相變材料在變電站中的應(yīng)用分析

賈恒杰

（韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512000）

引言

相變材料最早應(yīng)用于房屋建筑中，因其節(jié)能性和優(yōu)異的控溫功能，可以減少人們對供暖設(shè)備的依賴，間接使得房屋能源消耗降低。隨著應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)大，相變材料也引起了電力行業(yè)的重視，變電站同樣存在節(jié)能、控溫需求，將相變材料應(yīng)用于變電站中已取得到了良好的反饋，這使得相變材料逐漸應(yīng)用于變電站。從變電站相變材料應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其普遍應(yīng)用于智能變電站二次設(shè)備。

1 相變材料應(yīng)用優(yōu)勢

任何相變材料的物理狀態(tài)均會隨著溫度變化而變化，在物理狀態(tài)改變過程中，具有吸收、釋放熱能的作用，且吸收、釋放率較大[1]。相變材料能夠應(yīng)用于實際環(huán)境中，就需要采用相應(yīng)手段使?jié)摕徂D(zhuǎn)化為顯熱，這種轉(zhuǎn)化手段因相變材料類型不同而不同，顯熱并不會造成相變材料物理形態(tài)的變化，但可以對溫度進(jìn)行管控，因此在實際應(yīng)用中具有重要影響[2]。

在以往變電站建設(shè)中存在控溫要求，采取的方法是優(yōu)化變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化砌塊材料結(jié)構(gòu)，這些方法的缺點在于能效較低，可控性較差，不滿足變電站這種對溫度控制精度具有較高要求的需求，且兩者現(xiàn)開發(fā)程度已經(jīng)趨于成熟，發(fā)展空間略小，而相變材料變電站完全規(guī)避了以往變電站的缺點，實現(xiàn)了高精度控溫功能，具有應(yīng)用優(yōu)勢[3]。以往變電站建設(shè)的控溫功能實現(xiàn)，需要整體建筑一同運(yùn)作，因此要落實該項功能，在建設(shè)中就必須全體采用先進(jìn)材料，成本較高。而相變材料應(yīng)用下，只需要少量材料就能實現(xiàn)控溫功能，成本較低[4,5]。

2 智能變電站二次設(shè)備艙相變材料應(yīng)用方案

2.1 方案基礎(chǔ)

智能變電站二次設(shè)備艙（預(yù)制艙）是一種位于戶外環(huán)境的變電站設(shè)備，在應(yīng)用中會受到陽光直射，經(jīng)常會出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，此類設(shè)備在無防護(hù)的條件下故障率較高，且存在安全隱患。傳統(tǒng)防護(hù)方案是采用具有降溫功能的電氣設(shè)備來避免溫度過高，這一措施電能損耗較大，應(yīng)用成本較高，但通過相變材料的應(yīng)用可以有效突破傳統(tǒng)局限，達(dá)到低成本控溫目的。

2.2 案例概況

以某變電站預(yù)制艙的相變材料、工業(yè)空調(diào)聯(lián)合熱管控的方案為例來進(jìn)行分析。預(yù)制艙艙體發(fā)熱的主要熱源有預(yù)制艙內(nèi)部的元器件、外界空氣向艙內(nèi)熱傳導(dǎo)、太陽輻射傳導(dǎo)。表1為案例中三個熱源的總量數(shù)據(jù)。

表1 案例中三個熱源的總量數(shù)據(jù)

由表1可知，預(yù)制艙內(nèi)部的元器件的發(fā)熱量是無可避免的，其熱量數(shù)據(jù)來源主要通過測量得出，對比設(shè)備供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)，確認(rèn)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；外界空氣向艙內(nèi)熱傳導(dǎo)熱量較大，主要是因為周邊環(huán)境導(dǎo)致，案例預(yù)制艙安裝在水泥地上，每年最高氣溫普遍維持在40℃左右，通過周邊溫度測量可見，預(yù)制艙周邊溫度在最高氣溫條件下，普遍比氣象溫度高出5℃，因此在計算時取值為45℃，隨之再對預(yù)制艙的內(nèi)溫、內(nèi)外溫差進(jìn)行測量，結(jié)果為25℃、20℃，在墻體熱阻達(dá)0.8 W/m2的條件下，設(shè)熱能余量為5%，數(shù)據(jù)參數(shù)為0.85 W/m2，與預(yù)制艙表面面積115 m2結(jié)合，進(jìn)行乘法計算得到實際熱量為1955 W；太陽輻射傳導(dǎo)熱量最大，其熱量主要通過國家標(biāo)準(zhǔn)來取值計算得出，國家標(biāo)準(zhǔn)中太陽輻射強(qiáng)度取值為1120 W/m2，通過測量確認(rèn)預(yù)制艙外殼熱能吸收率為0.065，在照射面為60 m2的條件下進(jìn)行乘法計算，可得太陽輻射傳導(dǎo)熱量，即4368 W[4,5]。預(yù)制艙的基本參數(shù)及要求見表2。

