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  • 解析:家用电器低碳化技术——蓄能篇
  • 作者: 发布人:凌飞 出处:电器 时间:2012-11-20 浏览:0
  •      蓄能技术是低碳技术的基础,虽然孤立地看蓄能过程本身,不仅不能降低能源消耗,而且由于无法避免能源在传递以及储存过程中的损失,还将导致更多的能源消耗。但是,从能源系统的角度来看,蓄能措施不仅使以往难以利用的可再生能源在使用过程中变得便利,从而促进可再生能源替代矿物能源;同时,它所具有的能源负荷均衡化作用,还可以使由于负荷峰谷差形成的,导致效率降低的情况得以改善;此外,蓄能措施在提高能源系统可靠性和经济性方面也具有重要作用。随着低碳社会的发展,蓄能措施将得到越来越广泛的应用。

        蓄能技术

        蓄能的基本作用是将未利用的能源储存起来,待需要时利用,通过时间转换实现能源供需的协调,使能源利用达到最高的效益。目前在住宅中使用的蓄能技术有蓄热和蓄电两种。

        以太阳能热利用为标志的可再生能源利用技术在住宅领域的应用规模日益扩大,促进蓄热装置应用日益普及。太阳能集热器获得热量的时间是在有日照时,而住宅通常是在无日照时才需要热量,显然,蓄热是有效利用太阳能的重要措施。蓄热技术的应用使太阳能利用具有合理的技术经济性,实现利用太阳能部分替代以前不得不使用的矿物能源,相应地降低了全社会的碳排放水平。

        电力系统负荷水平的峰谷变化是电力系统运行管理的重要环节,电力需求负荷高峰水平和低谷水平差异过大,会对电力系统的可靠性以及经济性产生显著的不良影响。在电网低谷运行时段,电力设备的能量利用效率显著下降,将部分高峰时段的负荷转移到低谷时段,可以显著提高电力系统的能源利用效率。因此,发达国家已经普遍采用合同电价以及分时电价等措施,通过在不同时段规定不同电价的方式,调节电力负荷水平。电价差是目前各种各样的具有均衡用户端负荷功能的家电得以开发和进入市场的推动力,典型的产品包括蓄热式电热水器和蓄热式热泵热水器。在家用电热水器领域,蓄热型产品的销售份额大约相当于即热型产品的10倍,与此同时,家用热泵热水器大多是蓄热型产品。此外,采暖蓄热措施与建筑一体化技术的研究和应用已经进行多年。除了利用低谷时段的电力获得热能,以蓄热措施实现节能目标之外,利用蓄电池直接储存电力的器具也在市场上出现。

        相变蓄热技术的应用

        目前,蓄热技术一般用于卫生热水的供应和采暖。在采暖季节,采暖热负荷通常比卫生热水的热需求量大1个数量级,因此采暖用热能容量较大,对热能利用效率的影响也较大。目前,采暖和空调领域的蓄能技术主要有两种类型,一种是与建筑一体化的相变蓄热建筑结构,包括墙壁、地板和天花板等,另一种是作为采暖、空调系统组成部分的蓄热装置。相变蓄热过程利用物质在不同状态之间变化时伴随的热效应实现蓄热。例如,气态与液态、固态与液态的相互转换。与利用物质的热容以及温度变化实现的显热蓄热过程相比,相变蓄热的能量密度是显热蓄热过程的数倍。不过,目前在住宅场所运行的具备蓄热功能的采暖、空调系统,较广泛使用的蓄热方式是热水蓄热。国外市场上销售的相变蓄热一体式暖风机,可以在电网低谷负荷时段利用低价电力蓄热。但是,这类产品只能直接安装在房间,受到外形尺寸的限制,蓄热容量有限,而且所储存的热量只能在一个房间内使用,难以在各房间传输。虽然相变蓄热方式可以获得较高的能量密度,但受到一些因素的影响,住宅场所的热水蓄热方式仍然是主流,主要原因是水既可以作为蓄热介质,同时也可以作为传热介质,用于热量传递较为便利。

