同时提供利用所述的电热换能装置实现的换能方法，其特征在于，所述电热换能单元的电热换能装置工作过程为：远方电网的电能，经高压输电线路输送到用能端，经过变电站，变为可以为电热换能单元的电制热器件工作的电能级别，在用电负荷低谷期，温度传感器将保温层内的温度信息传递给控制器，控制器控制电制热器件工作，将电能转换为热能并存储起来，此时不放热，在用电高峰期，换热循环部分工作，通过供热系统单元，使得储热材料中的热能以热水和热气的形式释放出来，为供热系统单元供热。

本发明不仅实现了电能转换为热能，并且实现了热能的存储，且提出了一种固态储热装置结构，该固态储热装置储热部分采用穿插式模型配合保温层，实现不仅加热快、加热均匀且保温效果好的双层保障效果。

本发明的电热换能装置，同时可以提供汽暖和冷暖两者热负荷。从预热层输出的热空气，首先经过换热通道，提供汽暖供暖。之后再经过换热水箱，提供水暖供暖，实现更高效更灵活的电热转换功能。

本发明采用储热技术来消纳电能，同时可以合理安排电制热的时段，尽量利用低谷电价时段，可以降低供热成本，同时包含储热的电热换能站可看作是一个灵活的可控电负荷，能够增强电网调峰能力。

附图说明

图1本发明的集成储热单元的电热换能装置示意图。

图2为本发明的电制热器件22的结构示意图。

具体实施方式

下面首先对本发明的技术方案进一步说明。

外接电气单元是电热换能单元与外部电网部分连接的桥梁，相当于一个开关母线的作用，外部电能经电网发电、输电线输电以及变电站变电最终达到用户端时首先连接到外接电气单元上，外接电气单元另一侧通过一固态继电器开关装置与电热换能装置连接，该开关装置与电热换能装置均属于电热换能单元，由控制器控制固态继电器开断，并在适当时间对电热转换装置的电加热部分进行加热，本专利设计的电热换能装置是电加热与储热一体化的，电加热装置以嵌入的形式嵌入在储热材料中，在电加热的同时进行储热，且嵌入方式采用穿插式嵌入，增大电加热装置与储热材料的接触面积，使储热材料均匀受热储热；电热转换装置包括保温外壳，其中电加热装置以及储热材料均包含在保温外壳里，保温外壳与储热材料之间有一定的预热缓冲空间，称为预热层，可以实现大量换热循环介质的预热，换热循环介质主要是空气，通过流动的空气在预热缓冲空间与储热材料进行热交换，实现换热功能，预热层设置温度传感器将温度反馈给控制器，上述部分整体实现电转热、储热、换热一体的整体功能。换热循环介质是储热向热负荷供热的重要介质，电热转换装置的预热层、变频循环风机、换热水箱与末端供热装置相连，其中换热水箱中有换热管道部分与水进行热交换，将热气换为热水，可供给热水负荷，换热管道连接贯穿预热层、变频循环风机、换热水箱，同时经分管道分支出来可以供给热气负荷，最终回到预热层，将经换热过程后冷却下来的空气返回换热循环装置内，同时配合外接进气口，保证循环介质的供给。

所述电热换能单元中所述开关单元控制器主要控制所述电制热器件，由温度传感器将保温层内的温度信息传递给控制器，由控制器将控制信号传递给固态继电器，控制电制热器件在合理的时间进行电能到热能的转换。

所述电热换能单元中所述电制热器件，采用材料为电感加热器，即利用电磁感应产生热能的器件。电感加热器由继电器开关控制其工作时间，工作时，继电器闭合，交流中高频电加在电感加热器两端利用电磁感应加热，电感线圈缠绕的金属为电加热器，穿插在蓄热材料中，考虑到纯电感元件的电磁感应存在电压电流不同相导致的功率因数较低的问题，在电感加热器两端并联电容使其产生LC谐振并提高加热效率与速度。

所述电热换能单元中所述储热部分，由固态储热材料(包括铁矿石、镁铁砖等材料)按照一定比例关系组成，是一种块状储热材料，该材料成本低廉、高热比、透气性好、并且可调节导热系数高低适应不同的蓄热需求[专利3]，储热材料均匀置于形状为正方体的骨架中。所述骨架的材料是一种耐热金属体，由耐热钢或铸铁构成，传热性能好。所述骨架中存在小孔缝隙，可以透气，预热层中的大量换热循环介质会将储热材料中的热量带走，与之进行换热。循环变频风机将换热循环介质从蓄热体下方输入，换热循环介质由下而上，经过蓄热体将热量带出，从上方输出。

