相变材料在电力调峰中的应用

相变材料在电力调峰中的应用

摘要：分析了电力调峰的原因及隐患，介绍了相变材料的应用原理及在电力调峰上应用的可能性，并介绍了相变材料在建筑材料，储热储冷装置上对电力调峰的有益影响。

关键词：相变材料；电力调峰

1引言

电力工业是国民经济发展的先行产业，是人民生活不可缺少的生活资源。我国现已形成世界上最大的电网，但我国电力市场总体上仍然供不应求，尤其是一年中温度比较极端的阶段，局部仍存在供大于求的情况，致使我国电力负荷的谷峰较为显著，比值高达0.4-0.6，电力负荷谷峰差也较为显著。电力调峰过程中的频繁启停机组，导致了能耗增加、机组寿命缩短、发电效率降低、经济效益下降等问题，同时也影响到电网的安全运行。电力调峰问题的日益突出，使得我们必须推广各种调峰和节能新技术，其中相变储能技术是目前应用较为广泛的节能调峰技术之一。

2 相变材料的基本性质

相变材料(Phase Change Materials)，简称PCM，指随温度变化而改变物理状态并提供相变潜热的物质。相变材料在相变过程中能够以潜热的形式将热量储存或释放，因而具有储热和调温的性能。相变材料的储能调温性能可以显著提高能量的利用率，并且完美解决了能量供求在空间和时间上不同步的矛盾。西方发达国家早在20世纪80年代就开始大规模研究相关技术，进行了大量的基础理论和应用研究，其中在电力调峰上的应用现已广泛应用于航天、服装、建筑等领域[1]。

根据相变过程的物理形态的差别，相变材料可划分为固-固、固-液、液-气、固-气4类；根据相变温度不同，可分为高温、常温和低温3类；根据相变材料的组成成分，相变材料一般可分为有机相变材料、无机相变材料和混合相变材料3种，无机类PCM主要有水合盐类、熔融盐类、合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、烷烃和其他有机物；混合相变材料主要是有机类和无机类相变材料的共融混合物。

3 相变材料在电力调峰中的应用

目前，我国电力峰值负荷大多聚集在一年中温度比较极端的时期，也就是夏季空调供冷和冬季空调供热阶段。根据相关统计，我国部分城市在该阶段峰值负荷有高达30%-40%。我国多年来采用经济杠杆等电价政策，来缓解这部分电力负荷峰值，鼓励用户使用谷期电力，例如我国湖北地区峰谷比价格为4:1，河南为5:1，台湾地区高达7:1。但是这种利用经济调控来改变用户用电习惯的方法，其电力调峰效果不够明显，而且谷期价格过低也会对发电企业的经济效益产生不利影响[2]。

如果利用相变储能技术将谷期价格较为低廉的电力以储热或储冷的方式储存起来，并在峰期将其释放，就能减少峰期的供电压力，降低机组的启停频率，从而提高发电效率；同时机组得以合理使用，从而达到节能减排的环境目标，并获得显著的经济效益，这样就从根本上对电力负荷起到削峰填谷的作用。

（1）相变储能建筑材料

随着社会的不断发展，对现代建筑的要求与日俱增，传统的建筑材料导致室内温度随外界温度波动过大，致使室内温度环境舒适性差，同时还增加了夏季供暖和冬季供热的电力负荷。相变储能建筑材料的研究的核心思想是通过增强建筑

外部结构的比热容，延迟建筑室内外的热传递，来达到降低室内温度波动、减少调温所需电力供应的目的。

美国Neeper通过室内模型，并结合相关资料，得出结论，相变墙板能够转移居民空调负荷中的90%用电负荷到用电低谷期[3]。

Pasupathy A等通过建立数学模型用于模拟相变材料在地板中应用情况，根据已建立的模拟地板传热过程，引入了颗粒定形相变材料并进行数值模拟。结果表明，相变材料与地板结合后几乎可以完全把电能消耗从高峰期转移到低谷期，比传统地板节约了接近18%的能源消耗成本[4]。

林坤平等采用基于石蜡的定形复合PCM建成了电加热蓄热地板系统，并对该系统的蓄热能力进行测试，结果表明，约57%的房间蓄热所需的用电量从用电峰期转移到了谷期，其电力削峰填谷作用较为明显[5]。

（2）相变储热装置

相变储热装置是指将用电低谷期的电力通过相变材料转换为热能储存起来，用于加热水或调节环境温度以供用电高峰期使用。由于相变材料的储热能力远远大于水等传统储热介质，故而此类相变储热装置在相同电力情况下能够储存更多热量，从而提高了储热率，减少了电能损耗，提高了经济效益。

广东工业大学所研发的电热相变储能锅炉，采用储热密度高、可逆性强的相变材料以替代传统材料，其热效率高达90%，利用用电低谷期的电力可供应2-4t 的40℃热水以及100-200kg80℃以上开水，相当于替代用电峰值期间电力3-6KW 的电热水器。其经济效益和削峰填谷作用十分显著[6]。

（3）相变储冷装置

在世界范围内，空调及制冷装置的年耗电量均处于前列，对用电高峰期供应不足而低谷期过剩的状况影响较大。根据西方发达国家的经验，解决这个问题的有效途径就是开发相变储冷装置，通过相变材料的储能特性将高峰期的电力负荷转移到低谷期。对于温度和电力需求较大的商业大厦和办公楼，相变储冷装置尤其适用。该装置对相变材料的要求较高，需要满足储能密度大、稳定性好、价格便宜、无毒无腐蚀等要求。陈英姿等人采用组合式水合盐相变材料进行冰箱降温保温试验，试验结果表明，该组合式相变储冷材料可以极大程度上延长冰箱的保持低温时间，高达40小时，可以大大降低冰箱在用电高峰期的用电量[7]。

4 总结

（1）随着社会的不断发展，电力需求量会不断增加，电力需求峰谷差距也会不断被拉大，仅仅从发电角度来解决这些问题，科学性与经济性均较差。因此应该深入多角度的研究电力调峰问题。

（2）相变材料是一种新型高新材料，采用用电谷期的电力来制冷和制热，利用其储能调温特性，可以大幅度减少建筑空调、锅炉等设备在用电高峰期的用电量，从而将电力峰值负荷部分转移至电力谷值，减少供电压力，提高发电效率，提高经济效益。

参考文献：

[1]徐祖耀，材料相变[M].北京：高等教育出版社，2013:1-2

[2]况军.相变储能材料在电力调峰中的应用[J]. 电气开关,2011,(01):69-71.

[3]Neeper D A. Thermal dynamics of wallboard with latentheat storage[J].Solar Encrgy,2000,68(5):393

[4]Pasupathy A，Vclraj R. Effect of double layer phase change material in building roof for year round thermal management [J].Energy Buildings,2008,40(3):193

[5]林坤平，张寅平.定形相变材料蓄热地板电采暖系统热性能.清华大学学报: