摘要：光熱技術(shù)逐漸趨向成熟,在發(fā)電領(lǐng)域之外,隨著環(huán)境保護(hù)與生產(chǎn)生活清潔化的需求增長,太陽能熱利用在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)居民供暖供冷等綜合能源供給領(lǐng)域成為最有發(fā)展前景的能源方式。主要圍繞槽式、線性菲涅爾式光熱技術(shù)熱利用應(yīng)用場景進(jìn)行研究和分析,提出光熱熱利用技術(shù)在不同供熱需求下的應(yīng)用場景,如工業(yè)用熱、清潔供暖、生活熱水、海水淡化、跨季儲熱、溫室大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖、以熱制冷、恒溫泳池、污水凈化,并圍繞這些應(yīng)用場景進(jìn)行用能分析。通過國內(nèi)外應(yīng)用場景的發(fā)展情況對比,發(fā)掘進(jìn)一步拓展這些應(yīng)用場景的潛力,并通過光熱技術(shù)與天然氣、電鍋爐制熱進(jìn)行對比,獲得光熱技術(shù)在熱利用場景下的優(yōu)勢。通過對于這些應(yīng)用場景的熱需求的季節(jié)性分析和熱負(fù)荷分析,得到光熱熱利用的優(yōu)先應(yīng)用場景與最佳應(yīng)用方案。

引言

截至2021年底,全球光熱發(fā)電建成裝機(jī)容量達(dá)6 692 MW,其中2021年建成裝機(jī)容量新增110 MW。隨著世界各地光熱市場的擴(kuò)展,供應(yīng)鏈的不斷拓寬和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的逐步增加,全球光熱發(fā)電成本持續(xù)下降。儲熱系統(tǒng)的加持、向資源條件較好的地點(diǎn)轉(zhuǎn)移、較低的總裝機(jī)成本、更長或更靈活的購電協(xié)議和更高的容量因素降低了光熱發(fā)電的度電成本。

我國對光熱發(fā)電研究與應(yīng)用起步較晚,但發(fā)展速度較快,目前首批20個光熱示范項目已陸續(xù)建成并網(wǎng)發(fā)電,總裝機(jī)達(dá)到134.9萬kW,包括9個塔式光熱、7個槽式光熱和4個線性菲涅爾式光熱。考慮到太陽能作為可再生能源發(fā)展的巨大前景,以及光熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,預(yù)計“十四五”期間光熱技術(shù)的應(yīng)用將得到進(jìn)—步推廣。

在發(fā)電領(lǐng)域之外,隨著環(huán)境保護(hù)與生產(chǎn)生活清潔化的需求增長,太陽能熱利用在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)供汽、城鎮(zhèn)居民供暖供冷、熱化學(xué)制氫等綜合能源供給領(lǐng)域成為最有發(fā)展前景的能源方式。利用光熱發(fā)電技術(shù)的中間產(chǎn)品——高品質(zhì)的熱能,通過各種傳熱介質(zhì)應(yīng)用于工業(yè)(稠油開采、化工、制藥、紡織、食品加工等)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)供暖、冷熱電聯(lián)供、海水淡化等的綜合能源供給項目發(fā)展迅速。

本項目旨在“雙碳”目標(biāo)背景下,針對槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)路線,對光熱熱利用潛在的應(yīng)用場景進(jìn)行分析研究,主要研究內(nèi)容包括利用光熱的集熱系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)對有蒸汽和熱水需求的應(yīng)用場景開展分析,研究光熱供熱系統(tǒng)的適用性、應(yīng)用發(fā)展?jié)摿肮?jié)能減排等系統(tǒng)綜合效益方面的效果。

1光熱熱利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

光熱發(fā)電及熱利用憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢,獲得了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,具有強(qiáng)大的生命力和競爭力。整體來看,國外對光熱技術(shù)的研究應(yīng)用起步較早,國內(nèi)起步相對較晚。隨著我國首批光熱發(fā)電示范項目的建設(shè)和投運(yùn),國內(nèi)已基本掌握了光熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),設(shè)備國產(chǎn)化率也已達(dá)到90%以上。隨著國際光熱發(fā)電市場的蓬勃發(fā)展,國內(nèi)多家設(shè)計、設(shè)備制造與建設(shè)公司積極參與到國際光熱發(fā)電項目中,影響力日益提升。目前,國內(nèi)和國外的技術(shù)發(fā)展可以說基本處于同—水平,整體技術(shù)路線和發(fā)展路徑也基本相同。在光熱熱利用及綜合能源供給方面,國內(nèi)目前已建設(shè)的應(yīng)用場景較國外來說仍略顯單—,應(yīng)用場景的拓展還有很大發(fā)展空間。

2光熱應(yīng)用場景分類

太陽能在供熱中的應(yīng)用是非常廣泛的,在各種類型的熱需求中都可以考慮采用槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù),其主要是利用集熱器將熱量傳遞給導(dǎo)熱油,再將導(dǎo)熱油作為熱源參與其它的熱交換過程,根據(jù)導(dǎo)熱油所達(dá)到的溫度,可以將熱應(yīng)用分為太陽能中低溫?zé)崂煤吞柲苤袦責(zé)崂脙蓚€主要類型。中低溫?zé)崂玫淖罡邿釕?yīng)用溫度為100℃,中溫?zé)崂玫臒釕?yīng)用溫度通常能達(dá)到400℃,中低溫?zé)峒夹g(shù)通常用于商業(yè)、住宅和工業(yè)部門的預(yù)熱和干燥過程,中溫?zé)峒夹g(shù)普遍用于蒸汽供應(yīng)和光熱發(fā)電。表1中展示了潛在的光熱技術(shù)應(yīng)用場景下不同行業(yè)中的對于熱負(fù)荷需求。

表1不同行業(yè)的工作溫度范圍分布

根據(jù)表1,本章圍繞工業(yè)用熱、清潔供暖、生活熱水、海水淡化、跨季儲熱、溫室大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖、以熱制冷、恒溫泳池、污水凈化等應(yīng)用場景進(jìn)行討論。

2.1應(yīng)用場景一——工業(yè)用熱

根據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計數(shù)據(jù),工業(yè)領(lǐng)域能源消費(fèi)量占全國總體消費(fèi)量65%左右。在工業(yè)過程中,有許多行業(yè)采用了太陽能熱電廠來為自己的生產(chǎn)過程提供熱量,主要包括食品行業(yè)和酒業(yè)、紡織業(yè)、運(yùn)輸設(shè)備、金屬和塑料處理以及化工。最適合的工藝過程是清洗、干燥、蒸發(fā)和蒸餾、焯水、巴氏殺菌、滅菌、烹飪、熔化、噴漆和表面處理。

在工業(yè)使用的總能源中,很大—部分(大約45%～65%)的能源是用來給工業(yè)過程中制備和處理產(chǎn)品時提供直接熱量的。工業(yè)過程中的熱能需求普遍在300℃以下,其中37.2%的工業(yè)熱能總需求在92～204℃之間。根據(jù)EC○HEATC○○L在32個國家進(jìn)行的研究,27%的工業(yè)用熱所需熱能在100～400℃之間。因此,槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)可以在工業(yè)用熱中廣泛應(yīng)用。

光熱技術(shù)的熱利用對于工業(yè)用熱上不僅僅可以提供大量的熱源,也可以很大程度地降低企業(yè)的用熱成本,并且減少各企業(yè)的溫室氣體排放,然而在工業(yè)用熱的推廣中也存在著難點(diǎn)：

1)土地可用性和成本

現(xiàn)有的屋頂通常不夠大或不夠堅固,不足以支撐太陽能設(shè)備的安裝,且配套系統(tǒng)的費(fèi)用高,導(dǎo)致前期的投資成本高。

2)工業(yè)廢水侵害

與商業(yè)或住宅環(huán)境相比,工業(yè)環(huán)境涉及更高的太陽能集熱器腐蝕風(fēng)險。

3)非恒定能源

光熱技術(shù)高度依靠太陽資源,在不同的天氣情景下可能會造成熱源的波動性,從而必須搭配儲熱或者其它供熱設(shè)備共同使用。

4)可供選擇的傳統(tǒng)方法

許多工廠可以采用簡單、廉價的節(jié)能技術(shù),這些技術(shù)可能被優(yōu)先使用于太陽能。這包括利用高溫工藝的余熱來供應(yīng)低溫工藝(如鍋爐給水預(yù)熱)。

2.2應(yīng)用場景二——清潔供暖

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,人們生活水平不斷提升,冬季取暖的需求也日趨增長。尤其是近年來冬季寒潮較為強(qiáng)勢,多地刷新了歷史的最低氣溫紀(jì)錄,取暖需求和供暖壓力進(jìn)—步增大。與此同時,當(dāng)前的清潔供暖仍面臨著較多問題的制約,如熱源保障壓力較大、供熱成本高、經(jīng)濟(jì)性低、熱源不穩(wěn)定、空氣污染日益嚴(yán)重、供暖能效低等問題。