所述换热循环介质为空气流体，由于所述变频循环风机的存在，可以使得换热循环介质流通方向为由下而上，下方为进气口，上方为出气口，通过所述变频循环风机来控制介质的流通方向。在所述变频循环风机的作用下，上方空气流动性强于下方空气，故上方压强小，空气流通方向自下而上。

所述电热换能单元中所述电制热器件的电感加热器采用穿插的方式均匀分布在所述储热材料中。

所述电热换能单元中所述保温外壳为一保温壳体，将所述电制热部分与所述储热部分包含在其内部，起到保温作用。

所述电热换能单元中所述固态继电器开关布置在所述保温部分外部。

所述供热系统单元包括换热循环介质、循环变频风机、换热管道、换热水箱、末端供热装置部分。

所述换热循环介质是储热向热负荷供热的重要介质，所述电热换能装置的预热层、所述变频循环风机、所述换热水箱与所述末端供热装置相连，其中所述换热水箱中有换热管道与水进行热交换，将热气换为热水，通过出水口可供给热水负荷，再将冷却后的冷水通过进水口输送回水箱，实现热水循环。所述换热管道连接贯穿所述预热层、所述变频循环风机、所述换热水箱，同时经分管道分支出来可以供给热气负荷，并最终回到预热层，将经换热过程后冷却下来的空气介质返回换热循环装置内，同时配合外接进气口，保证换热循环介质的供给。

所述供热系统单元内有换热控制器，通过将风机控制信号传递给风机变频器，根据热水以及热气的需求控制所述循环变频风机的工作状态，从而控制输出的热气以及热水。

所述电热换能单元中储热部分采用穿插式模型配合保温层，实现不仅加热快、加热均匀且保温效果好的双层保障效果。

下面结合本发明的附图，对本发明中提出的集成储热单元的电热换能装置具体实施方式及关于固态储热模型的具体结构进行详细说明。

图1所示为本发明的集成储热单元的电热换能装置示意图。从图中可以看出：本发明所提出的集成储热单元的电热换能装置由外接电气单元1、电热换能单元2、供热系统单元3组成，所述电热换能单元2包括控制器21，电制热器件22、储热材料部分23、保温外壳24、预热层25、骨架26；所述供热系统单元包括循环变频风机31、换热水箱32、换热管道33、进气口34、出气口35、进水口321、出水口322。

图2所示为所述电制热器件22的具体构造，其采取了电感电容并联谐振的方式，包括电感加热器221和电容222。其中长方体结构为所述骨架中的所述电感加热器放置位置；所述电感加热器221与电容222并联为图1中的电制热器件22。

所述外接电气单元1为电热换能单元2与外部电网连接的桥梁。

储热材料部分23是由固态储热材料(包括铁矿石、镁铁砖等材料)按照一定比例关系组成，是一种块状储热材料，该材料成本低廉、高热比、透气性好、并且可调节导热系数高低适应不同的蓄热需求。装载储热材料的骨架的材料是耐热金属体，由耐热钢或铸铁构成，传热性能好。所述储热材料部分均匀分布在骨架中，且骨架中存在小孔缝隙可以透气，预热层中的大量换热循环介质会将储热材料中的热量带走，与之进行换热。循环变频风机将换热循环介质从蓄热体下方输入，换热循环介质由下而上，经过蓄热体将热量带出，从上方输出。

电制热器件22采用材料为电感加热器，即利用电磁感应产生热能的器件。电感加热器由继电器开关控制其工作时间，工作时，继电器闭合，交流中高频电加在电感加热器两端利用电磁感应加热，电感线圈缠绕的金属为电加热器，穿插在储热材料中，考虑到纯电感元件的电磁感应存在电压电流不同相导致的功率因数较低的问题，在电感加热器两端并联电容使其产生LC谐振并提高加热效率与速度。

所述换热循环介质为空气流体，由于所述变频循环风机的存在，可以使得换热循环介质流通方向为由下而上，下方为进气口，上方为出气口，变频循环风机31可控制电热换能单元2中内部换热循环介质的流通方向，在变频循环风机31的作用下，上方空气流动性强于下方空气，故上方压强小，空气流通方向自下而上。

保温外壳24将储热材料部分23以及电制热器件22包围在其内部，可以减少电制热过程中以及储热放热过程和流体在进行换热过程中的热量损失，将余热包围在保温层内部，且在保温部分与储热部分之间形成预热层，可以使得内部流体有一个较高的初温，在放热时速率较快。

