相變材料在變電站中的應用分析

賈恒杰

（韶關供電局，廣東韶關 512000）

引言

相變材料最早應用于房屋建筑中，因其節能性和優異的控溫功能，可以減少人們對供暖設備的依賴，間接使得房屋能源消耗降低。隨著應用場景的不斷擴大，相變材料也引起了電力行業的重視，變電站同樣存在節能、控溫需求，將相變材料應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用于變電站。從變電站相變材料應用現狀來看，其普遍應用于智能變電站二次設備。

1 相變材料應用優勢

任何相變材料的物理狀態均會隨著溫度變化而變化，在物理狀態改變過程中，具有吸收、釋放熱能的作用，且吸收、釋放率較大[1]。相變材料能夠應用于實際環境中，就需要采用相應手段使潛熱轉化為顯熱，這種轉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的變化，但可以對溫度進行管控，因此在實際應用中具有重要影響[2]。

在以往變電站建設中存在控溫要求，采取的方法是優化變電站結構設計、優化砌塊材料結構，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，且兩者現開發程度已經趨于成熟，發展空間略小，而相變材料變電站完全規避了以往變電站的缺點，實現了高精度控溫功能，具有應用優勢[3]。以往變電站建設的控溫功能實現，需要整體建筑一同運作，因此要落實該項功能，在建設中就必須全體采用先進材料，成本較高。而相變材料應用下，只需要少量材料就能實現控溫功能，成本較低[4,5]。

2 智能變電站二次設備艙相變材料應用方案

2.1 方案基礎

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

2.2 案例概況

以某變電站預制艙的相變材料、工業空調聯合熱管控的方案為例來進行分析。預制艙艙體發熱的主要熱源有預制艙內部的元器件、外界空氣向艙內熱傳導、太陽輻射傳導。表1為案例中三個熱源的總量數據。

表1 案例中三個熱源的總量數據

由表1可知，預制艙內部的元器件的發熱量是無可避免的，其熱量數據來源主要通過測量得出，對比設備供應商提供數據，確認測量數據準確；外界空氣向艙內熱傳導熱量較大，主要是因為周邊環境導致，案例預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℃，隨之再對預制艙的內溫、內外溫差進行測量，結果為25℃、20℃，在墻體熱阻達0.8 W/m2的條件下，設熱能余量為5%，數據參數為0.85 W/m2，與預制艙表面面積115 m2結合，進行乘法計算得到實際熱量為1955 W；太陽輻射傳導熱量最大，其熱量主要通過國家標準來取值計算得出，國家標準中太陽輻射強度取值為1120 W/m2，通過測量確認預制艙外殼熱能吸收率為0.065，在照射面為60 m2的條件下進行乘法計算，可得太陽輻射傳導熱量，即4368 W[4,5]。預制艙的基本參數及要求見表2。

表2 案例預制艙的基本參數及要求

2.3 相變材料應用方式

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

2.4 相變材料應用原理與能效

案例中相變材料安裝的位置為預制艙內最高溫處，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至液態的變化溫度為25℃，所以當艙體內的溫度達到21℃時，會激發相變材料的物理形態朝液態方向發展，相變材料開始吸收艙體內的熱量，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溫度不低于21℃的條件下，會長時間儲存在相變材料內，待氣溫低于21℃時會緩緩釋放，使艙體內盡可能保持恒溫狀態。另外，考慮到預制艙的空氣熱傳導、太陽輻射兩個熱源的影響，實際氣溫會超過21℃，在這一環境下相變材料將持續吸收熱能，如果熱能吸收滿，則可以啟動降溫電氣設備對艙體進行降溫。由此可見，在相變材料的應用下，降溫電氣設備不需要時刻保持開啟狀態，只有在相變材料不足以應對預制艙降溫需求的條件下才需要啟動，較于以往方案具有節約電能的作用。

2.5 方案成本分析

首先設立成本評估指標，即使用壽命、相變吸熱率、潛熱、密度、熱傳導系數。通過實測發現，采用的相變材料具有5000次的相變壽命，預制艙每年的相變次數約為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；根據案例中預制艙的大小，其總體能夠安裝的相變材料數量為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、熱傳導系數分別為360 kJ/kg、1560 kg/L、0.56 W/(m·K)。

其次較于以往方案的能效進行轉換計算可知，在該方案應用下，相變材料在控溫能效上相當于兩臺功率分別為5000 W的降溫電氣設備連續運作3 h的效果，可見相變材料方案可以節省電氣設備的電能損耗，方案具有降低成本的作用。依照實際數據可見，案例原有方案中共有兩臺5000 W的電氣降溫設備，每臺設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，結合當地電價（0.35元/（kW·h））可知，相變材料可以幫助案例變電站每日節省電費6元，在使用壽命基礎上（假定每年運行250天，總共運行20年），可以節約30 000元左右，再減去相變材料的購置成本20 000可知，該方案在每臺預制艙上每20年可以節約10 000元。

3 方案有效性驗證

對案例預制艙相變材料應用方案的有效性進行測試，測試條件為：戶外氣溫33℃、降溫電氣設備、相變材料均處于運行狀態。在預制艙內安裝溫度傳感器，根據傳感器來進行實測。實測結果見表3。

表3 方案有效性實測結果

對照表2，預制艙3個時刻的溫度均未超過要求范圍，驗證方案應用有效。

4 結束語

相變材料發揮節能、降低電費成本的作用，可以實現控溫功能，且控溫滿足變電站預制艙運行要求，在變電站中具有較高應用價值。