本发明涉及节能、储能、电力和热力调峰及热能工程等技术领域，是一种基于梯级储热用热的低谷电和弃风电利用装置与技术，可应用于规模性供热与电力和热力调峰，以及可再生能源利用等领域。
背景技术：
近年来，我国的电力工业发展迅速，然而随着人们生活、工业和商业用电的快速增长，我国用电高峰期电力供应的紧张状况仍然很严重，与之相应的是大量的低谷电得不到有效利用。同时，我国近年来可再生能源工业发展迅速，出现了可再生电力上网的问题，导致大量的弃风、弃光和弃水等问题。这些状况加速了能源综合利用技术的发展和不断革新升级，其中储热技术的作用越来越重要，该技术的基本原理是在用电低谷时段或弃风电期间，将多余(低价)电转换成热的形式进行储存，并在用电高峰期间或需要时释放实现再利用，以此达到削峰填谷、降低运营成本和有效利用可再生能源的目的。
基于低谷电或弃风电的制热、储热和用热的技术近年来已开始有应用；专利cn201320282194.x提供了一种电储热式热风炉，主要原理是将电能转换成热能存储在含有储热材料的蓄热体中，经由空气-空气交换器加热空气进行输出，其中储热体包括电加热式的储-放热结构，空气-空气交换器由若干根与空气分配器相连接的u形金属翅片管构成，此装置适合上万伏电压等级的电储热；专利cn201210159123.0提供了一种超高压电热储能装置，将储热体分成多个分体储热体进行串连，解决了单一储热体端电压过高的问题，适于10kv以上各种电压等级，但每个分体储热体内电加热丝引出线两端电压差小于储热体的最小击穿电压；专利cn20129252.3提供一种一体化相变蓄能用电供热技术及装置，通过电加热管、导热翅片和换热盘管的传热完成相变储热材料的蓄热、释热和供暖过程，导热金属翅片并行地垂直穿在加热套管上，使得储热材料可以均匀受热。以上所述的专利技术存在以下一个或多个问题。问题之一是采用显热储热机理，加上系统设计缺陷，在热利用过程中，系统的热输出温度随时间不断降低，造成即使使用复杂的控制技术也难稳定供热过程；问题之二是高温下材料的导电问题，与一般的工业用电和生活用电不同，高压电转换成热能时不仅要考虑材料的储热放热速率要求和传热性能，还应考虑材料的导电性，特别是材料在高温下的导电性能会增加，例如对于广泛应用的mgo固体显热储热材料，高电压下温度高于约500℃时，会变 成导体，因而限制了系统的储热密度，并存在潜在的安全问题；问题之三是不能实现热能的分级存储和分级利用。以上这些问题对储热材料的选择、加热电极布置和绝缘、系统设计、操作温度范围和控制、储热系统的内部结构等方面提出了挑战性的要求。相变储热材料因其高的储热密度越来越受到关注，然而对于很多相变储热材料，尤其是无机盐类材料在相变过程中也会导电，因此如上所述的很多专利技术中的加热元件与储热材料直接接触的方法在高温和高电压下不适用，限制了相变储热材料在高压低谷电或弃风电储热的应用；因此需要发展新型低谷电/弃风电制热-储热-用热技术，使其能够在高压电和高温下安全稳定地工作，满足规模性电力和热力调峰需求，以及可再生能源的高效利用。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述的问题，提供一种利用低谷电/弃风电制热-储热-用热的装置与技术，以解决目前高电压高温储热时材料导电、储热密度不高以及供热不稳定等问题，同时实现热能的梯级储存和释放，提高了热能利用率，可用于大规模供热和电力调峰以及可再生能源有效利用。
为达此目的，本发明提供一种基于梯级储热用热的低谷电和弃风电利用装置与技术，包括循环控制单元、储热/释热单元和热用户单元；
所述循环控制单元包括循环风机、电加热室、电力控制单元、气流通道和外墙保温层；所述循环风机包括风机控制器，位于电加热室上游的气流通道内，用于提供储热和放热过程中的循环用风；所述风机控制器与电力控制单元以及热用户单元相连，用于调节循环风速和风温；所述电加热室位于循环风机和储热室之间的气流通道内，与电力控制单元相连，包含电加热元件和热电偶，用于将输入的高压低谷电/弃风电转换为热能，并将所制热能通过辐射以及循环空气传递给储热材料；所述电加热元件表面可以涂有抗氧化和辐射增强涂层用于提高加热元件寿命和加强传热；所述电力控制单元位于系统外部，与电加热室相连，用于电加热元件的功率和温度控制，使电加热室在储热期间按要求安全稳定的输出热能；所述气流通道包括位于储热材料模块之间的通道、电加热室内通道以及含有循环风机和向热用户供热的换热器的通道，用于供热和储热过程中气流携带热量流动；储热过程中，部分低谷电/弃风电所制的热通过辐射传热传递给邻近电加热室侧(位于储热材料层前部)的储热材料，另外的热由循环风携带通过储热材料模块之间的气流流道传递给储热材料，使储热材料的温升从靠近电加热室的储热材料前端开始；通过气流通道和多孔隔热层分布的设计以及气流速度调控，实现储热材料出口的循环气流温度的调控；如果储热期间不供热，则通过调控(如低风速)实现储热材料床中陡的高温前沿，保持储热材料床出口低的循环气流温度；如果储热期间同 时供热，则通过调控(如中等风速)实现储热材料中较为扩散的高温前沿，使储热材料床出口的循环气流温度满足供热需求；放热过程中，停止电制热，低温循环风经风机加压，从储热床前部流进储热床中的气流通道，并与储热材料换热，使温度不断升高，加热后的气体从储热材料床出口流出，通过供热系统换热器，将热量传递给热用户，此过程中气流温度降低并进入循环风机，实现循环过程；由于低温气体从储热床前部进入，储热材料床的低温前沿由上游至下游移动，同时储热材料内部流道错位排列、多孔绝热隔板的使用以及风速的调控可以得到较陡的低温前沿，从而达到储热材料出口气流温度恒定的目的，实现热的梯级使用和稳定供热过程；
所述储热/释热单元包括绝热隔板、多孔辐射传热板、多孔隔热层和储热层；所述绝热隔板位于循环风机所在的气流通道与储热层之间，用于这部分气流通道及其设备与储热层之间的隔热；所述多孔辐射传热板介于电加热室与储/释热之间，位于储热/释热单元的气流的入口处，所述多孔辐射传热板表面可含辐射涂层，用于增强辐射传热；所述多孔隔热层除了用于均匀截面气流分布，也将储热层分为若干储热分区，减少气流流动方向上储热层的导热、维持储热层内部稳定的温度前沿、实现热能的梯级存储和释放；
所述热用户单元包括温控仪、循环泵、热用户系统和热交换器；所述温控仪包括温度和流量控制器，位于系统外部并与位于气流通道内的温度传感器以及热用户系统内的温度和流量传感器相连，用于控制储热/释热单元的供热温度以及热用户系统的输入温度和流量；所述循环泵包括传热流体循环管道，与热用户系统及位于循环风机上游气流通道内的热交换器相连，为管道内传热流体提供动力，将传热流体所含热量传递至热用户系统进行使用；所述热交换器位于循环风机上游的气流通道内，与循环水泵相连，用于将气流通道内的热风的热传递给循环管道的传热流体。
优选的，所述电加热室内的加热元件材质为耐高温、耐氧化和耐腐蚀合金或耐高温陶瓷。
优选的，所述电加热室内的电加热元件带有传热扩展表面以强化传热。
优选的，所述电加热室内设置气流挡板以增加气流停留时间，并强化传热。
优选的，所述保温层和绝热隔板可以是单层或多层，其材质为低导热系数材料，包括泡沫塑料、炭化软木、蛭石、泡沫玻璃、陶瓷纤维、轻质保温棉、微孔硅酸钙、珍珠岩及玻璃棉。
优选的，所述储热层的材料为有机或无机的显热储热材料、潜热(相变)储热材料、复合结构储热材料或它们之间的组合，储热材料的使用温度范围为0-1000℃。
优选的，所述循环风机为低功耗中高温离心风机。
