轻型模块化低成本去中心化创新槽式(PTC)聚光集热系统应用技术
发布者:admin | 来源:王洪国 | 1评论 | 522查看 | 2020-11-17 16:14:52    

----工业过程热绿色发展痛点及解决方案


随着2030年“碳达峰”以及2060年“碳中和”国家绿色发展愿景,对工业领域绿色发展的紧迫性提出现实考验,针对现阶段用能的调查显示,在过去几年中,工业过程用热消耗了年工业能源需求的50%以上,其中约40%的温度在80至150℃的温度范围内。深化控制大气污染防治推进生态文明建设的需要,加速电代煤、气代煤工业领域的快速替代,对于工业过程热企业带来直接成本上涨和环保影响风险压力,特别是北方冬季供暖期间的优先民生用气、控制减少污染天数政策,在不同的可再生能源中,目前太阳能热利用技术,尤其是抛物线槽式集热器(PTC)对于工业过程热应用更为匹配。因此,针对主要市场应用场景使用需求,基于场景和性能要求使我们能够在80至150℃的温度范围内自主设计制造用于工业过程热应用的PTC系统。本文简要讨论了国产化本地制造以及一些实用适应性设计的优势,这些优势在“十四五”阶段可再生能源清洁供热领域非常适合且庞大的市场中应用该技术。


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(图1摘自2050年世界与中国能源展望2019版)


工业用热需求增量主要集中在亚洲与非洲的发展国家,2040年达到56.3亿吨标油峰值水平,之后保持相对稳定。工业部门化石能源需求相继达峰,电气化程度不断提高。煤炭、石油和天然气分别于2020年、2040年和2045年达到峰值。随着化石能源煤炭在2020年的率先达峰,从现在开始落实能源“四个革命,一个替代”的政策,加速电代煤、气代煤工业应用,在工业领域太阳能供热机会将会形成逐年高速增长的发展趋势。由于我国北方地区拥有丰富的太阳能资源,因此已确定太阳能高效热利用技术为可影响实现战略目标的主要可再生能源技术选择之一。2019年,全国太阳能发电装机累计达到2.05亿kw,占电源总装机容量的10.2%,可再生能源节省的能源中超15%归功于太阳能热利用、发电技术的商业化,主要是太阳能热水系统、光伏发电系统。


在工业用热生产中太阳能热能应用最适宜的温度范围是80-150℃,在该温度下,目前工业过程中所有热能的燃料消耗量约为50%。根据2018-2024年工业锅炉市场预测,其中轻纺行业的比例最大,约为19.5%,其次是能源行业的17.5%,食品药品行业的13%,建材行业的12.5%,化工行业9.5%,冶金行业8%,交通行业7%,军工行业6.5%,其他6.5%。


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图2 2018-2024年我国工业锅炉需求市场行业分布预测


对过去30年中获得的全球经验的透彻了解表明,抛物线槽式集热器(PTC)是目标工业过程热温度范围内最实用的系统。PTC领域中的大多数项目目前都集中在设计能够达到高温(通常为300℃至400℃)的系统上,从而使其能够集成为光热发电的热能来源,这导致了相对昂贵和复杂的设计。通过和国内研究院所光热发电专业人员讨论了如何更佳匹配利用太阳能热技术,尤其是PTC与工业过程热系统集成的领域,考虑到成本高昂的土地资源,考虑到短焦距的抛物线避免二次光污染的问题,考虑到集热温度和用热温度更佳匹配性。大家主要关注于整体太阳能的系统集成,以及如何将其子系统(如集热区,储热,辅助热源,热传输和控制子系统)一起配置。尽管用于PTC本身是太阳能工业过程加热系统,但对PTC本身进行的详细研究是较少,目前采用常规的开口2.55米集热器设计,考虑到适用更多空间区域的设计简单制造更低成本特性,因此,我们在研究工业过程热应用中PTC的最佳适用匹配方案。


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轻型模块化槽式PTC设计是基于工业过程热的适用匹配温度范围80-150℃,考虑了工业企业土地空间及充分利用厂房及建筑物屋顶的充分利用,采用轻型模块化可快速复制的设计理念,且能够满足风荷载的强度安全要求。


轻型槽式PTC设计单元长度约为6000mm,设计两支长度3000mm不锈钢真空集热管产品,通过增加集热管长度减少使用的数量、支撑立柱数量,来降低PTC及安装成本来抑制开口变小单位面积成本增加的问题。


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图3道荣新能源设计专用不锈钢真空集热管产品


采用四片抛物线弯钢化(安全玻璃)反射镜产品,提高强度和安全性的同时,满足户外抗冰雹、抗雨雪、抗风砂、抗冰冻严寒环境需要,采用太阳能专用涂层抗紫外线照射等户外使用的安全、强度、耐候性性能要求。通过减少反射镜、支架支撑点的数量,来降低PTC设备和安装成本,同时减少精度控制点来降低系统成本的目标。


