智慧化太阳能工业供热系统研究

雷连白，吴德兵

中海油气电集团有限责任公司，广东 中山 528400

0 引言

传统工业供热系统一般采用燃烧生物质、天然气或煤炭的方式，大量排放CO2和NOx，有些还排放SO2。我国这类传统的工业供热系统数量较大，如果能通过可再生、无污染物排放的新能源新型供热系统部分替代现有的供热系统，对环境保护和减碳工作将带来积极影响。文章探讨利用太阳能设计一套智慧化工业供热系统，并主要从技术方面进行可行性分析[1]。

1 技术方案

利用光学、传热学、材料学、天文学、气象学、数字信息化等学科原理，研究开发一套安全、可靠、清洁环保的智慧化太阳能工业供热系统，拟部分或全部替代现有的传统供热系统[2-3]。太阳能工业供热系统可以与现有的供热系统相结合或进行升级改造，根据企业热负荷大小，热交换器可设置为工作热交换组、储热热交换组或工作储能一体化热交换组，并采取逐级、多种组合的布置方式。在太阳光照射时间段，工作热交换组主要替代一部分企业生产所需的热能供应，储能热交换组在此时间段充分吸收太阳光热能，以满足在无太阳光热供给或系统供热能量不足的情况下，能保障企业连续生产一定时长提供所需的热能并作为应急热源使用。同时，在储能热交换组内配置电辅助加热供能装置，以备气候异常条件下使用，确保企业能正常生产。

智慧化太阳能工业供热系统如图1所示，各组光照组合系统及热交换器可以采取多级或多组的灵活布置方式。

图1 智慧化太阳能工业供热系统

1.1 热交换器技术方案

（1）工作交换器A技术方案。交换器A采用板式结构，主要功能如下：在太阳光照时间段，能使水泵输送过来的常温水加热到温度T1，水泵出口压力为P0，交换器A出口压力为P1，流量按最大流量Gmax进行设计。介质通过交换器A热能增量计算：

式中：QA为吸热量，kJ；h1为交换器A出口比焓，kJ/kg；h0为交换器A入口比焓，kJ/kg；m为介质质量，kg；Gmax为最大流量，kg/h；t为时间，h。

（2）工作交换器B技术方案。交换器B也采用板式结构，主要功能如下：在太阳光照时间段，能使热交换器A输送过来的温度介质T1加热至T2，以满足企业生产流程线所需热能。介质通过交换器B热能增量计算：

式中：QB为吸热量，kJ；h2为交换器B出口比焓，kJ/kg。

（3）储热交换器C技术方案。该热交换器内置入储热材料（拟选金属铝），汽水管道置于储热材料中，主要功能如下：其储热能量可以满足时间t（预设连续无太阳光照时间）内企业正常生产所需热能或作为应急热源供应，遭遇异常天气（连续无太阳光照超过预设时间t）则可以同时启用辅助电加热系统。

式中：QC为交换器C释放的热量，kJ；Gi为i时的质量流量，kg/h；ti为时间，h。储热介质质量计算式为

式中：m储为储热材料质量，kg；h1′为储热材料释放热量前的比焓，kJ/kg；h2′为储热材料释放热量后（储热材料温度至少保持在某一温度T′之上）的比焓，kJ/kg；η储为储热材料与汽水系统热转换效率，%。

储热材料选择原则是相变温度合适、相变潜热较大、热传导系数合适、相变可逆、无毒和对环境无害、储热密度较大、材料容易购买和价格便宜等。储热材料与储能容器、汽水管道之间无明显高温化学腐蚀。

1.2 光学系统技术方案

光照组合系统根据企业场地情况，主要利用光学反射及聚光原理可灵活布置。热交换器吸收的总热量Q为

式中：E为单位面积太阳光热功率，W/m2；S1为菲涅尔透镜接受光照面积，m2；α为吸热面总吸热比；ε为发射比；S2为投射到吸热面的聚光面积，m2；δ为厚度，cm；ρ为密度，kg/m3；c为比热容，kJ/（kg·℃）。

以直径为2 m的菲涅尔透镜为例，聚焦至直径为10 cm、厚度为3 cm的碳钢上（外部环境假设为真空），10 min可以使碳钢块温度升高927 ℃。菲涅尔透镜光热转换数据测算表如表1所示。

表1 菲涅尔透镜光热转换数据测算表

配置给交换器A的透镜面积满足交换器A吸热面温度略高于交换器A出口温度T1即可；配置给交换器B的透镜面积满足交换器B吸热面温度略高于交换器B出口温度T2即可；配置给交换器C的透镜面积满足在一个自然日内使得储能介质能储存m储（h1′-h2′）的热能。透镜面积可以通过单位面积太阳光热能聚集到吸热面的热力计算所得。

1.3 辅助加热装置技术方案

在天气异常情况下或在电负荷低谷时段（电价成本较低时），可以启动辅助加热装置以满足企业用热正常生产，同时避免工作热交换器和储热热交换器本体热能的继续流失，确保天气恢复正常时能及时投用太阳能供热系统。当储热介质下降至T′时，辅助加热装置自动启动，启动加热装置的功率≥(h2-h0)Qmax。

2 系统智慧化要求

光学系统应能自动根据地球公转和自转情况调节聚光，并具有自动弃光功能（在夏季太阳直射强度超过最大设计工况的情况下，启动自动部分弃光系统，确保系统安全运行）。热力系统应能根据企业用热和储热需求进行闭环自动调节，以满足生产需要。

3 系统经济性分析

从经济效益方面分析，太阳能工业供热系统由太阳能直接转化成热能，有效减少了能量的中间转化环节，提高了转化效率，将其与传统供热系统结合，通过智慧化控制，可以提高用热企业的调节能力和用热品质。光学热传导和热储存技术目前已比较成熟，总体而言智慧化太阳能工业供热系统具有较好的经济性。

4 结束语

通过上述分析可知，使用智慧化太阳能工业供热系统在技术上具有可行性，对减碳和改善环境可以起到积极作用，同时具有一定的经济性。对大部分工业用热企业而言，由于其对用热的品质和需求各不相同，根据热负荷大小，可以灵活设置工作热交换器，或将工作热交换器与储热热交换器进行一体化设计。同时，根据园区用地情况，既可建设一个大型、集中式的智慧化太阳能工业供热系统，在条件具备的情况下，也可以将该系统升级为光热发电站。