■ 劉元元 陳洪晶 劉春喜 閆忠

(1.皇明太陽能股份有限公司技術(shù)中心；2.山東勝寧電器有限公司研發(fā)部)

0 引言

我國是工業(yè)耗能大國，相關(guān)資料顯示，我國工業(yè)耗能當(dāng)中熱能約占53%，雖然不同工業(yè)部門的熱能需求不同，但溫度一般不超過250 ℃[1]。若煙草業(yè)、食品加工業(yè)、造紙業(yè)、紡織業(yè)、化工業(yè)、木材加工業(yè)、塑料業(yè)、醫(yī)藥業(yè)這8個(gè)行業(yè)熱能消耗的10%由太陽能提供，則年節(jié)能量可達(dá)2663萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可減排二氧化碳8682 萬t，年產(chǎn)值可達(dá)1000 億元以上［2］。

1 太陽能鍋爐系統(tǒng)介紹

太陽能鍋爐系統(tǒng)是利用槽式集熱器收集太陽能來加熱吸熱管內(nèi)的介質(zhì)并對外輸送熱能的太陽能熱利用系統(tǒng)。根據(jù)太陽能鍋爐系統(tǒng)最終提供的熱源物質(zhì)，可將其分為兩大類：提供熱油的為太陽能導(dǎo)熱油鍋爐、提供蒸汽的為太陽能蒸汽鍋爐。

太陽能導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)是利用槽式集熱器收集太陽能來加熱導(dǎo)熱油，并且能夠穩(wěn)定輸出的鍋爐系統(tǒng)，主要由槽式集熱器、導(dǎo)熱油鍋爐兩部分組成。其主要應(yīng)用于食品加工、化工、橡膠、木材加工等需要高溫導(dǎo)熱油作為熱源的行業(yè)，最高輸出溫度約為300 ℃。

太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)是利用槽式集熱器收集太陽能來加熱水以產(chǎn)生高壓蒸汽的鍋爐系統(tǒng)。按照太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同可分為導(dǎo)熱油型太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)和直接型太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于紡織、飲料、造紙等需要高溫蒸汽作為熱源的行業(yè)，最高輸出溫度約為200℃。本文主要以太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)為例，將其與常規(guī)能源鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析。

2 不同類型鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 常規(guī)能源鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本情況

以典型地區(qū)額定功率為0.5蒸噸/h的鍋爐為前提，分別計(jì)算不同類型鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本。首先以電鍋爐為例，其壽命期為10年，壽命期內(nèi)電鍋爐蒸汽成本回收情況如表1所示；其他類型的鍋爐計(jì)算方法同理，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 電鍋爐蒸汽成本情況

表2 不同類型鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本

由表2可知，不同類型鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本由大到小依次為電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、市政蒸汽、燃煤鍋爐。

2.2 太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本情況

槽式集熱器作為太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的重要組成部分，其主要與太陽直射輻照(DNI)有關(guān)，假定DNI為5.5 kWh/(m2·d)，以0.5蒸噸/h的太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算過程如下：

1)槽式集熱器面積S可表示為：

式中，H1為15 ℃水的焓值，kJ/kg，取值63；H2為180 ℃蒸汽的焓值，kJ/kg，取值2777；Q為蒸汽量，t/h，取值0.5；η為光熱轉(zhuǎn)換效率，取值0.4；Φ為管路熱損，取值0.2。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)中，則S=1713 m2。

2)太陽能蒸汽鍋爐一次性總投資費(fèi)用Y可表示為：

式中，R為熱系統(tǒng)投資，取值50萬元。

將相關(guān)值代入式(2)可知Y=298萬元。

3)計(jì)算太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本。表3為太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)20年壽命期內(nèi)蒸汽成本的回收情況。

根據(jù)我國的DNI[3]日均值，不同地區(qū)、不同DNI下的太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本情況如表4所示。

表3 太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)20年壽命期內(nèi)蒸汽成本回收的情況

由表4可知，在DNI值較高的地區(qū)，太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的蒸汽成本低于常規(guī)鍋爐。因此，可根據(jù)擬替換的蒸汽鍋爐實(shí)際情況，如市政蒸汽管網(wǎng)情況、燃?xì)夤芫W(wǎng)情況、燃油鍋爐政策、工業(yè)用電價(jià)格、太陽輻照及生產(chǎn)實(shí)際等情況，來評估太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)替代的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

3 太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)示范項(xiàng)目

以某太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)示范項(xiàng)目(見圖1)產(chǎn)生的蒸汽為例進(jìn)行分析。該項(xiàng)目所在地為山東德州 ，DNI為2.5 kWh/(m2·d)，槽式集熱場中集熱器面積為500 m2，集熱器共有4列，每列集熱器長度為50 m，采用南北軸向布置；集熱器采光口尺寸為2.55 m、焦距為0.75 m，集熱器聚光比為60。槽式集熱器采用閉環(huán)控制，PLC控制系統(tǒng)作為主要控制單元，直流電機(jī)與渦輪蝸桿減速機(jī)作為傳動結(jié)構(gòu)，通過傾角傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制。

圖1 太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)示范項(xiàng)目

此系統(tǒng)為直接型太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)，采用水作為傳熱介質(zhì)，通過槽式集熱器加熱后，達(dá)到設(shè)定的溫度和壓力后排放蒸汽。系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，通過設(shè)置正確的溫度、壓力、比例閥，進(jìn)行流量的測量、比較和執(zhí)行，對蒸汽的實(shí)際產(chǎn)量和期望值進(jìn)行比較，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制，糾正系統(tǒng)蒸汽發(fā)生的偏差；通過幾次的循環(huán)糾偏，蒸汽穩(wěn)定排放；上位熱工控制界面可實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)120 ℃以上的蒸汽的生產(chǎn)。

圖2 系統(tǒng)不同日期的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

若系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不能提供穩(wěn)定溫度、穩(wěn)定流量的蒸汽是由于輔助能源電加熱功率大未啟動，太陽能間歇性特點(diǎn)造成蒸汽流量不穩(wěn)定。需要太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)與輔助能源結(jié)合，耦合控制提供穩(wěn)定的蒸汽流量，以滿足工業(yè)穩(wěn)定用熱的需求。

4 結(jié)論

中溫工業(yè)用熱市場廣闊，太陽能鍋爐系統(tǒng)在技術(shù)上為太陽能中溫工業(yè)熱利用提供了可能。以太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)為例，通過對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)的初投資較高，在DNI值較高的地區(qū)，太陽能蒸汽鍋爐的蒸汽成本低于常規(guī)鍋爐；在DNI值較低的地區(qū)，其只與電鍋爐有經(jīng)濟(jì)可比性，經(jīng)濟(jì)性低于燃油或燃?xì)忮仩t。通過對太陽能蒸汽鍋爐系統(tǒng)示范項(xiàng)目進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，若要系統(tǒng)輸出穩(wěn)定溫度、穩(wěn)定流量的蒸汽，還需要與輔助能源結(jié)合。相信隨著技術(shù)不斷革新，太陽能鍋爐系統(tǒng)進(jìn)一步降低成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，其一定會發(fā)揮更好的替代作用，滿足各行業(yè)對熱能的需求。