兰州大成：线性菲涅耳式聚光太阳能多能互补供暖系统在清洁供热领域的应用研究

　　近期，在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国科学院电工研究所主办，内蒙古旭宸能源有限公司联合承办的“2020国际可再生能源供热技术大会”期间，兰州大成科技股份有限公司商务经理甘培宇作了题为《线性菲涅耳式聚光太阳能多能互补供暖系统在清洁供热领域的应用研究》的报告。

　　他在报告中对线性菲涅尔聚光集热系统供热供暖技术和兰州大成实施的项目案例进行了介绍。其中，对太阳能清洁供暖技术应用实践中存在的“经济性及系统设计，合理辅助热源的选择，冬季集热效率与供热需求的矛盾”等问题进行了分析和思考。诠释了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，技术只有在实践中才能应用，创新只有在实践中才能提升，从而更好地把太阳能光热技术创新服务于大众。

　　以下是其报告内容整理，以供参考：

 

　　• 只有足够大的规模才能采用高效的热电联产机组和有效的清洁煤燃烧技术；

　　• 由于希望提高机组有效运行小时数以保证经济效益，还希望有足够比例的调峰锅炉与之匹配，就更要求系统规模足够大；

　　 •根据我国热电联产机组的情况，集中供热系统的规模应在300万平米以上。

　　• 推广分散采暖，限制大规模的集中采暖，有条件的区域，在新建低层建筑进行推广单户采暖，公共建筑、商业建筑和高层住宅，采用模块化燃气采暖；

　　• 慎重发展天然气热电冷联产和天然气驱动的热泵的采暖形式。 

　　• 通过重点研究太阳能与其他能源（燃气、热泵、地热、电、生物质能等）有效的结合匹配方式，提高太阳能保证率，所开发出的性能稳定可靠、具有市场竞争力的多能源互补供能系统；

　　• 太阳能与多能源互补系统的集成配套产品，特别是集成控制技术，保证系统的安全性、可靠性及运行经济性的配套产品；

　　• 结合不同能源的特点，针对不同区域、不同的温度需求，太阳能与其他能源互补方式和配合理性，并积累最佳节能效果技术数据的系统。

　　聚光太阳能热源通过聚光器汇聚直射的太阳辐射能，通过真空集热管加热管内的传热工质，传热工质温度可达40℃-400℃，传热工质通过与水换热（传热工质可为软化水，则无需再经过换热）得到所需温度的供水。

　　太阳能设施与空气源热泵系统、电锅炉系统等可以互相补充使用，统一控制，有光照时间使用太阳能供暖，太阳能不足热量以及无光照时间采用空气源热泵系统、电锅炉系统供暖。

　　（1）高聚光倍数设计使集热回路加热效果得到更好保障；

　　（2）单管式高温熔盐真空集热管作为吸热装置，提高聚光比，在高温参数下减少管路热损失；

　　（3）高温管路及连接件固定不转动，降低故障风险。

　　• 线性菲涅耳聚光集热供热系统可用于各类建筑物的冬季供暖，学校、宾馆、及医院等的洗浴用水和生活用水。

　　• 由线性菲涅耳聚光集热系统、换热系统（可选）、储热系统（可选）、辅助供热系统、智能控制系统、管道及循环系统等组成的。该系统可根据需要设置出水温度，可以与常规能源配合，实现24小时连续供应热水的太阳能热水系统。

　　线性菲涅耳聚光集热系统由一次反射镜、二次双抛物反射镜、真空集热管、集热器支架等组成。聚光集热系统接受太阳辐射，将收集的太阳辐射转化为热能，逐渐加热真空集热管中的传热介质，传热介质可为熔盐、导热油或水。

　　如果真空集热管中的介质为导热油或熔盐，还需通过换热系统与水进行换热，以达到所需的出水温度。换热系统由油、水（或盐、水）换热器等设备组成。

　　由于线性菲涅耳聚光集热系统受天气的影响较大，在夜间、连续雨雪天气或阴雨天气情况下，太阳能系统无法100%供暖，造成产热不足，此时就需要辅助供热系统补充热量，以保证用户供暖用热需求。

　　辅助供热系统：热泵、电加热器、燃气等热源作为辅助热源。

　　智能控制系统可对温度、温差、水位、时间等进行CPU电脑程序控制，该系统由集热场控制系统、温度传感器、倾角传感器、温度控制器、电磁阀等设备组成，通过对以上设备的集成智能控制，实现无人值守、全自动运行，不仅减少了维护费用、人力成本，同时便于监控、管理。