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图4弯钢化安全玻璃反射镜聚光现场测试效果


槽式PTC支架主体采用全碳钢材料,激光切割、数控车、铣、钻、焊接等工艺制作而成,保证加工完成的部件的装配精度。在对于特殊表面处理的紧固件、传动件(如轴瓦等)确保满足耐室外环境长期使用。所有钢结构部件在加工完成后进行表面热镀锌处理,在运输过程中所有零部件必须防止受到损伤、变形、镀锌层破坏。创新设计采用抛物线去中心化模式,优化减少整体重量实现厂房屋顶设置要求,采用南北跟踪东西布置更适用于我国北方地区冬季时段更多集热量的获取,满足冬季用供热供暖等用热量最大的贡献。


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图5轻型模块化工业过程热专用槽式PTC集热器


对于工业过程热专用PTC专利技术,太阳直接辐射通过在抛物线焦距上的集热管黑色表面上吸收涂层而快速转化为热量。吸收的能量有用部分通过热传导穿过不锈钢钢管薄壁,并被传热流体导热油(HTF)吸收,后者以湍流方式流经管道,把热量及时收集带走。


本PTC设计采用短焦距不高于1米,有效避免二次光污染现象,更采用不小于36倍的聚光倍数,达到最佳集热系统效率,且能够匹配工业过程热领域温度区间要求,考虑北方地区实际应用场景需要。


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图7槽式集热器(PTC)聚光倍数对应系统光热效率


针对轻型模块化PTC集热器评估优势进行分析,主要几大创新设计特点:


1、简易轻型化


2、标准模块化


3、去抛物线中心化


4、柔性可移动化


5、创新低成本


全球首创(专利)技术北方地区适应性设计理念,目的是解决建筑物屋顶、农业大棚、公共绿地等可利用空间,简易模块化快速安装施工、更适合我国北方地区适应性设计、更低制造和安装成本、柔性模块化可移动等多项综合特性,满足工农业领域、商业及公服机构多种应用场景的需要。通过简易设计降低集热器材料加工制造成本,标准模块设计能够减少施工安装成本。


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图8轻型模块化工业过程热专用PTC去中心化设计模式


全球首创去抛物线中心化槽式PTC集热(专利)技术是坚持绿水青山就是金山银山理念,坚持尊重自然、顺应自然、保护自然,坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主,守住自然生态安全边界。加快推动工业领域绿色低碳发展,支持绿色技术创新,推进清洁生产,发展环保产业,推进工业重点行业和重要领域绿色化改造。推动能源清洁低碳安全高效利用,作为太阳能高效热利用的创新技术,为实现最佳成本提供绿色利用技术。


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图9分布式光热+槽式PTC镜场(网络图)布置


轻型模块化PTC技术将会发挥自身匹配性优势,助力提供最佳可再生能源清洁供热替代转换,随着煤改电、煤改气政策的更多应用领域强制执行,导致工农商业多领域的热价逐年上涨,基于电能替代优惠政策的推进,太阳能光热+将会成为最佳匹配技术形式。希望政策制定推动者,能够在节能环保应用领域,考虑可再生能源清洁能源供热比例的规划逐步实施落地,以目前山东电能替代的优惠补贴政策分析,以低谷电量补贴累计2023年后退坡测算,参考下表:


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图10山东省电能替代奖励电量参考标准


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图11山东省电能替代奖励1蒸吨(700kw)费用测算


按照产生1蒸吨需要700kw电功率来测算,利用低谷时段8小时,电价按照低谷时段电价0.3157元/kwh,按照每年330天使用,累计补贴的总费用为212.36万元。根据这个政策补贴方案,按照安装使用1年,退坡3年的累计,全部按照低谷时段电价计算,总的补贴费用较高,去补贴之后工业用户的用热成本将会大幅上升,抑制成本增加的最佳方案就是采用轻型模块化PTC技术,充分利用白天太阳能来降低白天峰值平段电价较高带来的用热成本难题。随着生态环保政策的加速落地,山东省生态环境局下发《关于做好非传输通道城市35蒸吨/小时以下燃煤锅炉淘汰工作的通知》中明确要求,2021年10月底前,青岛、枣庄、东营、烟台、潍坊、泰安、威海、日照、临沂9个非传输通道城市35蒸吨/小时以下燃煤锅炉(高效煤粉炉除外)全部淘汰。全省不再新建35蒸吨/小时以下各种类型燃煤锅炉。也期盼政府政策制定者,能够在政策补贴上面采用针对可再生能源技术利用的更多倾斜,如果电能替代的1蒸吨电量补贴测算212万元能够补贴给槽式PTC技术应用,将会给企业带来更多效益,而且是100%的可再生能源利用。建议政策制定者禁煤后采取鼓励大家提高可再生能源供热比例,通过计量实际供能采取5年税收奖补的方式鼓励企业,自主加速提高可再生能源用热比例,当然也可以考虑采取增加碳税、能源税的方式,真正实现绿色制造高质量生态发展目标。