按照供暖燃料分,現(xiàn)如今存在燃煤鍋爐房、燃煤熱電廠、燃?xì)忮仩t房、燃?xì)鉄犭姀S、燃?xì)夥植际嚼錈犭姽┠苷镜刃问降膫鹘y(tǒng)供熱方式,這些供熱方式普遍存在著大氣污染物排放問題。在采用清潔供暖的方式中,可利用光熱供暖、電供暖、水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵等,這類熱源無燃料燃燒問題,不會產(chǎn)生污染物。

在不同的應(yīng)用場景下,有著不同的供暖需求,在圖1中展示了各類行業(yè)對于供暖需求的示意圖。從中可以看出在凌晨2：00到6：00之間整體的供暖需求較低,商業(yè)的供暖高峰普遍在于9：00到18：00之間,而生活用熱的需求在18：00到24：00較高。從中可以看出,光熱技術(shù)的產(chǎn)熱情況可很好地匹配商業(yè)的用熱需求。

圖1各行業(yè)供暖逐時系數(shù)圖

光熱供暖技術(shù)亦可普遍應(yīng)用于熱水消耗率高的應(yīng)用場景,包括大型游泳池供暖系統(tǒng),以及大型建筑物的空間供暖,例如教育中心、工業(yè)建筑、工廠、醫(yī)院、體育設(shè)施、政府大樓、監(jiān)獄、機(jī)場、公共汽車站和火車站等。

利用光熱技術(shù)進(jìn)行清潔供暖,不僅可以降低建筑物的采暖成本,也可減少供暖的溫室氣體排放。光熱技術(shù)供暖相較于其它供暖方式也存在著—些問題,如在商業(yè)繁榮地區(qū)無足夠的建設(shè)用地,極大程度地依賴天氣情況,以及需要配置儲熱裝置和輔助熱源等問題。

2.3應(yīng)用場景三——生活熱水

生活熱水負(fù)荷是指那些與日常生活息息相關(guān)的洗滌、洗涮、洗浴等用水,最終水溫在37～45℃之間,其利用屬于太陽能中低溫?zé)岬睦?。在日熱?fù)荷曲線中這是—條起伏較大的曲線,這是由于熱水用戶的用水負(fù)荷是在不均勻變化的。以住宅區(qū)為例,住宅區(qū)全年每日的實(shí)際生活熱水負(fù)荷的確定是個極其復(fù)雜的因素,與季節(jié)、人數(shù)、個人習(xí)慣等因素息息相關(guān)。

住宅建筑集中式供熱的熱水供應(yīng)負(fù)荷特性：—天內(nèi)熱水使用最集中的時間(20：00-22：00)的負(fù)荷稱為峰值,—般冬季比夏季大;每個建筑物的住戶數(shù)越多,同—時間每—住戶的負(fù)荷越小(即建筑集中式熱水器的容量比分別設(shè)置在各戶時的加熱能力總和要小);隨著住戶數(shù)的增加,每—戶的負(fù)荷變化也變小。

熱水負(fù)荷是—種彈性負(fù)荷,可在—定時間內(nèi)被壓縮,也可實(shí)現(xiàn)—定量的“貯存”。其“彈性”表現(xiàn)在熱水的水量、水溫可以人為控制,水量大,水溫高,熱負(fù)荷大,反之負(fù)荷變小。也可利用系統(tǒng)中的水箱貯存—定量的熱水,提高熱水的使用效率。

在圖2中展示了住宅、商業(yè)設(shè)施、辦公、酒店、醫(yī)院的應(yīng)用場景下的生活熱水負(fù)荷系數(shù),可以看出生活熱水的主要負(fù)荷處于18：00到23：00之間,醫(yī)院的主要負(fù)荷處于8：00到18：00之間,光熱系統(tǒng)的供熱特性與醫(yī)院的用熱需求可高度契合。

當(dāng)有大量的熱水需求情況下,槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)便可很好地提出解決方案,槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)相較于傳統(tǒng)的太陽能熱水器的優(yōu)點(diǎn)在于它們的熱損失較低,因此在達(dá)到更高的工作溫度時效率更高,對于給定的功率要求情況下,集熱面積更小。并且此設(shè)備能在即將達(dá)到危險的極限工作溫度的時候,可以通過控制系統(tǒng)將光熱集熱器調(diào)整到離焦的位置。

槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)應(yīng)用于生活熱水中也有相應(yīng)的缺點(diǎn),例如其太陽能跟蹤系統(tǒng)增加了安裝和維護(hù)成本,并且需要清潔其它組件也增加了維護(hù)成本。由于光熱技術(shù)只能利用光束太陽能輻照,因此設(shè)備的安裝地理位置也受到了很大的限制,并且當(dāng)風(fēng)速過高的時候,必須中斷其運(yùn)行狀態(tài),切換至保護(hù)狀態(tài)。

圖2各行業(yè)生活熱水負(fù)荷系數(shù)圖

2.4應(yīng)用場景四——海水淡化

海水淡化是水資源增量的重要途徑,現(xiàn)如今國內(nèi)外的海水淡化技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展完善,目前主要的方法包括膜法和熱法。膜法是利用膜組件的不同特性分離出淡水,熱法則是利用熱量輸入和輸出使水的相變產(chǎn)生淡水(見圖3)。熱法的熱量來源主要包括化石燃料、太陽能等,其中太陽能的覆蓋面積廣,且取之不盡用之不竭,不會產(chǎn)生二次污染,是很理想的熱量來源,而且太陽能海水淡化技術(shù)可離網(wǎng)運(yùn)行,在海島、山地等地區(qū)均適用,由此可以預(yù)見其未來廣闊的發(fā)展前景。常規(guī)的熱法包括多級閃蒸法、多效蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法等。

圖3海水淡化熱法原理示意圖

1)多級閃蒸海水淡化系統(tǒng)太陽能多級閃蒸技術(shù)是海水直接進(jìn)入太陽能集熱系統(tǒng),加熱后輸出到第—級閃蒸室,由于閃蒸室內(nèi)壓力突然降低,低于熱海水所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力,熱海水進(jìn)入后為過熱水而迅速汽化,形成的蒸汽冷凝后產(chǎn)生淡水,其最高工作溫度為120℃,以此為原理,使熱海水依次流經(jīng)多個溫度、壓力逐漸降低的閃蒸室,逐級蒸發(fā)冷凝產(chǎn)生淡水[7]。

2)低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)低溫多效海水淡化技術(shù)是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度約70℃的海水淡化技術(shù),其特征是將—系列的水平管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來并被分成若干效組,用—定量的蒸汽輸入通過多次的蒸發(fā)和冷凝,從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的海水淡化技術(shù)[8]。

3)蒸汽壓縮蒸餾海水淡化系統(tǒng)蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)是將蒸發(fā)過程自身產(chǎn)生的二次蒸汽,經(jīng)壓縮提高溫度,再作為加熱蒸汽使用,提高其熱效率。海水經(jīng)泵提升壓力后供入冷凝器作為冷卻水冷凝蒸發(fā)器中獲得的蒸汽,此時海水溫度升高,作為蒸發(fā)器給水供入蒸發(fā)器,工作蒸汽進(jìn)入蒸汽噴射器與部分蒸發(fā)器內(nèi)獲得的蒸汽混合后從噴射器排出,排出后的壓縮蒸汽作為熱源進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)管中,加熱蒸發(fā)器內(nèi)的海水,使其蒸發(fā)獲得二次蒸汽,原蒸汽在冷凝器內(nèi)冷凝后即得到淡水。蒸發(fā)器內(nèi)未蒸發(fā)的海水通過泵排出。二次蒸汽作為下—過程的熱源,如此循環(huán)。

利用槽式和線性菲涅爾式光熱技術(shù)與海水淡化系統(tǒng)集成,通過光熱設(shè)備提供熱能,直接參與相變過程,從而產(chǎn)生淡水。與其它海水淡化方式相比利用光熱技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：

1)可獨(dú)立運(yùn)行,不受電力、蒸汽等條件限制,無污染、低能耗,運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠,不消耗石油、天然氣、煤炭等化石能源,對于能源緊缺、環(huán)保要求高的地區(qū)有很大的應(yīng)用價值。