本发明的有益效果为：使用高压低谷电/弃风电将循环空气加热至设计存储温度以上，通 过循环空气从靠近电加热室的储热分区起逐级加热，储热层出口处设有温控，在有效利用储热材料显热和潜热进行储热的同时，实现充热过程控制和保证循环风机的正常工作；需要使用热量时，关闭电加热并使循环空气进入储热气流通道，循环空气被储热层加热后，通过热交换器与热用户单元内的传热流体换热实现热能输出，换热后的低温空气经循环风机加压后与储热层换热，实现风的循环；本发明将加热元件和储热层分离，解决了目前高压电制热、储热和用热技术中储热材料高温导电的安全问题，保证系统安全运行；由于采取了储热区和供热区分离，储热材料可以高温运行，并且可以使用复合相变储热材料，解决了目前传统储热材料的低储热密度和系统体积与重量庞大的问题；同时本发明可以实现热的梯级存储及梯级利用，保证热风出口温度的稳定性，提高了热能利用率，适合大规模推广。
附图说明
图1是为本发明具体实施方式提供的一种基于梯级储热用热的低谷电和弃风电利用装置与技术的结构示意图。
图中：
1、循环风机，2、电加热室，3、电力控制单元，4、气流通道，5、外墙保温层，6、绝热隔板，7、多孔辐射传热板，8、多孔隔热层，9、储热层，10、温控仪，11、循环泵，12、热用户系统，13、热交换器。
具体实施方式
图1是本发明具体实施方式提供的一种基于梯级储热用热的低谷电和弃风电利用装置与技术的结构示意图，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的具体实施方式为：低价谷电期间或弃风电时段，开启循环风机(1)，开启并设定调节电力控制单元(3)，使电加热室(2)内的电加元件加热流过其内的循环空气，热循环空气首先经过多孔辐射板(7)均匀进入储热层(9)的前端，再通过储热层(9)内部的气流通道(4)和多孔隔热层(8)进入储热层(9)中的各分区，在此过程中将其携带的热量由前向后逐级传递给各储热层(9)分区，离开储热层(9)的循环空气的温度由温控仪(10)实时记录，并以此作为依据调节电加热室(2)的输出温度和循环风机(1)风速，实现对储热过程的调控，使得循环空气回流至循环风机(1)的温度不超过其耐受温度，并能保证储热期间同时需要供热的情况下对循环风参数的要求；非低谷电或非弃风电时段，电加热单元关闭，这个时段需要供热时，调节循环风机(1)，循环风与储热层(9)内的储热材料换热使其温度提高，加热后的循环风通过储热层(9)内的气流通道(4)将热量携带至热交换器(13) 处并传递给由循环泵(11)驱动的传热流体，最终将热量输入至热用户系统(12)，热量的输出由温控仪(10)和循环风机(1)的控制器调控；通过热交换器(13)的循环空气温度降低，利用循环风机(1)加压后重新进入储热层(9)，实现循环使用。
采用本发明提供的一种基于梯级储热用热的低谷电和弃风电利用装置与技术为江苏30000m2的商场白天供暖，考虑设计热负荷为40w/m2，夜间低谷电时段为8小时，加热期间不供热，白天供热时间为8小时，则系统供热和储热功率均为1.2mw，所需总储热量为9.6mwh；考虑到各类损失，设计取10％的余量，则加储热加热功率实际值取1.32mw；使用储热密度为930kj/kg的定型相变储热材料，储热材料使用量约为40吨。根据江苏省“苏价工[2011]358号”文规定，大工业、非优待、1-10千伏用电价格为：高峰1.112元/千瓦时，平段0.667元/千瓦时，低谷0.322元/千瓦时，按照利用8小时低谷电储热，供8小时平段和8小时高峰时段使用，平均计算可得，采用本低谷电利用装置每度电可节省0.5675元，江苏省供暖季一般从12月至来年3月，因此每个供暖季可节省约65万元。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的指导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。