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槽式太阳能系统提供工业蒸汽的投资收益分析

2019.03.04 来自:CSPFocus光略咨询

槽式太阳能集热系统可以为工业生产提供蒸汽。“槽式聚光集热系统在工业蒸汽领域的应用,必须要围绕着工业企业用蒸汽的特性进行优化,考虑到更佳适应性、经济性、稳定性,同时要解决如何保障太阳能系统的持续性、匹配性、安全性等的诸多挑战,找到不同企业工厂用蒸汽模式的最佳耦合运行方案。”成都禅德太阳能电力有限公司(下文简称成都禅德)王洪国说:“基于目前企业进行“煤改气、电”主要的锅炉形式,优先开展燃气锅炉、电锅炉用户的太阳能再节约替代方向,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,可根据需要用户的资源条件,设计优化合理的槽式太阳能光热+多能互补模式。”


近期,成都禅德提出了“推进槽式太阳能技术迈进工业用蒸汽新时代”,王洪国等对槽式太阳能系统提供工业蒸汽的应用设计以及投资收益进行了分析,整理如下,以供参考。


左图:光热发电用开口5770mm集热器;右图:工业蒸汽用开口3000mm集热器


一、以适应性为目标的创新设计


太阳能槽式集热技术用于工业蒸汽领域,在设计阶段应该摈弃目前光热发电用槽式集热的相对高成本的设计思想,在优化中我们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,通过对大量工业蒸汽客户的调研,集热场的出口温度比光热发电领域至少降低了150℃以上,这使得材料、导热介质、全系统的配置成本大幅下降,温度和压力降低也降低了集热系统的安全风险,反射镜采用两片的设计极大的降低了施工安装成本。


与现有光热发电用槽式集热技术设计模式不同,工业蒸汽领域可以利用当前市场中常规的中高温槽式集热技术,通过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,实现了2片反射镜产品设计,接近合理极限宽度,同时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%;在金属结构的部分也做了优化设计,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,导热介质在最高温度的设计上控制在了315℃以下,导热油的冷凝点从14℃下降到-18℃,以此降低导热、传热系统的防凝成本。


成都禅德通过充分认识工业生产的用能特点、中高温集热系统的应用特点,合理优化设计,提出了适应于不同用能需求的工业蒸汽市场的槽式集热系统设计最佳方案。


表1 槽式集热器单元(SCE)参数


二、以最佳匹配性为目标的优化设计


成都禅德自主开发的工业蒸汽市场专用槽式太阳能集热器,是在充分听取各企业、设计院等专家建议后的智慧结晶。


设计开口宽度为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,既有利于降低成本增加竞争力,又能够满足温度在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,整个系统的设计仍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2 槽式集热器组合(SCA)整体参数


三、系统优化设计


在系统的设计方面,主要从以下几个方面进行了优化:


1、集热系统的高度不能影响到建筑物本身;


2、采用槽式抛物线短焦距技术,避免光污染问题;


3、考虑到有效空间的最大利用,设计时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),在建筑的屋顶使用时,设计更轻便标准模块化的半抛物面型结构方式;


4、集热系统采用导热油作为吸热、传热换热介质,能够降低系统压力,提高系统安全稳定性,同时配置导热油缓冲罐。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;


5、设计合理的储能方案,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。


图:槽式有机朗肯发电加供热的多能互补方案


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,实现更高利用的模式。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。


四、以经济性为初心的设计满足用户需求


为客户带来价值是每个设计的出发点,也是合理优化提供稳定可靠的槽式太阳能工业蒸汽技术的源头。


工业生产是用热,槽式集热技术的特点是直接能够进行光热转换利用。粗略计算,从太阳能的利用效率来说,直接用热将比光伏发电、光热发电的转换效率高三倍多,光热的直接利用也缩短了能量的转换过程。


“再好的设计,再高的效率,最终客户关心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。”王洪国坦言。


政府强有力的治理大气污染政策、蓝天保卫战的三年规划, 2017年的 “气荒”影响下的日益成本高涨的天然气,及2019年可再生能源电力配额的强制实施,给清洁能源带来了广阔的应用前景及市场机会,槽式太阳能集热工业蒸汽技术价值已经凸显。以张家口张北地区光资源DNI1700kwh/m²/y的条件粗算,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);按照目前的天然气价格3.75元/m³来测算,产生的蒸汽成本约320元/吨,此价格没有考虑供暖季天然气价格上涨的风险。由于天然气未来价格存在逐步上涨的风险,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难以承受,相比5年前的蒸汽成本来说,几乎接近翻番的窘境。


表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)


2018年底预测我国天然气供需缺口高达228亿立方米。考虑到长期持续发展,作为工业生产企业自身,是需要降低能源成本了。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的可再生能源多能互补利用新时代。


考虑到企业的短期盈利能力下降,更迫切的需要降低成本方案,同时更需要金融业的强力支持,以绿色可再生能源应用为目标,吸引更多绿色基金的介入,形成规模化效益,助力广大工业企业用上真正绿色低价的蒸汽,携手一起为工业制造的创新发展提供绿色能源动力。



相关线下活动:


第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)

第四届CSP Focus光热发电中东北非聚焦大会(2019.6.27-28,迪拜)


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