太陽能蒸汽鍋爐系統的經濟性淺析

■ 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中心；2.山東勝寧電器有限公司研發部)

0 引言

我國是工業耗能大國，相關資料顯示，我國工業耗能當中熱能約占53%，雖然不同工業部門的熱能需求不同，但溫度一般不超過250 ℃[1]。若煙草業、食品加工業、造紙業、紡織業、化工業、木材加工業、塑料業、醫藥業這8個行業熱能消耗的10%由太陽能提供，則年節能量可達2663萬噸標準煤，可減排二氧化碳8682 萬t，年產值可達1000 億元以上［2］。

1 太陽能鍋爐系統介紹

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

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

太陽能蒸汽鍋爐系統是利用槽式集熱器收集太陽能來加熱水以產生高壓蒸汽的鍋爐系統。按照太陽能蒸汽鍋爐系統結構的不同可分為導熱油型太陽能蒸汽鍋爐系統和直接型太陽能蒸汽鍋爐系統。其主要應用于紡織、飲料、造紙等需要高溫蒸汽作為熱源的行業，最高輸出溫度約為200℃。本文主要以太陽能蒸汽鍋爐系統為例，將其與常規能源鍋爐系統進行經濟性對比分析。

2 不同類型鍋爐系統的經濟性分析

2.1 常規能源鍋爐系統的蒸汽成本情況

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

表1 電鍋爐蒸汽成本情況

表2 不同類型鍋爐系統的蒸汽成本

由表2可知，不同類型鍋爐系統的蒸汽成本由大到小依次為電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、市政蒸汽、燃煤鍋爐。

2.2 太陽能蒸汽鍋爐系統的蒸汽成本情況

槽式集熱器作為太陽能蒸汽鍋爐系統的重要組成部分，其主要與太陽直射輻照(DNI)有關，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為例進行計算，具體計算過程如下：

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為光熱轉換效率，取值0.4；Φ為管路熱損，取值0.2。

將相關數值代入式(1)中，則S=1713 m2。

2)太陽能蒸汽鍋爐一次性總投資費用Y可表示為：

式中，R為熱系統投資，取值50萬元。

將相關值代入式(2)可知Y=298萬元。

3)計算太陽能蒸汽鍋爐系統的蒸汽成本。表3為太陽能蒸汽鍋爐系統20年壽命期內蒸汽成本的回收情況。

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

表3 太陽能蒸汽鍋爐系統20年壽命期內蒸汽成本回收的情況

由表4可知，在DNI值較高的地區，太陽能蒸汽鍋爐系統的蒸汽成本低于常規鍋爐。因此，可根據擬替換的蒸汽鍋爐實際情況，如市政蒸汽管網情況、燃氣管網情況、燃油鍋爐政策、工業用電價格、太陽輻照及生產實際等情況，來評估太陽能蒸汽鍋爐系統替代的可行性及經濟性。

3 太陽能蒸汽鍋爐系統示范項目

以某太陽能蒸汽鍋爐系統示范項目(見圖1)產生的蒸汽為例進行分析。該項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控制，PLC控制系統作為主要控制單元，直流電機與渦輪蝸桿減速機作為傳動結構，通過傾角傳感器進行實時跟蹤控制。

圖1 太陽能蒸汽鍋爐系統示范項目

此系統為直接型太陽能蒸汽鍋爐系統，采用水作為傳熱介質，通過槽式集熱器加熱后，達到設定的溫度和壓力后排放蒸汽。系統采用PID閉環控制，通過設置正確的溫度、壓力、比例閥，進行流量的測量、比較和執行，對蒸汽的實際產量和期望值進行比較，執行調節控制，糾正系統蒸汽發生的偏差；通過幾次的循環糾偏，蒸汽穩定排放；上位熱工控制界面可實時顯示，系統運行數據采集如圖2所示，可實現120 ℃以上的蒸汽的生產。

圖2 系統不同日期的運行數據采集

若系統在運行過程中不能提供穩定溫度、穩定流量的蒸汽是由于輔助能源電加熱功率大未啟動，太陽能間歇性特點造成蒸汽流量不穩定。需要太陽能蒸汽鍋爐系統與輔助能源結合，耦合控制提供穩定的蒸汽流量，以滿足工業穩定用熱的需求。

4 結論

中溫工業用熱市場廣闊，太陽能鍋爐系統在技術上為太陽能中溫工業熱利用提供了可能。以太陽能蒸汽鍋爐系統為例，通過對系統的經濟性進行分析后發現，太陽能蒸汽鍋爐系統的初投資較高，在DNI值較高的地區，太陽能蒸汽鍋爐的蒸汽成本低于常規鍋爐；在DNI值較低的地區，其只與電鍋爐有經濟可比性，經濟性低于燃油或燃氣鍋爐。通過對太陽能蒸汽鍋爐系統示范項目進行分析發現，若要系統輸出穩定溫度、穩定流量的蒸汽，還需要與輔助能源結合。相信隨著技術不斷革新，太陽能鍋爐系統進一步降低成本，提高系統穩定性，其一定會發揮更好的替代作用，滿足各行業對熱能的需求。