固体电热储能装置热工与储能性能测试平台设计_张超.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology固体电热储能装置热工与储能性能测试平台设计张超1，邢作霞1，付启桐1，姜立兵2，陈雷1（1沈阳工业大学电气工程学院；2沈阳兰昊新能源科技有限公司，辽宁 沈阳 110870）摘要：该平台以GB/T392882020蓄热型电加热装置中提出有关固体电热储能装置的热工性能测试方法及流程为蓝本，参考了国内外标准，专门针对固体电热储能装置，进行纯储热工况、纯放热工况、边储边放工况全工况测试，改善并补充了固体电热储能装置热工与储能性能测试。该平台改进了GB/T 392882020的试验流程，结合非制热状态下的放热测试和制热状态下的放热测试，能够进行固体电热储能装置热工与储能性能标准测试。为了验证该平台可靠性，对某固体电热储热装置进行一次标准测试，记录其试验时的电量、时间、温度等参数，画出试验时温度曲线、加热丝电流电压曲线、热输出负荷曲线，通过改进、补充的公式计算了固体电热储能的热工与储能性能；利用计算结果画出了在额定热输出功率下的储能性能图。该图清晰展示了固体电热储能装置的有效释放的温度范围，储能能力，以及能量利用情况。本次测试结果与理论值、经验值相近，证明该平台可以作为设备商自检或教学使用的测试平台。该平台还留有自定义热负荷曲线功能，可以帮助教学者和学习者在真实的工况下，对固体电热储能装置进行研究和学习。关键词：储能；实验平台；固体电热储能装置；性能测试doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0590 中图分类号：TK 3 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-585-08Design of thermal and energy storage performance test platform for solid electrothermal energy storage deviceZHANG Chao1,XING Zuoxia1,FU Qitong1,JIANG Libing2,CHEN Lei1(1School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology;2Shenyang Lanhao New Energy Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110870,Liaoning,China)Abstract:A platform is designed based on the thermal performance testing methods and testing processes of solid electric heat storage devices proposed in Thermal Storage Electric Heating Devices(GB/T392882020).By referring to domestic and foreign standards,the platform can test full working conditions(including the pure heat storage condition,pure heat release condition,and storage and release conditions),with improved the thermal and energy storage performance testing for solid electric heat storage devices.The platform can carry out the standard thermal and energy storage performance test for the solid electric heat storage device by improving the test procedures of GB/T 392882020 combined with the heat release testing under both non-heating and heating states.To verify the reliability of the platform,one standard test is conducted on a solid electric heat storage device.The platform records the parameters such as electricity,time,and temperature during the test;draws the temperature curve,heating wire current-voltage curve,and heat output load curve during the 储能测试与评价收稿日期：2022-10-14；修改稿日期：2022-11-26。基金项目：辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2008005）。第一作者：张超（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为储能与综合能源，E-mail：；通讯作者：邢作霞，博士，教授，主要研究方向为新能源控制与并网技术、多能源互补与储能消纳技术、海上风电机组柔性控制技术，E-mail：1450531623 。