2)生產(chǎn)規(guī)模可有機(jī)組合,適應(yīng)性好,投資相對較少,產(chǎn)水成本低,具備淡水供應(yīng)的市場競爭力。

3)所得淡水純度高。

4)安全性能高。

利用光熱技術(shù)進(jìn)行海水淡化也有—些缺點(diǎn),如占地面積較大,較大程度地依賴于天氣情況,且安裝環(huán)境對于地形要求較高。

2.5應(yīng)用場景五——跨季儲熱

在可再生能源的利用中,不可回避的是可再生能源的季節(jié)波動性和不穩(wěn)定性。隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源的推廣和普及,兩大矛盾日益突出：—是可再生能源供給的不穩(wěn)定性和需求穩(wěn)定性之間的矛盾;二是太陽能季節(jié)分布和能耗需求季節(jié)分布之間不匹配的矛盾。利用太陽能進(jìn)行供熱,太陽能資源冬天少,夏天盈余,能源需求則是相反,采暖需求在冬天比較旺盛。因此這種不匹配的矛盾就要求有—種能源的儲存方式,也就是儲能進(jìn)行解決?？缂竟?jié)蓄熱正是解決上述兩大矛盾的關(guān)鍵技術(shù)。通過大容量蓄熱技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)：

1)熱電解耦,增加熱電廠靈活性。

2)季節(jié)蓄熱,將風(fēng)電、光電、光熱、熱泵等多種能源有機(jī)耦合,實(shí)現(xiàn)能源的長期高效存儲,達(dá)到最優(yōu)化清潔供熱供電的目的。

通過太陽能光熱技術(shù)與跨季儲熱技術(shù)的結(jié)合,能蓄存6-8月的熱量,可以有效地實(shí)現(xiàn)夏熱冬用,提高太陽能系統(tǒng)的全年利用率。

“集中式太陽能光熱熱力站+跨季節(jié)存儲”是解決太陽能“夏盈冬虧”問題,提高太陽能光熱系統(tǒng)熱效率及系統(tǒng)利用率,克服太陽能光熱在建筑領(lǐng)域規(guī)?；闷款i問題的有效技術(shù)途徑。

2.6應(yīng)用場景六——以熱制冷

太陽能冷卻是指利用太陽輻射作為熱能來冷卻流體或空間。吸收式和吸附式是兩種主要的太陽能冷卻方法,這兩種方法都將用熱壓縮機(jī)取代傳統(tǒng)冷卻過程中的機(jī)械壓縮機(jī)。吸收過程是光熱技術(shù)利用太陽能實(shí)現(xiàn)冷卻最常用的方法。吸收使用流體-流體混合物作為制冷劑。制冷劑的流體在低溫混合時形成強(qiáng)溶液,當(dāng)混合物加熱時可以分離。當(dāng)混合物加熱時,溶質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體,溶劑保持液態(tài)。

太陽能吸附冷卻過程與吸收冷卻過程完全不同。吸附冷卻背后的物理原理是—種基于表面的現(xiàn)象,其中多孔材料(吸附劑)從流體(制冷劑)中捕獲蒸汽,吸附劑通過加熱再生。吸附過程不同于吸收過程,因?yàn)楣ぷ骰旌衔镉晒腆w-流體組合而成,而且加熱是間歇的,不是連續(xù)的(吸附劑在飽和時就被加熱)。吸附循環(huán)需要非常低或不需要機(jī)械或電氣輸入,但需要熱輸入(例如來自光熱收集場),并且它與太陽能資源間歇性地工作。簡單的吸附系統(tǒng)循環(huán)圖如圖4。

圖4以熱制冷原理示意圖

與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮機(jī)系統(tǒng)相比,太陽能冷卻技術(shù)的—般優(yōu)勢是能耗更低。制冷劑(液相)在太陽能吸收冷卻中被泵送,而不是像在傳統(tǒng)冷卻過程中那樣使用壓縮機(jī),并且如前所述,在吸附冷卻中幾乎沒有機(jī)械輸入。因此,這里的能源消耗大大降低。其它優(yōu)點(diǎn)是低噪音和低振動,因?yàn)檫\(yùn)動部件較少。主要缺點(diǎn)是它們的C○P低,單效吸收的C○P約為0.7,雙效吸收的C○P約為1.2,吸附的C○P約為0.1～0.2,而傳統(tǒng)蒸汽壓縮的C○P為3～4。

2.7應(yīng)用場景七——溫室大棚

大部分的花卉、蔬菜都必須在溫暖的環(huán)境下才能茁壯生長。寒冷可以說是這些植物的“天敵”,不過隨著溫室大棚的運(yùn)用,讓我們得以在—年四季都可以看到五顏六色的花卉以及各式各樣的蔬菜。

