太阳能蒸汽锅炉系统的经济性浅析

■ 刘元元 陈洪晶 刘春喜 闫忠

(1.皇明太阳能股份有限公司技术中心；2.山东胜宁电器有限公司研发部)

0 引言

我国是工业耗能大国，相关资料显示，我国工业耗能当中热能约占53%，虽然不同工业部门的热能需求不同，但温度一般不超过250 ℃[1]。若烟草业、食品加工业、造纸业、纺织业、化工业、木材加工业、塑料业、医药业这8个行业热能消耗的10%由太阳能提供，则年节能量可达2663万吨标准煤，可减排二氧化碳8682 万t，年产值可达1000 亿元以上［2］。

1 太阳能锅炉系统介绍

太阳能锅炉系统是利用槽式集热器收集太阳能来加热吸热管内的介质并对外输送热能的太阳能热利用系统。根据太阳能锅炉系统最终提供的热源物质，可将其分为两大类：提供热油的为太阳能导热油锅炉、提供蒸汽的为太阳能蒸汽锅炉。

太阳能导热油锅炉系统是利用槽式集热器收集太阳能来加热导热油，并且能够稳定输出的锅炉系统，主要由槽式集热器、导热油锅炉两部分组成。其主要应用于食品加工、化工、橡胶、木材加工等需要高温导热油作为热源的行业，最高输出温度约为300 ℃。

太阳能蒸汽锅炉系统是利用槽式集热器收集太阳能来加热水以产生高压蒸汽的锅炉系统。按照太阳能蒸汽锅炉系统结构的不同可分为导热油型太阳能蒸汽锅炉系统和直接型太阳能蒸汽锅炉系统。其主要应用于纺织、饮料、造纸等需要高温蒸汽作为热源的行业，最高输出温度约为200℃。本文主要以太阳能蒸汽锅炉系统为例，将其与常规能源锅炉系统进行经济性对比分析。

2 不同类型锅炉系统的经济性分析

2.1 常规能源锅炉系统的蒸汽成本情况

以典型地区额定功率为0.5蒸吨/h的锅炉为前提，分别计算不同类型锅炉系统的蒸汽成本。首先以电锅炉为例，其寿命期为10年，寿命期内电锅炉蒸汽成本回收情况如表1所示；其他类型的锅炉计算方法同理，计算结果如表2所示。

表1 电锅炉蒸汽成本情况

表2 不同类型锅炉系统的蒸汽成本

由表2可知，不同类型锅炉系统的蒸汽成本由大到小依次为电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、市政蒸汽、燃煤锅炉。

2.2 太阳能蒸汽锅炉系统的蒸汽成本情况

槽式集热器作为太阳能蒸汽锅炉系统的重要组成部分，其主要与太阳直射辐照(DNI)有关，假定DNI为5.5 kWh/(m2·d)，以0.5蒸吨/h的太阳能蒸汽锅炉系统为例进行计算，具体计算过程如下：

1)槽式集热器面积S可表示为：

式中，H1为15 ℃水的焓值，kJ/kg，取值63；H2为180 ℃蒸汽的焓值，kJ/kg，取值2777；Q为蒸汽量，t/h，取值0.5；η为光热转换效率，取值0.4；Φ为管路热损，取值0.2。

将相关数值代入式(1)中，则S=1713 m2。

2)太阳能蒸汽锅炉一次性总投资费用Y可表示为：

式中，R为热系统投资，取值50万元。

将相关值代入式(2)可知Y=298万元。

3)计算太阳能蒸汽锅炉系统的蒸汽成本。表3为太阳能蒸汽锅炉系统20年寿命期内蒸汽成本的回收情况。

根据我国的DNI[3]日均值，不同地区、不同DNI下的太阳能蒸汽锅炉系统的蒸汽成本情况如表4所示。

表3 太阳能蒸汽锅炉系统20年寿命期内蒸汽成本回收的情况

由表4可知，在DNI值较高的地区，太阳能蒸汽锅炉系统的蒸汽成本低于常规锅炉。因此，可根据拟替换的蒸汽锅炉实际情况，如市政蒸汽管网情况、燃气管网情况、燃油锅炉政策、工业用电价格、太阳辐照及生产实际等情况，来评估太阳能蒸汽锅炉系统替代的可行性及经济性。

3 太阳能蒸汽锅炉系统示范项目

以某太阳能蒸汽锅炉系统示范项目(见图1)产生的蒸汽为例进行分析。该项目所在地为山东德州 ，DNI为2.5 kWh/(m2·d)，槽式集热场中集热器面积为500 m2，集热器共有4列，每列集热器长度为50 m，采用南北轴向布置；集热器采光口尺寸为2.55 m、焦距为0.75 m，集热器聚光比为60。槽式集热器采用闭环控制，PLC控制系统作为主要控制单元，直流电机与涡轮蜗杆减速机作为传动结构，通过倾角传感器进行实时跟踪控制。

图1 太阳能蒸汽锅炉系统示范项目

此系统为直接型太阳能蒸汽锅炉系统，采用水作为传热介质，通过槽式集热器加热后，达到设定的温度和压力后排放蒸汽。系统采用PID闭环控制，通过设置正确的温度、压力、比例阀，进行流量的测量、比较和执行，对蒸汽的实际产量和期望值进行比较，执行调节控制，纠正系统蒸汽发生的偏差；通过几次的循环纠偏，蒸汽稳定排放；上位热工控制界面可实时显示，系统运行数据采集如图2所示，可实现120 ℃以上的蒸汽的生产。

图2 系统不同日期的运行数据采集

若系统在运行过程中不能提供稳定温度、稳定流量的蒸汽是由于辅助能源电加热功率大未启动，太阳能间歇性特点造成蒸汽流量不稳定。需要太阳能蒸汽锅炉系统与辅助能源结合，耦合控制提供稳定的蒸汽流量，以满足工业稳定用热的需求。

4 结论

中温工业用热市场广阔，太阳能锅炉系统在技术上为太阳能中温工业热利用提供了可能。以太阳能蒸汽锅炉系统为例，通过对系统的经济性进行分析后发现，太阳能蒸汽锅炉系统的初投资较高，在DNI值较高的地区，太阳能蒸汽锅炉的蒸汽成本低于常规锅炉；在DNI值较低的地区，其只与电锅炉有经济可比性，经济性低于燃油或燃气锅炉。通过对太阳能蒸汽锅炉系统示范项目进行分析发现，若要系统输出稳定温度、稳定流量的蒸汽，还需要与辅助能源结合。相信随着技术不断革新，太阳能锅炉系统进一步降低成本，提高系统稳定性，其一定会发挥更好的替代作用，满足各行业对热能的需求。