　　以兰州大成2017年某太阳能供热项目为例对导热油系统流程进行分析：

导热油循环

　　• 集热系统在冬季9:30可进行跟踪加热，此时200℃的导热油经导热油泵送至集热场，加热至280℃。

　　• 280℃的导热油流入油水换热器，与水换热降至200℃左右。

　　• 完成换热工艺的导热油流回集热场，进行下一循环。

水循环

 

　　冷水池内水流入油水换热器与导热油换热，产生95℃水存入热水池。

　　（3）补燃系统系统流程

补燃模式

　　当太阳能热量不足时，由电加热供暖水箱中水，加热至80℃左右，进入供暖建筑进行供暖。

　　（1）目前，太阳能供暖系统经济性相比传统供暖方式，短期仍没有优势，存在一次投资较高等问题。较高的造价让目前大量的需求望而却步。

　　（2）在太阳能供暖行业，技术路线各不相同，太阳能供热系统在集热设备、合理的辅助能源设备，精确的控制系统设计，以及成熟的整体系统调试方面还有很长的路要走，需要和传统供暖行业进行学习、优化。

　　（3）客户差异化需求的设计上，由于气候条件、场地条件等众多制约因素，还不能做到“量体裁衣”，可以选择的系统模式单一。

　　太阳能供暖系统，系统效率、产热量、供暖时间、水温等参数尤其受天气的影响而变化。因此在冬季采暖季，在夜间、连续阴雨雪天气等恶略天气情况下，必须通过辅助热源来补充太阳能因天气而产热不足的问题，那么怎样选择经济、合理的辅助热源就成为系统设计、运行的难题，包括燃气、空气源热泵、电锅炉、电加热器等在内的辅助热源选择上，如何匹配、选择何种热源方式、经济性最优就成为了企业需要去解决的难题。

　　• 由于大部分太阳能供热系统集热器通常采用南北向布置，在冬季集热器尤其受到余弦效应的影响，从而影响实际效率，这与冬季广泛的用热需求相矛盾，既存在用热需求最大的时段，产热不足的情况。无论是太阳能还是热泵，均存在这个问题。

　　• 太阳能冬季产热不足，需辅助热源配合产热，延伸到末端用户，造成用热成本增加，直接影响就是普通老百姓反应的“用不起”、“不够热”的问题。

　　近年来，兰州大成在进行线性菲涅耳聚光集热发电的研究实践、商业化开发的同时，在太阳能聚光集热系统供热方向进行了深入的研究与实践。

 

　　项目规模：1MW

　　集热场技术：屋顶式线性菲涅耳聚光集热技术

　　运行模式：分布式热电联供，冬季供暖+发电；其它季节发电

1号、2号厂房过道顶上聚光器布置实景照片

屋顶聚光集热场实景照片

 

　　2017年，兰州大成彻底拆除厂区燃煤锅炉，对清洁供暖系统进行进一步优化，扩建了供暖用储热系统以满足园区24小时供暖需求，同时连续阴天时采用夜间低谷电能源进行热能补充，经过改造供暖系统可以完全满足冬季连续的供暖需要。经过2017年供暖季运行验证，天然气严重缺乏导致全国供气不足，兰州更是在最冷的天气紧急启动错峰用气、降温供暖的措施时，兰州大成因供暖热源全部来自太阳能+谷电，不需要使用任何燃料，因此供暖效果未受影响，平稳、可靠的渡过了最冷的时段，完美保证了园区全部生产和生活设施的供暖需要。经测算，系统共承担2万㎡厂房供暖和7000㎡办公/生活设施供暖需求，采用太阳能作为主要供热能源，低谷电作为辅助能源，在一个供暖季整体运营费用低于60万元，运营费用比燃煤供暖降低75%，较天然气供暖降低80%，极大节省了公司供暖成本。