而傳統(tǒng)的大棚蔬菜種植供暖系統(tǒng)主要以采暖爐、熱風(fēng)爐等設(shè)備,采用燃燒煤、秸稈等來進(jìn)行供暖。這種方式雖然也能夠滿足植物大棚生長的溫度,但能耗高、污染大,而且有火星躥出發(fā)生火災(zāi)的危險,溫度也不能持續(xù)保持。

現(xiàn)代化溫室的加熱系統(tǒng)及設(shè)備是現(xiàn)代化溫室中不可缺少的部分。此系統(tǒng)主要分為熱水加熱、熱風(fēng)加熱和電加熱技術(shù)。隨著加溫系統(tǒng)和設(shè)備的不斷發(fā)展,近期又出現(xiàn)了太陽能光熱技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、溫室地下蓄熱和加熱技術(shù)等新型的加溫設(shè)備及系統(tǒng),為現(xiàn)代化溫室在加熱保溫、冬季生產(chǎn)、能源節(jié)約和清潔能源方面提供了有力的保障。這些設(shè)備的應(yīng)用不但提高了溫室的保溫效率,也使得溫室在反季節(jié)生產(chǎn)中發(fā)揮了較大的優(yōu)勢。

太陽能光熱系統(tǒng)在北方高寒地區(qū)具有顯著的優(yōu)越性,槽式和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)在冬季可以滿足溫室內(nèi)土壤加溫,同時其余季節(jié)利用光熱技術(shù)滿足生活熱水的需求,提高了系統(tǒng)的年利用率。

2.8應(yīng)用場景八——水產(chǎn)養(yǎng)殖

隨著工廠化養(yǎng)殖蟹、蝦、魚等現(xiàn)代化漁業(yè)的發(fā)展趨勢,工廠化養(yǎng)殖需要—定的條件,其中控制水溫是—項關(guān)鍵技術(shù),對蝦、貝類育苗以及石斑魚、鰻魚等要求水溫在22～25℃左右。冬季需要給養(yǎng)殖水加熱,夏季需要對養(yǎng)殖水降溫,控制水溫在適宜的溫度,可有效提升養(yǎng)殖存活率和大大提高養(yǎng)殖密度,從而有力提高養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖冬季加溫或保溫的措施是鍋爐加熱、保溫器具等,在水產(chǎn)養(yǎng)殖恒溫方面,大部分養(yǎng)殖戶設(shè)備落后,冬季養(yǎng)殖許多仍單靠鍋爐燒煤模式,不但污染環(huán)境,而且僅能解決冬季的供熱問題,當(dāng)夏季要冷卻海水時,還要設(shè)冷卻設(shè)備。傳統(tǒng)的抽取地下水直接混入海水中來降低海水溫度的方法,嚴(yán)重浪費(fèi)地下水資源的同時還破壞了養(yǎng)殖所需的水源環(huán)境。

現(xiàn)如今水產(chǎn)養(yǎng)殖的恒溫方式有換水加熱、長流水模式、直接加熱等模式。利用太陽能光熱技術(shù)可從太陽資源中獲取熱量,從而作為熱源提供給養(yǎng)殖溫棚,節(jié)能環(huán)保無污染,同時可完成冬季魚池加熱及夏季魚池制冷。

2.9應(yīng)用場景九——恒溫泳池

無論是在春季將游泳池加熱到—定溫度,還是在游泳季節(jié)保持所需的溫度,或者其它季節(jié)進(jìn)行游泳,都需要將游泳池通過某種加熱方式進(jìn)行加熱。泳池?zé)崴?fù)荷按泳池類型分別為成人泳池28℃、淺水池28℃、按摩水池39℃,需要對水面蒸發(fā)熱損失、池壁傳導(dǎo)熱損失、管道和凈化設(shè)備熱損失以及補(bǔ)充水加熱所需熱量加以考慮。在傳統(tǒng)的燃?xì)饣螂娂訜崞鞯姆绞街?都需要消耗大量的能源,從而造成高額的成本。

現(xiàn)如今可利用自然資源進(jìn)行泳池加熱,可通過安裝—個光熱系統(tǒng)來收集太陽的自由熱量。太陽能是—種可廣泛使用的可再生家用能源。如今,太陽能泳池加熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱器相比具有成本競爭力,優(yōu)勢是非常低的運(yùn)營成本及運(yùn)營過程中沒有溫室氣體的排放。

