----工業過程熱綠色發展痛點及解決方案

隨著2030年“碳達峰”以及2060年“碳中和”國家綠色發展愿景，對工業領域綠色發展的緊迫性提出現實考驗，針對現階段用能的調查顯示，在過去幾年中，工業過程用熱消耗了年工業能源需求的50％以上，其中約40％的溫度在80至150℃的溫度范圍內。深化控制大氣污染防治推進生態文明建設的需要，加速電代煤、氣代煤工業領域的快速替代，對于工業過程熱企業帶來直接成本上漲和環保影響風險壓力，特別是北方冬季供暖期間的優先民生用氣、控制減少污染天數政策，在不同的可再生能源中，目前太陽能熱利用技術，尤其是拋物線槽式集熱器（PTC）對于工業過程熱應用更為匹配。因此，針對主要市場應用場景使用需求，基于場景和性能要求使我們能夠在80至150℃的溫度范圍內自主設計制造用于工業過程熱應用的PTC系統。本文簡要討論了國產化本地制造以及一些實用適應性設計的優勢，這些優勢在“十四五”階段可再生能源清潔供熱領域非常適合且龐大的市場中應用該技術。

（圖1摘自2050年世界與中國能源展望2019版）

工業用熱需求增量主要集中在亞洲與非洲的發展國家，2040年達到56.3億噸標油峰值水平，之后保持相對穩定。工業部門化石能源需求相繼達峰，電氣化程度不斷提高。煤炭、石油和天然氣分別于2020年、2040年和2045年達到峰值。隨著化石能源煤炭在2020年的率先達峰，從現在開始落實能源“四個革命，一個替代”的政策，加速電代煤、氣代煤工業應用，在工業領域太陽能供熱機會將會形成逐年高速增長的發展趨勢。由于我國北方地區擁有豐富的太陽能資源，因此已確定太陽能高效熱利用技術為可影響實現戰略目標的主要可再生能源技術選擇之一。2019年，全國太陽能發電裝機累計達到2.05億kw，占電源總裝機容量的10.2%，可再生能源節省的能源中超15％歸功于太陽能熱利用、發電技術的商業化，主要是太陽能熱水系統、光伏發電系統。

在工業用熱生產中太陽能熱能應用最適宜的溫度范圍是80-150℃，在該溫度下，目前工業過程中所有熱能的燃料消耗量約為50％。根據2018-2024年工業鍋爐市場預測，其中輕紡行業的比例最大，約為19.5％，其次是能源行業的17.5％，食品藥品行業的13％，建材行業的12.5％，化工行業9.5%,冶金行業8%，交通行業7%，軍工行業6.5%，其他6.5%。

圖2 2018-2024年我國工業鍋爐需求市場行業分布預測

對過去30年中獲得的全球經驗的透徹了解表明，拋物線槽式集熱器（PTC）是目標工業過程熱溫度范圍內最實用的系統。PTC領域中的大多數項目目前都集中在設計能夠達到高溫（通常為300℃至400℃）的系統上，從而使其能夠集成為光熱發電的熱能來源，這導致了相對昂貴和復雜的設計。通過和國內研究院所光熱發電專業人員討論了如何更佳匹配利用太陽能熱技術，尤其是PTC與工業過程熱系統集成的領域，考慮到成本高昂的土地資源，考慮到短焦距的拋物線避免二次光污染的問題，考慮到集熱溫度和用熱溫度更佳匹配性。大家主要關注于整體太陽能的系統集成，以及如何將其子系統（如集熱區，儲熱，輔助熱源，熱傳輸和控制子系統）一起配置。盡管用于PTC本身是太陽能工業過程加熱系統，但對PTC本身進行的詳細研究是較少，目前采用常規的開口2.55米集熱器設計，考慮到適用更多空間區域的設計簡單制造更低成本特性，因此，我們在研究工業過程熱應用中PTC的最佳適用匹配方案。