2023 年第 12 卷储能科学与技术test;and calculates the thermal and energy storage performances of the solid electric heat storage through improved and supplemented formulas.Based on the calculation results,the energy storage performance diagram is drawn under the rated thermal output power.The diagram clearly shows the effective release temperature range,energy storage capacity,and energy utilization of the solid electric heat energy storage device.The result of the test is found close to the theoretical value and empirical value,which proves that the platform can be used for self-inspection or teaching by equipment manufacturers.The platform also has the function of displaying user-defined heat load curves.This function can help teachers and learners research and learn solid electric heat energy storage devices under real working conditions.Keywords:energy storage;experimental platform;solid electric heat storage device;performance testing储能可有效平抑大规模新能源发电接入电网带来的波动性1，是新型电力系统的重要支撑技术2。相较电储能，固体显热电热储能在储能成本上仅为其1/10，具有无与伦比的经济性优势，是储能领域很有前景的发展方向3。然而，固体显热电热储能在储能领域的地位十分尴尬，虽然作为储能装置的一种，但是其检测标准仅以热工检测为主，缺少专门的检测方法4，并且缺少储能性能的检测，这使得其在储能领域有些“名不副实”。2020 年，我国发布了国标 GB/T 392882020蓄热型电加热装置5，其中仅包含储热型电加热装置纯储热工况和纯放热工况的热工性能检测。固体电热储能装置现多应用于居民冬季采暖供热，供热期间，需保证供暖建筑物全天24小时的热负荷需求6。由于天气变化导致的室内外温差改变、用户用热行为习惯导致的室内需求温度变化等原因，其热负荷是一条有一定规律变化的曲线7。热负荷的变化将使得固体电热储能装置产生三种工况：纯储热工况、纯放热工况、边储边放工况8。因此，限于GB/T 392882020对各类储热装置的综合性质考虑，其内容包含了各类储热装置检测的综合要求，没有针对固体电热储热装置的边储边放进行检测设计，平台设计需对这一工况进行额外设计。另外，该标准中缺少了固体电热储能装置储能性能检测的方法。现阶段下，仅参照GB/T 392882020并不能完全满足固体电热储能装置的检测和平台教学的需求。故本文以国标GB/T 392882020为蓝本，以其中热工性能测试的方法为基础，参考了DL/T 3592010中储能测试及计算的设计思路，和JG/T2992010中通过工质流量计算储能量的方法，以及ASHRAE 94系列中对热工及储能测试所用到的设备及布置思路以及部分计算公式，设计了一种适合于固体电热储能装置的热工与储能性能测试平台，从而满足装置的测试需求和教学需求。1 热工与储能性能测试平台及试验流程设计1.1热工与储能性能测试平台总体设计为测试固体电热储热系统(装置+辅机)的热工与储能性能，采用了类似“黑箱”的结构，除内部储热体温度采集外，其余检测装置一律在系统外部接口处。图1为固体电热储能装置热工与储能性能测试平台示意图(图1省略了固体电热储能系统中内部换热的结构)。依照图1的视图，工质自左向右流动，预处理装置左侧管道与散热装置右侧管道连接形成闭合管道。预处理装置，目的是为了去除换热工质(本试验中为水)中的杂质，补充工质在管道中的损失，减小检测误差，相当于模拟了实际工况下的补水装置(补水泵、软化水箱)和软化水处理装置。流量计记录了工质的流量，用于后续固体电热储能装置最大储热量的计算。混流器通过内部的结构减少层流带来的工质温度分层效应，使得工质产生更多紊流，保证测温仪处工质温度稳定、可靠。压力差检测器在这里仅为了监测工质流动的连续性，以保证流量记录的准确性。电参数测量装置主要是为了检测固体电热储能装置在某段时间所消耗的电能(在586第 2 期张超等：固体电热储能装置热工与储能性能测试平台设计计量电量时，应按照装置的电压等级来分情况考虑，380 V设备一起计量装置+辅机的电量，380 V以上设备应分开计量；在后处理时，一起计量的可按照公式(5)计算辅机功率，分开计量的可按照辅机电量读数除以时间直接计算)；其次是为了监测固体电热储能装置在运行时的状态，以确保装置按照预设模式运行。散热装置的作用是在做有关放热试验时，帮助固体电热储能装置散发热量。由于储热体传热速率限制，储热体会产生温度梯度；另外，循环风机启动时，在储热体的进风端传热温差较大，储热体温度下降得快，在储热体的出风端传热温差较小，储热体温度下降得慢，导致储热体会产生进风端到出风端温度逐渐升高的梯度。储热体内部储热的平均温度的准确测量是平台测试准确性的关键。为准确获知储热体的平均温度，平台使用热电偶进行测量，测温点位选择在整个砖体的三个位置(图2正视图视角)，选择高度均为砖体底面到砖体顶面中心的高度，每个测试点位的热电偶不少于两个。参考了GB/T 392882020中对时间间隔的定义，以及考虑测试经济性、操作复杂性，定义测试过程中各参数的采集间隔不应大于1 min