        在日本东京大学工学部1号馆进行的蓄热试验,大致上反映了近年来住宅建筑一体化相变蓄热技术发展的情况。该项目由日本国土交通省资助,2008~2010年实施。使用相变蓄热材料的地板冷暖系统的工作原理为,利用在约23℃和32℃时状态发生变化的两种相变蓄热材料,夹住多根较细的管道,并铺满整个地板。同时,利用热泵的原理,用水代替空气,夏季和冬季分别使冷水和温水在管道内循环,夏季向管道内灌入20℃的冷水。于是,液体状相变蓄热材料便会持续存储冷能直到凝固,随后即使停止供应冷水,在融解并完全变为液体之前,会释放冷能并在长时间内继续维持融解温度。该系统的关键在于使热泵在深夜23点到第二天早晨7点之间持续运转。利用热泵,使用低价的夜间电力制造冷水和温水,将冷能或热能储存于蓄热材料中,然后在耗电量较多的白天,通过蓄热材料为室内制冷或供暖。

        在该试验系统中,热泵从深夜23点工作到第二天早晨7点的情况下,选取第二天下午4点之前的热图像排列,循环冷水的温度大约为20℃,与没使用热泵的前一天下午4点的热图像相比,前者能够大幅降低地板温度。另外,冬季太阳入射角度较低,如果天气较好,白天会有相当多的日光射入室内,因为相变蓄热材料也可储存日光中的太阳热,因此该系统在冬季可弥补夜间热泵蓄热不足的部分,白天使室内温度维持在一定程度。实际上,这类技术在大型建筑物中已经应用多年,但在住宅应用方面,仍然存在一些具体的技术细节问题需要解决。

        低谷负荷时段蓄热

        目前国内市场上销售的热泵热水器与国外同类产品相比,在蓄热运行时间方面有较大的差异。国内销售的产品普遍采用小水箱、大机组的方案,在额定运行条件下,1~2h就可以将水温升高到满足停机条件,而国外同类产品的蓄热运行时间大多为4h以上。导致这种现象的主要原因是中国仍未普遍实行住宅用电分时计费制度,即使少数已经实行此项制度的地区,高峰时段与低谷时段的电价比仅为2:1,而发达国家普遍为3:1~6:1。蓄热水箱的造价较高,采用较长蓄热时间方案的产品造价也相应较高,若电价差较小的话,消费者利用电价差的积极性就比较低。此外,不少中国消费者使用蓄热式电热水器的习惯是在用热水之前提前一些时间开机,与国外消费者习惯用24h自动控制模式相比存在明显的差异。因此,使用带有大容量蓄热水箱的热泵热水器时,中国消费者经常抱怨热泵制热能力不足。而实际上,这类产品是按照在前一天夜间利用低谷电价蓄热运行,在第二天电价高峰时段用水设计的。显然,只是在使用前提前开机的蓄热型热泵热水器,严格来说并不具备将高峰负荷时段的负荷转移到低谷负荷时段的能力,相对于即热式产品而言,虽在一定程度上降低了产品的输入功率,但均衡电力负荷的作用十分有限。

        在实行峰谷分时电价制度的电力系统中,夜间低谷时段通常为8h以上,电力部门希望利用分时电价措施在全时段取得较高水平的均衡负荷效果。为此,蓄电装置器具或利用低谷电力的蓄热装置的输入功率在全时段保持相对稳定最理想,采用小功率热泵机组的方案符合这项要求。否则,普遍安装、使用大输入功率的热泵机组可能在低谷时段前期导致各种蓄电装置、蓄热装置短时间运行,随后一直停机并形成一个新的运行高峰负荷,然后仍然维持长时间的低谷时段,除了相当于将高峰运行时段延长一些之外,低谷运行时段存在的问题依然没有得到改善。因此,为了利用分时电价制度改善电网的运行条件,适应电网均衡负荷要求,蓄电装置、蓄热装置应按长时间蓄热运行设计,蓄热运行时间应为4~8h。

