智慧化太陽(yáng)能工業(yè)供熱系統(tǒng)研究

雷連白，吳德兵

中海油氣電集團(tuán)有限責(zé)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(guó)這類傳統(tǒng)的工業(yè)供熱系統(tǒng)數(shù)量較大，如果能通過(guò)可再生、無(wú)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(duì)環(huán)境保護(hù)和減碳工作將帶來(lái)積極影響。文章探討利用太陽(yáng)能設(shè)計(jì)一套智慧化工業(yè)供熱系統(tǒng)，并主要從技術(shù)方面進(jìn)行可行性分析[1]。

1 技術(shù)方案

利用光學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)、數(shù)字信息化等學(xué)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(yáng)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(yáng)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(jìn)行升級(jí)改造，根據(jù)企業(yè)熱負(fù)荷大小，熱交換器可設(shè)置為工作熱交換組、儲(chǔ)熱熱交換組或工作儲(chǔ)能一體化熱交換組，并采取逐級(jí)、多種組合的布置方式。在太陽(yáng)光照射時(shí)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(yīng)，儲(chǔ)能熱交換組在此時(shí)間段充分吸收太陽(yáng)光熱能，以滿足在無(wú)太陽(yáng)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(shí)長(zhǎng)提供所需的熱能并作為應(yīng)急熱源使用。同時(shí)，在儲(chǔ)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(yáng)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(jí)或多組的靈活布置方式。

圖1 智慧化太陽(yáng)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(yáng)光照時(shí)間段，能使水泵輸送過(guò)來(lái)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(jìn)行設(shè)計(jì)。介質(zhì)通過(guò)交換器A熱能增量計(jì)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(shí)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(yáng)光照時(shí)間段，能使熱交換器A輸送過(guò)來(lái)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(guò)交換器B熱能增量計(jì)算：

式中：QB為吸熱量，kJ；h2為交換器B出口比焓，kJ/kg。

（3）儲(chǔ)熱交換器C技術(shù)方案。該熱交換器內(nèi)置入儲(chǔ)熱材料（擬選金屬鋁），汽水管道置于儲(chǔ)熱材料中，主要功能如下：其儲(chǔ)熱能量可以滿足時(shí)間t（預(yù)設(shè)連續(xù)無(wú)太陽(yáng)光照時(shí)間）內(nèi)企業(yè)正常生產(chǎn)所需熱能或作為應(yīng)急熱源供應(yīng)，遭遇異常天氣（連續(xù)無(wú)太陽(yáng)光照超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間t）則可以同時(shí)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(shí)的質(zhì)量流量，kg/h；ti為時(shí)間，h。儲(chǔ)熱介質(zhì)質(zhì)量計(jì)算式為

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

儲(chǔ)熱材料選擇原則是相變溫度合適、相變潛熱較大、熱傳導(dǎo)系數(shù)合適、相變可逆、無(wú)毒和對(duì)環(huán)境無(wú)害、儲(chǔ)熱密度較大、材料容易購(gòu)買和價(jià)格便宜等。儲(chǔ)熱材料與儲(chǔ)能容器、汽水管道之間無(wú)明顯高溫化學(xué)腐蝕。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案

光照組合系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)場(chǎng)地情況，主要利用光學(xué)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(yáng)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(shè)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(cè)算表如表1所示。

表1 菲涅爾透鏡光熱轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)測(cè)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(gè)自然日內(nèi)使得儲(chǔ)能介質(zhì)能儲(chǔ)存m儲(chǔ)（h1′-h2′）的熱能。透鏡面積可以通過(guò)單位面積太陽(yáng)光熱能聚集到吸熱面的熱力計(jì)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(fù)荷低谷時(shí)段（電價(jià)成本較低時(shí)），可以啟動(dòng)輔助加熱裝置以滿足企業(yè)用熱正常生產(chǎn)，同時(shí)避免工作熱交換器和儲(chǔ)熱熱交換器本體熱能的繼續(xù)流失，確保天氣恢復(fù)正常時(shí)能及時(shí)投用太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)。當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)下降至T′時(shí)，輔助加熱裝置自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)加熱裝置的功率≥(h2-h0)Qmax。

2 系統(tǒng)智慧化要求

光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)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(dòng)棄光功能（在夏季太陽(yáng)直射強(qiáng)度超過(guò)最大設(shè)計(jì)工況的情況下，啟動(dòng)自動(dòng)部分棄光系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行）。熱力系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)企業(yè)用熱和儲(chǔ)熱需求進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)需要。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

從經(jīng)濟(jì)效益方面分析，太陽(yáng)能工業(yè)供熱系統(tǒng)由太陽(yáng)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(guò)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(xué)熱傳導(dǎo)和熱儲(chǔ)存技術(shù)目前已比較成熟，總體而言智慧化太陽(yáng)能工業(yè)供熱系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，使用智慧化太陽(yáng)能工業(yè)供熱系統(tǒng)在技術(shù)上具有可行性，對(duì)減碳和改善環(huán)境可以起到積極作用，同時(shí)具有一定的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)大部分工業(yè)用熱企業(yè)而言，由于其對(duì)用熱的品質(zhì)和需求各不相同，根據(jù)熱負(fù)荷大小，可以靈活設(shè)置工作熱交換器，或?qū)⒐ぷ鳠峤粨Q器與儲(chǔ)熱熱交換器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)園區(qū)用地情況，既可建設(shè)一個(gè)大型、集中式的智慧化太陽(yáng)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(jí)為光熱發(fā)電站。