所述换热循环介质是储热向热负荷供热的重要介质，所述电热转换装置的预热层25、所述变频循环风机31、所述换热水箱32与所述末端供热装置相连，其中所述换热水箱32中有换热管道33与水进行热交换，将热气换为热水，通过出水口可供给热水负荷，通过进水口将冷却下来的水输送进水箱，所述换热管道33连接贯穿所述预热层25、所述变频循环风机31、所述换热水箱32，同时经换热分管道分支出气口34出来可以供给热气负荷，最终回到预热层25，将经换热过程后冷却下来的空气介质返回换热循环装置内，同时配合外接进气口35，保证换热循环介质的供给。

所述供热系统单元内有换热控制器，通过该控制器将风机控制信号传递给风机变频器，根据热水以及热气的需求控制所述循环变频风机31的工作状态以及循环水箱32的工作，从而控制输出的热气以及热水。

所述电热换能单元的电热换能装置工作过程为：远方电网的电能，经高压输电线路输送到用能端，经过变电站，变为可以为电加热及固态储热单元工作的电能级别，在用电负荷低谷期，控制器控制电制热部分工作，将电能转换为热能并存储起来，此时不放热，热负荷的供应由其他供热方式(电锅炉、热泵等)供应，在用电高峰期，其他供热方式停止工作，由换热循环部分工作，通过供热系统单元，使得储热材料中的热能以热水和热气的形式释放出来，为供热系统供热。

本发明提出的储热部分与电制热器件的耦合形式，其电制热器件材料不仅限于电感加热器，只要模型为本发明所提模型均在保护范围内，实际工程中可以换不同的材料进行电制热与储热。

Claims (10)

1.一种集成储热单元的电热换能装置，包括：外接电气单元，电热换能单元和供热系统单元，其特征在于，

所述电热换能单元包括保温外壳、控制器、电制热器件、储热材料部分、骨架和预热层；

电制热器件、储热材料部分和骨架位于保温外壳内；

储热材料部分为固态储热材料，骨架用于装载固态储热材料；骨架中存在可以流通换热循环介质的通道，储热材料部分和骨架构成蓄热体，在蓄热体和保温外壳之间设置有预热层，预热层内存在换热循环介质；

电制热器件穿插在块状储热材料之间；

所述供热系统单元包括循环变频风机、换热通道、换热水箱和换热管道，电热转换装置的预热层、变频循环风机、换热通道和换热水箱内的换热管道以及热负荷相连，热负荷包括汽暖和水暖；从循环变频风机输出的换热循环介质，经过换热通道提供汽暖供热，换热通道与设置在换热水箱内换热管道连通，与水进行热交换，提供水暖供热。

2.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，电制热器件采取电感电容并联谐振的方式，包括电感加热器和电容，电感加热器的线圈穿插在固态储热材料之间。

3.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，储热材料部分为块状储热材料。

4.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，保温外壳内设置有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，循环变频风机与保温外壳的上部相连，用于将从蓄热体下方输入的气态的换热循环介质，由下而上，经过蓄热体到达预热层，再将热量带出，从上方输出到换热通道。

6.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，外接电气单元是连接在电热换能单元与外部电网部分之间，外接电气单元还通过固态继电器与电热换能单元连接，由控制器控制固态继电器开断，对电热换能单元的电制热器件进行加热。

7.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，换热水箱内的换热管道与保温外壳的下部相连，从换热管道冷却下来的热循环介质从下方回流到预热层内。

8.根据权利要求1所述的电热换能装置，其特征在于，所述的骨架为耐热钢或铸铁。

9.利用权利要求1所述的电热换能装置实现的换能方法，其特征在于，保温外壳内设置有温度传感器；所述电热换能单元的电热换能装置工作过程为：远方电网的电能，经高压输电线路输送到用能端，经过变电站，变为可以为电热换能单元的电制热器件工作的电能级别，在用电负荷低谷期，温度传感器将保温层内的温度信息传递给控制器，控制器控制电制热器件工作，将电能转换为热能并存储起来，此时不放热，在用电高峰期，换热循环部分工作，通过供热系统单元，使得储热材料中的热能以热水和热气的形式释放出来，为供热系统单元供热。

10.根据权利要求9所述的换能方法，其特征在于，电制热器件采取电感电容并联谐振的方式，包括电感加热器和电容，电感加热器的线圈穿插在块状储热材料之间。

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