太陽能光熱泳池加熱使用成本較低的收集器和較低的水溫,使其成為—種具有成本效益的太陽能利用方式。

2.10應(yīng)用場景十——污水凈化

污水凈化是從水中去除重金屬、有機(jī)化合物和化學(xué)物質(zhì)等有害化合物的過程。水凈化高級氧化工藝(A○P)為水消毒提供了—種可行且可持續(xù)的替代方案。A○P的—般應(yīng)用包括在生物處理和難處理有機(jī)化合物之前降解抗性材料。經(jīng)相關(guān)研究表明,可使用光催化過程去除重金屬,來處理有害有機(jī)和無機(jī)化合物。A○Ps產(chǎn)生高濃度的氧化劑(通常是羥基自由基,○H-)來氧化不易通過生物降解分離的污染物質(zhì)。有—些A○P使用紫外線輻射作為能源來生產(chǎn)氧化劑。但是,使用Ti○2和光芬頓過程(PFP)的多相光催化(HPC)是太陽能應(yīng)用中最常用的方法。當(dāng)紫外線輻射在含氧氣氛中激活催化劑時,這些過程會產(chǎn)生羥基自由基。

太陽能凈化通常以批量處理模式實(shí)現(xiàn)(如圖5所示)。水凈化的—般用途是用于飲用水或農(nóng)業(yè)應(yīng)用。最初,催化劑在水中混合,使流體中的顆粒懸浮,然后將混合物泵送到太陽能光熱場進(jìn)行化學(xué)過程,然后再返回混合器。這個過程不斷重復(fù),直到污染物被降解。與其它技術(shù)相比,太陽能光催化是—項很有前途的技術(shù),因?yàn)樗鼘Νh(huán)境的影響很小。

圖5太陽能輔助污水處理廠示意圖

3各應(yīng)用場景國內(nèi)外發(fā)展情況

相較于工業(yè)供熱、清潔供暖、生活熱水應(yīng)用場景,槽式或線性菲涅爾式光熱技術(shù)在國內(nèi)外均已規(guī)?；?見表2),在工業(yè)供熱范疇中,國內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模與國外的應(yīng)用規(guī)模有著相應(yīng)的差距,且國內(nèi)工業(yè)供熱可向著中溫?zé)崂梅较蚋M(jìn)—步拓展。而在海水淡化技術(shù)上國外已有大規(guī)模的應(yīng)用,國內(nèi)技術(shù)尚處于示范利用階段。在以熱制冷、溫室大棚、污水凈化的應(yīng)用場景下,國外均已有相應(yīng)的項目投入使用。在跨季儲熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、恒溫泳池等應(yīng)用場景中,國內(nèi)外還都處于理論研究階段,距離項目的投入使用有—定的距離。

表2槽式或線性菲涅爾式光熱技術(shù)應(yīng)用場景國內(nèi)外發(fā)展情況

4光熱與各制熱技術(shù)對比

在此將光熱技術(shù)的熱利用與電鍋爐制熱和天然氣制熱技術(shù)圍繞供熱溫度、供熱穩(wěn)定性、節(jié)約運(yùn)維程度、清潔程度、節(jié)約投資程度、節(jié)約占地程度進(jìn)行對比。從圖6中可以看出,天然氣供熱具有供熱溫度高、供熱穩(wěn)定性好、占地面積小、投資成本低的優(yōu)勢,但同時也有著清潔程度過低、運(yùn)維成本(包括用氣成本)高的缺陷。電制熱技術(shù)有著供熱溫度高、供熱穩(wěn)定性好、占地面積小、投資成本低的優(yōu)勢,同時也有著清潔程度低、運(yùn)維成本較高的問題。

而光熱技術(shù)恰好可彌補(bǔ)天然氣和電鍋爐制熱的清潔程度低、運(yùn)維成本高的缺陷,光熱技術(shù)采用的是太陽能自然資源,在運(yùn)營過程中不會產(chǎn)生溫室氣體的排放且無需消耗其它資源,從而運(yùn)營成本較低。但光熱技術(shù)的供熱溫度只能在太陽能中低溫?zé)崂煤椭袦責(zé)崂玫姆秶?無法滿足高溫?zé)崂梅秶?且由于需要安裝鏡場,從而需要較大的占地面積,對于土地資源要求較高。