     

        住宅能量平衡

        能源系统中能量供需不平衡是影响能量利用效率的重要因素。将住宅作为一个能源系统考察时,热能供需不协调包括热能温度不能满足需要,电力或热能供应不同步而需要利用后备措施解决。例如,发电机组的供电能力过剩,导致机组处于低负荷运行状态,发电机组运行效率降低,或者电力供应过剩而热能供应不足。蓄热措施是实现能量供需平衡的有效措施。

        燃气热电联产技术是燃气低碳技术的重要课题。在住宅中使用燃气热电联产装置,一般采用副产电力运行模式,即机组的运行状态根据热需求确定,电力作为副产品输出。在这种模式下运行,燃气利用效率达到最高水平,所以这是最常见的运行模式;另一种运行模式是副产热能运行模式,即机组的运行状态根据电力需求确定,热能作为副产品输出,这种模式通常在电力供应异常时才会采用。燃气热电联产装置的电输出功率一般按住宅全年平均消耗功率的2/3左右设计,典型的发电功率为0.7~1kW,在满负荷运行条件下,热输出功率约为2~5kW,而一般的燃气热水器的额定热输出功率为10~20kW。显然,如果没有蓄热措施,燃气热电联产装置输出的热量是难以有效使用的。实际上,住宅使用的燃气热电联产装置,配备大容量蓄热水箱是标准方案。与此同时,燃气热电联产装置在副产电力运行模式下,如果电力输出功率偏小,将降低运行经济性,蓄电装置的使用能够较好地解决这个问题。蓄电池在住宅用电负荷较低时,以充电方式提高燃气热电联产装置的电力输出功率,使机组运行效率保持稳定。

        近年来,住宅集成能源系统的发展,成为低碳技术的热点,几乎所有的大型家电企业和家用采暖器具制造企业,不约而同地进入这个领域。住宅集成能源系统技术的特点是,在原有各种器具的技术性能不变的情况下,协调住宅内各种器具的运行状态,取得10%以上的节能效果。基本原理是根据住宅内不同器具的运行特性,最大限度地消除各种器具在运行过程中,自身无法避免的效率损失。其中,蓄热装置是不可缺少的器具。例如,当卫生热水排放时,热泵装置回收余热并将热能温度提高到可用的水平,如果当时没有热能需求,回收的热能会储存在蓄热水箱中。太阳能热利用过程也是一个典型的蓄热技术应用。2010年11月,多家日本企业在日本青森县六所村启动的智能电网验证试验项目中,松下首次使用新一代配电屏“SEG(SmartEnergyGateway)”,该配电屏可以综合控制太阳能光伏发电和家电的用电情况以及EcoCute(二氧化碳热泵热水器)和燃料电池等输出的热量。在同一个项目中,丰田开展了插电混合动力车(PHEV)与住宅电力系统互联的验证工作,在住宅的电源断路器中安装PHEV充电用控制开关,可以通过电视机遥控器和智能手机来打开或关闭。用户除了可以将PHEV和EcoCute的运行时间设定为“深夜”这一时间段外,还可以在丰田汽车内,通过可以实时浏览各个住宅和汽车的电力及热水系统使用情况的“TOYOTA Smart Center(TSC)”,远程控制PHEV的充电情况和EcoCute的工作情况。