供暖负荷

　　根据供暖负荷可以看出：

　　• 全天供暖总热量为23.5MWh。

　　• 系统最大供热功率1.6MW（持续时间6小时，即厂房和宿舍楼同时供暖的时间段17:00-22:00）。

　　• 办公区和车间多在白天使用，根据兰州市气象参数，室外温度大多在0℃左右，以次核算，全天最大供热功率为1.1MW，全天供暖所需热量约为 16MWh。

　　• 根据往年供热情况，正常天象下，太阳能可提供厂区约50%建筑面积的供暖需求，因此初步将谷电储热量定为12MWh。

　　• 兰州新区谷电时间段为23:00-7:00，共8个小时；厂区配电容量总计 1.9MW（其中1号厂房1.25MW，2号厂0.63MW，当夜间谷电加热功率1.5MW时，对应可获得12MWh的储热量。

　　• 若白天阴雨，可直接采用电加热补充供暖热量，此时电价较高， 也可适当降低供热品质。

储热介质选择

　　根据上述结果，以性价比最优为原则（水，便宜易得，储罐材质要求低，无需换热直接循环，可最大化利用现有设备，减少额外投资），采用水作为储热介质，容积为500立方米。

系统流程图

　　• 太阳能系统单独储热、供暖。

　　• 谷电单独储热、供暖。

　　• 太阳能系统与谷电加热系统联合储热、供暖。

　　• 太阳能系统停运，谷电加热仅供暖，不储热（非谷电）。

　　规模：1MW

　　集热场技术：兰州大成线性菲涅耳聚光集热技术

　　运行模式：分布式热电联供 冬季供暖+发电；其它季节发电

　　设计供暖面积：40000平方米

　　供暖季节项目以热能供暖为主；非供暖季利用热能驱动汽轮机组发电，所发电能全部上网销售。

　　建成的国内外海拔最高（3654m）的太阳能热电联供电站。

 

　　本项目利用聚光太阳热能建设的热源站能够提供与煤炭或其它燃料锅炉相同参数的热源，热源参数输出范围为40℃-350℃，热源输出形式为热水、蒸汽或导热油，相当于以太阳能为一次能源的锅炉。因此以为企业提供生产用热为主要目可以建设供热用太阳能热源站，同时热源站也可以建设用于向各城镇提供集中供暖热源，以清洁有效地解决热源供给问题。

　　采用聚光太阳热能作为基础热能站可以彻底解决热能提供中的排放问题，同时太阳能项目为一次投资型项目，后期不需要燃料费用，运营费用极低。以在建设40T太阳能锅炉为例，太阳能锅炉的一次投资约为3800万元，占地面积约130亩；热源项目寿命约20年。项目年可节省用煤约13万吨，年仅节煤产生的经济收益即可达近500万元，并显著降低排放。

　　项目占地面积20余万平米，太阳能集热总面积104040平米，总投资1.0亿元。设计产能为14000吨/日，水温40度，24小时连续供应，年产热水475万吨。太阳能集热加温供水系统可替代65吨级燃煤锅炉，年节约燃煤约9万吨，减排二氧化碳约21万吨。此外,系统配备空气源热泵系统，在恶劣天气工作补燃。

　　项目于2016年11月建成，成为国内最大的太阳能供热水项目之一，也是首个将太阳能集热技术用于大工业供热的项目。

 

 

　　3个3000立方热水储罐，起到储热作用，保证24小时连续供水。

　　太阳能光热联盟理事单位——兰州大成科技股份有限公司成立于1998年，是混合所有制企业，国有股东包括兰州交通大学、甘肃省战略新兴产业基金等；主要业务板块包括绿色镀膜装备，轨道交通自动控制，聚光太阳能热发电，聚光太阳能热利用。

　　通过20多年的积累与不断精进，公司在聚光太阳热能方向的核心竞争力，紧紧围绕了绿色真空镀膜和自动控制核心技术这两条主线。

　　聚光太阳能创新平台主要有：

　　• 聚光太阳能关键组件和技术国家地方联合工程研究中心（2012年获批、主管部门国家发改委。）

　　•兰州交通大学光热储能综合能源系统工程研究中心（光热储能综合能源系统工程研究中心是兰州交通大学面向国家能源结构转型战略和甘肃省国家新能源综合示范区建设需求，加快推动聚光太阳能技术领域的科技创新、工程化研究、产业化推广而成立的。） 

　　技术创新研究成果有： 

　　聚光太阳能成果转化应用典型案例有：

　　• 建成投运三个太阳能光热示范电站

　　• 建成在运三个太阳能中高温热利用工程项目

　　• 建成一个大型太阳能热利用工程项目

　　• 一个国家光热发电示范项目建成运行——敦煌大成50MW熔盐线性菲涅耳式高温高压光热发电项目