表2 案例預(yù)制艙的基本參數(shù)及要求

2.3 相變材料應(yīng)用方式

在3個預(yù)制艙熱源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行加法計算，可得預(yù)制艙總熱負(fù)荷約值(8323 W)，將相變材料與傳統(tǒng)降溫電氣設(shè)備一同應(yīng)用。首先，考慮到預(yù)制場直接降溫需求，降溫電氣設(shè)備以20%的裕度進(jìn)行選擇，制冷量需要控制在9960 W左右；其次，考慮到電氣設(shè)備運(yùn)行時長、功率問題，為了降低電能損耗，需要加強(qiáng)預(yù)制艙的散熱性能，采用相變材料來達(dá)到目的，即將相變材料安裝在艙體內(nèi)部，各材料規(guī)格為400 mm×200 mm×30 mm，每個預(yù)制艙內(nèi)共有兩條，通過封裝工藝將相變材料固定在倉體內(nèi)。該相變材料應(yīng)用方式，在理論上可以提高預(yù)制艙散熱性能25%，使降溫電氣設(shè)備在實際運(yùn)行中的時間延長、功率減小，起到節(jié)能、控溫效果。

2.4 相變材料應(yīng)用原理與能效

案例中相變材料安裝的位置為預(yù)制艙內(nèi)最高溫處，相較于其他部位其溫度高出4℃左右，案例中采用的相變材料其固態(tài)至液態(tài)的變化溫度為25℃，所以當(dāng)艙體內(nèi)的溫度達(dá)到21℃時，會激發(fā)相變材料的物理形態(tài)朝液態(tài)方向發(fā)展，相變材料開始吸收艙體內(nèi)的熱量，使溫度上升速率開始變慢，同時相變材料吸收的熱量在艙體內(nèi)溫度不低于21℃的條件下，會長時間儲存在相變材料內(nèi)，待氣溫低于21℃時會緩緩釋放，使艙體內(nèi)盡可能保持恒溫狀態(tài)。另外，考慮到預(yù)制艙的空氣熱傳導(dǎo)、太陽輻射兩個熱源的影響，實際氣溫會超過21℃，在這一環(huán)境下相變材料將持續(xù)吸收熱能，如果熱能吸收滿，則可以啟動降溫電氣設(shè)備對艙體進(jìn)行降溫。由此可見，在相變材料的應(yīng)用下，降溫電氣設(shè)備不需要時刻保持開啟狀態(tài)，只有在相變材料不足以應(yīng)對預(yù)制艙降溫需求的條件下才需要啟動，較于以往方案具有節(jié)約電能的作用。

2.5 方案成本分析

首先設(shè)立成本評估指標(biāo)，即使用壽命、相變吸熱率、潛熱、密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)。通過實測發(fā)現(xiàn)，采用的相變材料具有5000次的相變壽命，預(yù)制艙每年的相變次數(shù)約為150～160次，以此推算相變材料可以使用25年左右，可見其使用壽命較長；根據(jù)案例中預(yù)制艙的大小，其總體能夠安裝的相變材料數(shù)量為250 kg（共103批），單批量相變材料的吸熱率6.48 kJ，總的相變吸熱率為667.44 kJ；相變材料潛熱、密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為360 kJ/kg、1560 kg/L、0.56 W/(m·K)。

其次較于以往方案的能效進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算可知，在該方案應(yīng)用下，相變材料在控溫能效上相當(dāng)于兩臺功率分別為5000 W的降溫電氣設(shè)備連續(xù)運(yùn)作3 h的效果，可見相變材料方案可以節(jié)省電氣設(shè)備的電能損耗，方案具有降低成本的作用。依照實際數(shù)據(jù)可見，案例原有方案中共有兩臺5000 W的電氣降溫設(shè)備，每臺設(shè)備的額定輸入功率為1500 W，在無相變材料的條件下，每日需要耗電300 kW·h，而在相變材料條件下每日可省電18 kW·h，結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r（0.35元/（kW·h））可知，相變材料可以幫助案例變電站每日節(jié)省電費(fèi)6元，在使用壽命基礎(chǔ)上（假定每年運(yùn)行250天，總共運(yùn)行20年），可以節(jié)約30 000元左右，再減去相變材料的購置成本20 000可知，該方案在每臺預(yù)制艙上每20年可以節(jié)約10 000元。

3 方案有效性驗證

對案例預(yù)制艙相變材料應(yīng)用方案的有效性進(jìn)行測試，測試條件為：戶外氣溫33℃、降溫電氣設(shè)備、相變材料均處于運(yùn)行狀態(tài)。在預(yù)制艙內(nèi)安裝溫度傳感器，根據(jù)傳感器來進(jìn)行實測。實測結(jié)果見表3。

表3 方案有效性實測結(jié)果

對照表2，預(yù)制艙3個時刻的溫度均未超過要求范圍，驗證方案應(yīng)用有效。

4 結(jié)束語

相變材料發(fā)揮節(jié)能、降低電費(fèi)成本的作用，可以實現(xiàn)控溫功能，且控溫滿足變電站預(yù)制艙運(yùn)行要求，在變電站中具有較高應(yīng)用價值。