        蓄电的低碳背景

        低碳技术应用的方向之一是电力的有效利用,包括利用电力取代燃气满足采暖、生活热水供应、烹饪的需要以及取代燃油驱动汽车。太阳能、风力、生物质能、核能的利用,是解决使用矿物能源面临的资源制约和环境影响的主要手段。类似家用太阳能光伏发电装置和风力发电装置等可再生能源发电装置越来越多地进入家庭。尽管在技术上这些电能可以利用并网措施实时地向电网输送,而不需要利用蓄电池储蓄,但是,这种运行方式实际上并不具有技术经济性。从技术角度来看,家用发电装置实现向电网馈电与在住宅中或住宅小区中使用,对电能质量的要求有明显的差异。例如,前者所需的电能处理装置费用通常是后者的数倍,而这类可再生能源发电装置受气象条件的影响较大。日照条件和风向、风速等变化会显著影响输出的电力,当某一地区这类发电装置的容量达到一定规模,例如5%以上时,天上一片云彩的出现或消失就可能导致电网电压和频率的异常波动,现有的电网调节技术难以在短时间内采取对应措施,从而导致电网供电质量降低。这不仅会对电网运行的可靠性产生不良影响,同时也会对终端用电器具的能源利用效率造成不良影响,一定程度上抵消可再生能源的节能效果。

        同时,当电网接入大量的小型(微型)发电装置后,这些发电装置的运行状态难以控制。虽然智能电网技术可以利用信息技术监控运行状态,但在不具备电能储蓄技术的情况下,实际上难以取得预期的效果。解决该问题的措施之一,是在住宅小区设置蓄电装置,即将本来可以在住宅中设置的蓄电装置集中转移到小区中。

        在住宅或小区中就地设置蓄电装置,可以在电价较低的负荷低谷时段蓄电,在电价较高的负荷高峰时段向用电器具供电,以避免使用外部电网供应的电力。降低对电网需求的峰值水平,客观上可以减少住宅配电设施的容量,从而减少输配电设施的容量以及电力部门为尖峰负荷时段设置的后备发电设施的容量,电力系统的技术经济性因此得到提高。

        蓄电池成为家用电器

        电能的储蓄是蓄能技术的发展领域,新型蓄电池技术性能提高,制造成本降低,尤其是将电动汽车或混合动力汽车的“退役”动力电池再利用,作为住宅蓄电装置的蓄电部件,大幅度延长了蓄电池的寿命,从而相应地减少蓄电池寿命周期内的制造能耗和环境影响,也使得住宅蓄电装置的购置费用大幅度降低,电能储蓄技术在住宅中规模化应用的经济性因而显著改善。

        在日本,近年来面向住宅应用的蓄电单元相继开发。2008年,日本大和建筑工业、夏普及大日本印刷等企业向ELIIYPower注资50亿日元,用于提高锂离子蓄电池的生产能力,首先满足住宅蓄电单元的配套需要;2009年初,丰田宣布成功开发容量为5kW·h的住宅蓄电单元,松下完成与三洋公司的合并后,目前成为全球动力用锂离子蓄电池最大的供应商;2010年6月,索尼发布新型“橄榄石电池蓄电系统”,该系统由容量为1.2kW·h的“橄榄石电池蓄电模块”构成,通过不同数量的组合获得不同的容量,适用于住宅以及其它场所;东芝与东芝照明技术公司开发的家用蓄电系统“eneGoon”,主要用于夜间电网负荷低谷时段低价电力的利用,计划2012年11月投放市场,预计第一年的销售量为1.2万台。采用东芝锂离子电池“SCiB”的新产品,额定容量为6.6kW·h,最大输出功率为3.0kVA,可以满足空调、冰箱等大功率器具的运行要求,在普通模式下充电时间约为5h,快速充电模式下约为2h。

        2012年7月,日本三井不动产住宅公司在东京都江东区建设的公寓中(该公寓名为ParkTower东云),设计首批安装4台日产汽车公司的电动汽车“绿叶(日本称为LEAF聆风)”的车载蓄电池,用作固定安装使用的蓄电池,额定容量为96kW·h左右。这种蓄电池采用车载和固定安装两种运行方式通用的设计,从车上拆下来之后,基本上无需改装就可以用于住宅场所的固定安装使用。这类车载动力电池通常只能使用3~4年,从车上拆除时,容量约为新电池的70%~80%,仍然可以继续使用10年左右,这样的电池利用方式在生态性和经济性方面的作用是显而易见的。为了促进车载蓄电池的再利用,日产汽车和住友商事共同出资设立了4R能源(4REnergy)公司,从事车载蓄电池回收再用于固定安装蓄电池的业务。

