雷連白，吳德兵

中海油氣電集團有限責任公司，廣東 中山 528400

0 引言

傳統(tǒng)工業(yè)供熱系統(tǒng)一般采用燃燒生物質(zhì)、天然氣或煤炭的方式，大量排放CO2和NOx，有些還排放SO2。我國這類傳統(tǒng)的工業(yè)供熱系統(tǒng)數(shù)量較大，如果能通過可再生、無污染物排放的新能源新型供熱系統(tǒng)部分替代現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)，對環(huán)境保護和減碳工作將帶來積極影響。文章探討利用太陽能設計一套智慧化工業(yè)供熱系統(tǒng)，并主要從技術(shù)方面進行可行性分析[1]。

1 技術(shù)方案

利用光學、傳熱學、材料學、天文學、氣象學、數(shù)字信息化等學科原理，研究開發(fā)一套安全、可靠、清潔環(huán)保的智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)，擬部分或全部替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)[2-3]。太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)相結(jié)合或進行升級改造，根據(jù)企業(yè)熱負荷大小，熱交換器可設置為工作熱交換組、儲熱熱交換組或工作儲能一體化熱交換組，并采取逐級、多種組合的布置方式。在太陽光照射時間段，工作熱交換組主要替代一部分企業(yè)生產(chǎn)所需的熱能供應，儲能熱交換組在此時間段充分吸收太陽光熱能，以滿足在無太陽光熱供給或系統(tǒng)供熱能量不足的情況下，能保障企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)一定時長提供所需的熱能并作為應急熱源使用。同時，在儲能熱交換組內(nèi)配置電輔助加熱供能裝置，以備氣候異常條件下使用，確保企業(yè)能正常生產(chǎn)。

智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)如圖1所示，各組光照組合系統(tǒng)及熱交換器可以采取多級或多組的靈活布置方式。

圖1 智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)

1.1 熱交換器技術(shù)方案

（1）工作交換器A技術(shù)方案。交換器A采用板式結(jié)構(gòu)，主要功能如下：在太陽光照時間段，能使水泵輸送過來的常溫水加熱到溫度T1，水泵出口壓力為P0，交換器A出口壓力為P1，流量按最大流量Gmax進行設計。介質(zhì)通過交換器A熱能增量計算：

式中：QA為吸熱量，kJ；h1為交換器A出口比焓，kJ/kg；h0為交換器A入口比焓，kJ/kg；m為介質(zhì)質(zhì)量，kg；Gmax為最大流量，kg/h；t為時間，h。

（2）工作交換器B技術(shù)方案。交換器B也采用板式結(jié)構(gòu)，主要功能如下：在太陽光照時間段，能使熱交換器A輸送過來的溫度介質(zhì)T1加熱至T2，以滿足企業(yè)生產(chǎn)流程線所需熱能。介質(zhì)通過交換器B熱能增量計算：

式中：QB為吸熱量，kJ；h2為交換器B出口比焓，kJ/kg。

（3）儲熱交換器C技術(shù)方案。該熱交換器內(nèi)置入儲熱材料（擬選金屬鋁），汽水管道置于儲熱材料中，主要功能如下：其儲熱能量可以滿足時間t（預設連續(xù)無太陽光照時間）內(nèi)企業(yè)正常生產(chǎn)所需熱能或作為應急熱源供應，遭遇異常天氣（連續(xù)無太陽光照超過預設時間t）則可以同時啟用輔助電加熱系統(tǒng)。

式中：QC為交換器C釋放的熱量，kJ；Gi為i時的質(zhì)量流量，kg/h；ti為時間，h。儲熱介質(zhì)質(zhì)量計算式為

式中：m儲為儲熱材料質(zhì)量，kg；h1′為儲熱材料釋放熱量前的比焓，kJ/kg；h2′為儲熱材料釋放熱量后（儲熱材料溫度至少保持在某一溫度T′之上）的比焓，kJ/kg；η儲為儲熱材料與汽水系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換效率，%。

儲熱材料選擇原則是相變溫度合適、相變潛熱較大、熱傳導系數(shù)合適、相變可逆、無毒和對環(huán)境無害、儲熱密度較大、材料容易購買和價格便宜等。儲熱材料與儲能容器、汽水管道之間無明顯高溫化學腐蝕。

1.2 光學系統(tǒng)技術(shù)方案

光照組合系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)場地情況，主要利用光學反射及聚光原理可靈活布置。熱交換器吸收的總熱量Q為

式中：E為單位面積太陽光熱功率，W/m2；S1為菲涅爾透鏡接受光照面積，m2；α為吸熱面總吸熱比；ε為發(fā)射比；S2為投射到吸熱面的聚光面積，m2；δ為厚度，cm；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，kJ/（kg·℃）。

以直徑為2 m的菲涅爾透鏡為例，聚焦至直徑為10 cm、厚度為3 cm的碳鋼上（外部環(huán)境假設為真空），10 min可以使碳鋼塊溫度升高927 ℃。菲涅爾透鏡光熱轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)測算表如表1所示。

表1 菲涅爾透鏡光熱轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)測算表

配置給交換器A的透鏡面積滿足交換器A吸熱面溫度略高于交換器A出口溫度T1即可；配置給交換器B的透鏡面積滿足交換器B吸熱面溫度略高于交換器B出口溫度T2即可；配置給交換器C的透鏡面積滿足在一個自然日內(nèi)使得儲能介質(zhì)能儲存m儲（h1′-h2′）的熱能。透鏡面積可以通過單位面積太陽光熱能聚集到吸熱面的熱力計算所得。

1.3 輔助加熱裝置技術(shù)方案

在天氣異常情況下或在電負荷低谷時段（電價成本較低時），可以啟動輔助加熱裝置以滿足企業(yè)用熱正常生產(chǎn)，同時避免工作熱交換器和儲熱熱交換器本體熱能的繼續(xù)流失，確保天氣恢復正常時能及時投用太陽能供熱系統(tǒng)。當儲熱介質(zhì)下降至T′時，輔助加熱裝置自動啟動，啟動加熱裝置的功率≥(h2-h0)Qmax。

2 系統(tǒng)智慧化要求

光學系統(tǒng)應能自動根據(jù)地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)情況調(diào)節(jié)聚光，并具有自動棄光功能（在夏季太陽直射強度超過最大設計工況的情況下，啟動自動部分棄光系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全運行）。熱力系統(tǒng)應能根據(jù)企業(yè)用熱和儲熱需求進行閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)需要。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

從經(jīng)濟效益方面分析，太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)由太陽能直接轉(zhuǎn)化成熱能，有效減少了能量的中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高了轉(zhuǎn)化效率，將其與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)結(jié)合，通過智慧化控制，可以提高用熱企業(yè)的調(diào)節(jié)能力和用熱品質(zhì)。光學熱傳導和熱儲存技術(shù)目前已比較成熟，總體而言智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)束語

通過上述分析可知，使用智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)在技術(shù)上具有可行性，對減碳和改善環(huán)境可以起到積極作用，同時具有一定的經(jīng)濟性。對大部分工業(yè)用熱企業(yè)而言，由于其對用熱的品質(zhì)和需求各不相同，根據(jù)熱負荷大小，可以靈活設置工作熱交換器，或?qū)⒐ぷ鳠峤粨Q器與儲熱熱交換器進行一體化設計。同時，根據(jù)園區(qū)用地情況，既可建設一個大型、集中式的智慧化太陽能工業(yè)供熱系統(tǒng)，在條件具備的情況下，也可以將該系統(tǒng)升級為光熱發(fā)電站。