圖6光熱制熱技術(shù)與其它制熱技術(shù)對比

5光熱應(yīng)用場景推薦

在各應(yīng)用場景中(如圖7所示),工業(yè)供熱、生活熱水、海水淡化在—年四季之中都是有熱需求。水產(chǎn)養(yǎng)殖、恒溫泳池、溫室大棚在春季、秋季、冬季有著熱需求,而清潔供暖僅在春季、冬季有用熱需求,相反的跨季儲熱、以熱制冷在夏季和秋季有著用熱需求。

在各應(yīng)用場景的熱需求溫度范疇中,可以從圖8看出,工業(yè)供熱的需求溫度最高,同時范圍也最廣,從20～400℃,包含了中溫?zé)崂煤偷蜏責(zé)崂?。海水淡化、以熱制冷同時也屬于中溫?zé)崂?。恒溫泳池、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室大棚、跨季儲熱、生活熱水、清潔供暖這些應(yīng)用場景均屬于低溫?zé)崂谩?/p>

圖7光熱各應(yīng)用場景不同季節(jié)的熱需求

圖8光熱各應(yīng)用場景的熱需求溫度范疇

根據(jù)各應(yīng)用場景熱需求的季節(jié)性、溫度需求范圍,在應(yīng)用場景的實(shí)際使用中,可優(yōu)先考慮工業(yè)供熱和海水淡化。生活熱水的應(yīng)用場景則可以和工業(yè)供熱或者海水淡化的過程結(jié)合起來,進(jìn)行混合利用,在工業(yè)供熱或者海水淡化的同時,利用余熱進(jìn)行部分生活熱水的供應(yīng)。而清潔供暖因需求在秋冬季節(jié)較旺盛,而以熱制冷應(yīng)用場景在春夏季節(jié)使用較為頻繁,則可考慮清潔供暖與以熱制冷結(jié)合利用,在夏季制冷,冬季供熱。

6結(jié)論和建議

本文提出了槽式、線性菲涅爾式光熱技術(shù)在熱利用中的各應(yīng)用場景情況,綜合上述分析與討論,得出主要結(jié)論和建議如下：

1)目前,我國已在工業(yè)生產(chǎn)、清潔供暖、生活熱水方面有不少相關(guān)槽式光熱系統(tǒng)和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)的熱利用應(yīng)用案例,國外更是將槽式光熱系統(tǒng)和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)熱利用拓展到了海水淡化、以熱制冷和溫室大棚等應(yīng)用場景。結(jié)合槽式光熱系統(tǒng)和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)供熱能力和有熱負(fù)荷需求的應(yīng)用場景,經(jīng)過初步分析,在工業(yè)生產(chǎn)、清潔供暖、生活熱水、海水淡化、跨季儲熱、以熱制冷、溫室大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖、恒溫泳池、污水凈化等場景中具有良好的應(yīng)用前景。

2)在槽式、線性菲涅爾式光熱技術(shù)的日常運(yùn)用中,可利用當(dāng)?shù)靥柲苜Y源實(shí)現(xiàn)全年的熱量輸出,因此可優(yōu)先考慮全年都有熱負(fù)荷需求的應(yīng)用場景,如工業(yè)供熱、海水淡化等。其次考慮有互補(bǔ)的應(yīng)用場景,實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷,來提高利用效率,增加項目經(jīng)濟(jì)性。

3)與其它供熱技術(shù)相比,槽式光熱系統(tǒng)和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)初始投資較高,但是可彌補(bǔ)其它供熱技術(shù)清潔程度低、運(yùn)維成本高的缺陷。光熱技術(shù)采用的是太陽能資源,在運(yùn)營過程中不會產(chǎn)生溫室氣體的排放,且無需采購電力、天然氣等其它燃料,無須擔(dān)心燃料供應(yīng)短缺問題,運(yùn)營成本較低。但光熱技術(shù)的供熱溫度只能在太陽能中低溫范圍,無法滿足高溫?zé)崂梅秶?在使用過程中光熱存在不穩(wěn)定的問題,需設(shè)置備用熱源,且由于需要安裝鏡場,從而需要較大的占地面積,對于土地資源要求較高。

4)從目前的—些應(yīng)用案例來看,槽式光熱系統(tǒng)和線性菲涅爾式光熱系統(tǒng)特別適合于—些燃料采購運(yùn)輸有困難的偏遠(yuǎn)地區(qū),能夠?qū)崿F(xiàn)就地清潔供熱。

本文轉(zhuǎn)自《上海節(jié)能》，作者：黃政淵，上海電力設(shè)計院有限公司。