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图12槽式PTC集热器系统在厂区绿地可以空间应用


让每一个屋顶、每一块绿地空间可利用场地都能插上槽式PTC集热系统的翅膀,为用户节约更多的能源成本,为煤改电、煤改气后时代提供最佳匹配的低成本清洁供热技术。


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图13轻型模块化PTC更适用于建筑物屋顶应用场景


大力推行工业绿色清洁发展是生态文明建设、高质量发展的重要举措,全面落实制造强国建设战略,强化绿色发展理念,紧紧围绕制造业资源能源利用效率和清洁生产水平提升,以制造业绿色改造升级为重点,以科技创新为支撑,以法规标准绿色监管制度为保障,以示范试点为抓手,加大政策支持力度,加快构建绿色制造体系,推动绿色产品、绿色工厂、绿色园区和绿色供应链全面发展,壮大绿色产业,增强国际竞争新优势,实现制造业高效清洁低碳循环和可持续发展,促进工业文明与生态文明和谐共融。


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图表14不同DNI法向直接辐射地区PTC产生蒸汽成本测算


上表为根据不同地区测算的PTC集热系统产生的蒸汽成本参考,随着技术的不断进步,规模化后的系统成本会逐步下降,供热成本也一定会逐年下降。


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图15轻型模块化槽式PTC集热系统在综合能源领域的应用场景模式


针对煤改气的工业领域应用企业,面对北方地区冬季清洁供暖民用市场用户的突然增加,导致出现燃气锅炉停工限产状况时有发生,伴随着国内天然气进口的比例逐年增长,未来燃气的成本会越来越高,PTC聚光集热系统技术为北方地区工商业企业提供最佳匹配光热+燃气锅炉耦合节能降费的最佳匹配方案。


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图16槽式PTC集热系统(威县)绿地应用实景


轻型模块化槽式PTC集热技术,不仅仅适用于工业领域的清洁供热替换耦合市场,也可以应用在北方地区冬季清洁供暖领域中的,分布式区域集中供暖领域,在寒冷的冬季不仅仅能够提供清洁热源,同时在非供暖季能够提供现代农业中草药烘干、粮食烘干、枸杞、烟草等烘干,实现跨季充分利用的同时为用户创造更大价值利益。


轻型模块化PTC槽式集热技术,作为可再生能源清洁供热的太阳能高效热利用技术,为绿色现代农业创新发展提供能源保障,为绿色工业制造清洁生产提供未来最具竞争力的清洁热能,作为推行绿色生产和消费是建设生态文明、实现高质量发展的重要举措。围绕槽式聚光光热直接利用技术,建设以热为中心的综合能源项目,将为PTC光热技术的应用打开新的增量市场空间,随着电能替代、电气化政策快速发展的综合能源领域,槽式PTC光热清洁供热技术将会是最佳的综合降本匹配应用技术,实现可再生能源在综合能源领域的充分利用。


轻型模块化槽式PTC集热太阳能高效热利用应用技术,

他将成为综合能源领域可再生能源清洁供热最佳匹配技术,

他将成为区域整村集中供暖最优解决方案,非供暖季能够满足粮食、中草药等烘干应用,

他将成为“煤改电”电能替代最优匹配技术方案,实现白天光热+晚上低谷电更低用热成本的途径,

他将成为“煤改气”最佳耦合利用技术,不仅仅是解决低成本可再生能源供热比例的增加,也避免供暖季保民生供暖限气限产的烦恼,

他将成为北方地区空气源热泵供暖白天成本较高,有效降低电费高的有效技术解决方案,

他将成为公服机构最低成本冬季供暖、夏季制冷太阳能高效应用技术,

他将成为企业绿地广场上面的清洁供热太阳能翅膀,

他将成为农业科技大棚清洁用热的曙光,

他将成为未来最低成本清洁供热技术,

他将成为我们太阳能高效热利用重要前进方向,

让我们光热家人一起努力,让阳光温暖清洁的未来,

欢迎朋友们共同努力推动太阳能高效热利用的更大规模利用。


本文作者:王洪国,一三八一〇五一八八三九,欢迎交流。

最新评论
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hongguo99
说明,轻型模块化去中心化槽式PTC的初衷是适用于建筑物屋顶的目标市场,也就是在北方DNI较好地区的建筑物(厂房、办公楼、停车场、大棚等)屋顶上是相对适合的应用技术,去抛物线中心化的目的是北半球北方地区冬季越寒冷DNI数据越高,南北跟踪东西布置冬季热量收集更高的目的。
2020-11-17 22:05:19
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