成都禅德:槽式太阳能集热技术解决工业蒸汽成本上涨难题

时间:2019-01-09 18:44来源:王洪国
  作为一种可再生能源技术,太阳能热利用一直受到关注;随着槽式太阳能热发电技术的集热高效利用方式逐步走向实施落地,槽式太阳能集热技术工业蒸汽系统也受到业界青睐。目前,成都禅德太阳电力有限公司(下文简称成都禅德)正积极推广和实践槽式太阳能集热系统技术。
  槽式太阳能工业蒸汽聚光系统的应用,必须要围绕着工业企业用蒸汽的特性在优化改变自己本身,不能再停留在光热发电、光热热水的思维模式,必须要考虑到更佳适应性、经济性、稳定性,同时要解决太阳能系统的持续性、匹配性、安全性等的诸多挑战和解决不同企业工厂用蒸汽模式的最佳耦合运行方案。考虑到目前的工业企业“煤改气、电”为主要的锅炉形式,成都禅德优先开展燃气锅炉、电锅炉用户的太阳能再节约替代方向,该集热系统对于生物质、醇基燃料、清洁煤等其他形式保留下来的锅炉,同样可行有效。同时,成都禅德根据用户的资源条件设计优化合理的多能互补模式。  
图:上图为光热发电开口5770mm集热器,下图为工业蒸汽开口3000mm集热器
  以适应性为目标的创新设计,作为最佳槽式集热技术的诞生,成都禅德在设计阶段摈弃了目前光热发电槽式集热的相对高成本设计思想,在优化中利用更匹配应用温度区间采取降低集热温度(从集热场出口温度393°向下降低到235°左右)、从繁到简(采用4片反射镜组成的抛物线降低到2片组成)、从大到小(开口宽度从5770mm降低到3000mm,焦距从1710mm降低到950mm)、从长到短(集热器组合从150m减少到50m)的思路,从工业蒸汽的大量客户调研下来,集热场的出口温度比光热发电领域至少降低了150°以上,让材料、导热介质、全系统的配置成本大幅下降,温度和压力降低使集热系统也降低了安全风险,反射镜采用两片的设计也极大的降低了施工安装成本。
  因为我们不仅仅降低现有光热发电技术的设计模式,更利用当前市场常规的中高温槽式集热的技术,采取了提高增强的设计思维,在现有中高温集热器开口2550mm的基础上提高了14%的宽度比例,从而达到了2片反射镜产品设计的接近合理极限宽度,同时我们的焦距设计也在此基础上提高了10%,相应的采光面积也提高了14%,对于金属结构的部分做了优化设计,满足性能和降低成本的双向要求。
  通过合理降级加上优化升级双重系统设计后,导热介质不仅仅是在最高温度的设计上控制在了315°以下,更让导热油的低温从14°下降到-18°的更大冷凝点,降低导热、传热系统的防凝成本。
  通过合理的优化设计,为打造更专业利用光热发电技术的累积经验,充分汲取中高温集热系统的应用特点,为槽式太阳能工业用蒸汽市场缔造出最理想的槽式集热系统设计最佳方案,以适用于工业企业蒸汽领域的广泛市场。
  表1-2集热器单元(SCE)参数

参数名称

光热发电

工业蒸汽

备注

SCE单元开口宽度

5770mm

3000mm

 

抛物线焦距

1710mm

950mm

 

SCE单元长度

12m

6m

 

SCE光学效率

77%

≥77%

入射角为0,风速≤7m/s

拦截因子

96.5%

≥96.5%

入射角为0°

钢结构主要材料

Q235B

Q235B

 

钢结构表面处理方式

热镀锌

热镀锌

 

使用寿命

25

≥25

 

集热管

3

3

Φ70mm/50mm/40mm

反射镜

28

8

RP3/RC3A

  以最佳匹配性为目标的优化设计,针对我们自主开发的槽式太阳能工业蒸汽市场专用集热器,是在充分听取各企业、设计院等专家的建议后综合各专家智慧的结晶。之所以设计这个开口宽度为3000mm、焦距950mm,聚光比70倍左右,集热管可选用管径在40mm-60mm范围大小,适用更大范围的核心部件选择,有利于降低成本增加竞争力,能够满足温度在120℃~300℃范围内的工业蒸汽应用领域的需要。采取标准化模块单元每个SCE集热器单元(SCE=6000mm)的长度可以适用于6000mm,或者8000mm以及12000mm的不同场地空间需要灵活合理搭配,整个集热系统的标准回路按照200m设计,由4个标准的SCA集热器组合(SCA=50m)组成,整个系统的设计严格按照光热发电的光学效率控制每项核心部件的严格设计、精细制造、光学检测、过程控制、组装集成、系统优化。
  表1-2集热器组合(SCA)整体参数

参数名称

单位

光热发电

工业蒸汽

备注

总体长度

m

150

50

 

有效集热面积

817.5

134.8

 

SCE数量

12

8

单个SCE12m/6m

支撑立柱

12

8

 

驱动立柱

1

1

 

驱动系统

1

1

液压/减速机

就地控制系统(LOC)

1

1

 

金属软管

2

2

或者回转接头

最大工作风速

m/s

14

14

风速等级7

极限风速

m/s

 