        超级电容蓄电

        超级电容是一种大容量的动力电能储蓄装置,又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。超级电容与普通电容的最大区别在于,它是一种电化学物理部件,但本身并不进行化学反应。超级电容的储电量特别大,达到法拉级的电容量。超级电容通过注入电解质来储能,电解质在电极的作用下,电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子,使这些离子附于电极表面并形成双电荷层,构成超级电容。由于两电荷层的距离非常小(一般在0.5mm以下),采用特殊电极结构,使电极表面积成万倍地增加,从而产生极大的电容量。

        虽然超级电容的能量密度指标不如蓄电池,但是具有充放电时间短的优点,因此在一些蓄电方案中采用电容与电池混合配置的方式,由超级电容和锂离子电池组成的混合型蓄电器件称为混合型锂离子电容器(LIC),利用电容优异的充放电特性,弥补蓄电池适应大功率用电器具启动过程对电力线路产生的电压异常等不良影响。2003年12月,日本旭化成电子和KRI成功开发超级电容和锂离子充电电池相结合的新型蓄电LIC,主要用于混和动力汽车的辅助电源等在短时间内需要大电流输出的领域。日本Chemi-Con公司在2006年10月发布了将锂离子充电电池和电容器一体化设计的混合模块,输出电压为42V,计划作为供卡(客)车等混合动力车使用的贮能装置。

        蓄电装置与电网耦合方式有两种模式,一种是离网模式,电力的输送方向是单一的,只能从外部电网向蓄电装置输送,不能由蓄电装置向外部电网输送;另一种是并网模式,电力不仅可以从外部电网向蓄电装置输送,也允许向外部电网输送。由于向电网输送电力涉及的问题较为复杂,目前研究开发的重点是与电网运行监控系统进行实时信息交换,实现优化运行管理,这是智能电网技术发展的重要课题。

        电动汽车向住宅供电

        电动汽车和混合动力汽车都配备了较大容量的蓄电池,这些车辆多数是利用住宅供电设施充电,因此,这些采用电力驱动的交通工具作为“移动的蓄电池”,纳入住宅用电器具的研究领域。在ParkTower东云公寓的电力系统中,不仅具备蓄电池蓄电管理功能,而且可以将电动汽车蓄电池的剩余电力向住宅输送。

        2012年6月,日产汽车开始销售利用电动汽车“绿叶”的动力电池为住宅供电的系统“LEA Fto Home”,计划第一年度销售一万台。该系统利用尼吉康公司开发的可供电和充电的装置“EV Power Station”。据称,这是全球首个投放市场的可将电动汽车电池中存储的电力供应给普通住宅的系统。该系统将EV Power Station连接在住宅的配电屏上,将连接器与电动汽车的快速充电端口连接。EV Power Station的尺寸大小与空调室外机相当,可在户外设置,配备有定时、预约等多种模式,可根据家庭的电力容量及耗电量自动调整供电。

    除了为住宅供电之外,该系统还能以快速充电模式在4h内为电动汽车充满电(标准充电时间是8h)。该电动汽车动力电池容量为24kW·h,在充满电的状态下,可为普通家庭提供2天的日常生活用电量。通过利用太阳能所发的电力及电费较低的夜间电力为电动汽车充电,在白天将电动汽车电池所存储的电力提供给各家电,可实现用电量的峰值转移,减少电费支出,还可作为停电时以及受灾等紧急情况时的备用电源使用。

        (敬请期待下一篇《家用电器低碳化技术——集成篇》)

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