33

33

停机保护状态下集热器不损坏,风速等级12

工作环境温度范围

-25-50

-25~50

 

跟踪范围

°

 -30~180°

 -30~180°

 
  系统的设计考虑部分专家对于系统不能影响建筑物本身,也就是工业厂房高度的因素;采用槽式抛物线短焦距的技术形式,为工业企业专家担心的光污染问题得到了有效的解决和避免;考虑到工业有效空间的最大利用,采取单轴跟踪技术能够提高光学接收效率(相比非跟踪技术),更在为建筑屋顶设计更轻便标准模块化的半抛物面型结构方式;集热系统采用导热油吸热传热换热,能够降低系统压力,提高系统安全稳定性,通过利用导热油缓冲罐的配置能够稳定输出给蒸汽发生器,经过蒸汽发生器内的换热器加热水,从而给客户提供稳定的蒸汽,避免云的遮挡给系统带来的不稳定影响;并通过合理的设计储能方案,为用户提供更长时间的太阳能蒸汽利用小时数,目前针对储能的技术在可考虑配置低成本固体储热、导热油、低熔点盐、相变材料等多种模式,为不同用户的需要设计最佳的储热方案,以满足用户的蒸汽稳定需要。
  槽式太阳能工业蒸汽系统可以和现有燃气锅炉、电锅炉耦合匹配使用,也可以根据项目情况配置有机朗肯、螺杆机等发电系统达到更高利用的模式。槽式集热器采用多倍聚光的方式,提高集热温度及热能品质,突破太阳能只能提供低于80℃热水的局限,专注于解决工业领域的蒸汽需求。      
图1-2为槽式有机朗肯发电加供热的多能互补方案
  以经济性为初心的设计满足用户需求,透过合理优化提供稳定运行可靠的槽式太阳能工业蒸汽技术,如何能给客户带来好处,是每个企业最想知道的问题。基于槽式光热技术的特性,是直接的光热转换利用,从太阳能的利用效率上面是比光伏发电、光热发电提高转换效率三倍多,光热的直接利用也缩短了能量的转换模式。再好的设计,再高的效率,最终客户关系的是产生的蒸汽成本和一次性投资的大小,必须有一套科学合理的测算方式让企业可接受。考
  虑到一次性投资的因素,目前来说槽式太阳能技术应该是所有蒸汽系统里面对于设备一次性投资最大的系统技术了,需要通过合理测算给企业提供一个清晰的投资收益。
  如果说5年前让我来大肆宣扬槽式太阳能工业蒸汽的市场机会,那是不敢想象的事情,主要是因为燃煤的成本较低没法去比,再加上雾霾的严重性程度不可估量,无法确定明天的太阳是否还会被雾霾蒙住了眼睛。但今天,我们槽式太阳能集热工业蒸汽系统,可以说机会起来了,是政府的强有力的大气污染政策、蓝天保卫战的三年战斗带来的工业能源市场变革,越来越少的是雾霾的身影,越来越多的是阳光的笑脸。当然,这些不仅仅是政府强有力的主导政策结果,更是广大工业企业不惜牺牲能源成本的增加,为蓝天的再现付出很大的努力和代价,也就出现了去年“气荒”影响下的日益成本高涨的天然气,加上明年可再生能源电力配额的强制实施,相信化石能源逐步会被可再生能源替代是未来必走或者政府逼走的工业能源路线。今天,槽式太阳能集热工业蒸汽技术价值已经突显,以张家口张北地区光资源DNI1700kwh/m²/y的例子来看,不考虑企业场地的成本,仅仅利用槽式太阳能工业蒸汽的技术产生的蒸汽价格低于175元/吨(准确数据需要根据场地规模大小进行核算);就目前的天然气价格参考3.75元/m³来测算,产生的蒸汽成本320元/吨左右,此价格没有考虑供暖季天然气价格上涨的风险,对于天然气未来价格会逐步上涨的风险,工业企业本身的利润率会被能源成本增加逐年抵消,在可预见的未来会让企业承受不了,相比5年前的蒸汽成本来说,几乎接近翻番的窘境。
  表1-3张北2t/h的燃气锅炉对比槽式太阳能白天6小时产生的蒸汽成本对比
(备注:没有考虑土地及地基基础成本)
  作为工业企业自身,是该让能源成本想法下降的时候了,就是在“煤改气”、“煤改电”之后的新时代,最佳的低成本槽式太阳能工业蒸汽匹配耦合技术,必将会给企业带来低成本可再生能源多能互补利用时代。根据中国天然气发展2018年报告数据,2017年工业燃料消耗量为760亿立方米,占比31.8%,化工用气量延续低迷态势约为262亿立方米,占比由2016年的12.2%降为11%。预计2018年工业燃料用气将明显增长消费量约为900亿立方米,同比增速18.4%,占比升至33.2%,化工用气态势持续低迷,消费总量约260亿立方米,占比不足10%。我们的目标是工业燃料、化工用气企业的白天有太阳的8小时,是我们的目标节约替代市场。当然,还有电锅炉的市场机会,白天的峰谷电价偏高,正是给白天的太阳能增加了经济性竞争力的市场更多机会。(作者:成都禅德太阳能电力有限公司王洪国)

注:本文章转载自王洪国,不代表本网观点立场。

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