輕型模塊化槽式PTC設計是基于工業過程熱的適用匹配溫度范圍80-150℃，考慮了工業企業土地空間及充分利用廠房及建筑物屋頂的充分利用，采用輕型模塊化可快速復制的設計理念，且能夠滿足風荷載的強度安全要求。

輕型槽式PTC設計單元長度約為6000mm，設計兩支長度3000mm不銹鋼真空集熱管產品，通過增加集熱管長度減少使用的數量、支撐立柱數量，來降低PTC及安裝成本來抑制開口變小單位面積成本增加的問題。

圖3道榮新能源設計專用不銹鋼真空集熱管產品

采用四片拋物線彎鋼化(安全玻璃)反射鏡產品，提高強度和安全性的同時，滿足戶外抗冰雹、抗雨雪、抗風砂、抗冰凍嚴寒環境需要，采用太陽能專用涂層抗紫外線照射等戶外使用的安全、強度、耐候性性能要求。通過減少反射鏡、支架支撐點的數量，來降低PTC設備和安裝成本，同時減少精度控制點來降低系統成本的目標。

圖4彎鋼化安全玻璃反射鏡聚光現場測試效果

槽式PTC支架主體采用全碳鋼材料，激光切割、數控車、銑、鉆、焊接等工藝制作而成，保證加工完成的部件的裝配精度。在對于特殊表面處理的緊固件、傳動件（如軸瓦等）確保滿足耐室外環境長期使用。所有鋼結構部件在加工完成后進行表面熱鍍鋅處理，在運輸過程中所有零部件必須防止受到損傷、變形、鍍鋅層破壞。創新設計采用拋物線去中心化模式，優化減少整體重量實現廠房屋頂設置要求，采用南北跟蹤東西布置更適用于我國北方地區冬季時段更多集熱量的獲取，滿足冬季用供熱供暖等用熱量最大的貢獻。

圖5輕型模塊化工業過程熱專用槽式PTC集熱器

對于工業過程熱專用PTC專利技術，太陽直接輻射通過在拋物線焦距上的集熱管黑色表面上吸收涂層而快速轉化為熱量。吸收的能量有用部分通過熱傳導穿過不銹鋼鋼管薄壁，并被傳熱流體導熱油（HTF）吸收，后者以湍流方式流經管道，把熱量及時收集帶走。

本PTC設計采用短焦距不高于1米，有效避免二次光污染現象，更采用不小于36倍的聚光倍數，達到最佳集熱系統效率，且能夠匹配工業過程熱領域溫度區間要求，考慮北方地區實際應用場景需要。

圖7槽式集熱器（PTC）聚光倍數對應系統光熱效率

針對輕型模塊化PTC集熱器評估優勢進行分析，主要幾大創新設計特點：

1、簡易輕型化

2、標準模塊化

3、去拋物線中心化

4、柔性可移動化

5、創新低成本

全球首創(專利)技術北方地區適應性設計理念，目的是解決建筑物屋頂、農業大棚、公共綠地等可利用空間，簡易模塊化快速安裝施工、更適合我國北方地區適應性設計、更低制造和安裝成本、柔性模塊化可移動等多項綜合特性，滿足工農業領域、商業及公服機構多種應用場景的需要。通過簡易設計降低集熱器材料加工制造成本，標準模塊設計能夠減少施工安裝成本。

圖8輕型模塊化工業過程熱專用PTC去中心化設計模式

全球首創去拋物線中心化槽式PTC集熱(專利)技術是堅持綠水青山就是金山銀山理念，堅持尊重自然、順應自然、保護自然，堅持節約優先、保護優先、自然恢復為主，守住自然生態安全邊界。加快推動工業領域綠色低碳發展，支持綠色技術創新，推進清潔生產，發展環保產業，推進工業重點行業和重要領域綠色化改造。推動能源清潔低碳安全高效利用，作為太陽能高效熱利用的創新技術，為實現最佳成本提供綠色利用技術。

圖9分布式光熱+槽式PTC鏡場（網絡圖）布置

輕型模塊化PTC技術將會發揮自身匹配性優勢，助力提供最佳可再生能源清潔供熱替代轉換，隨著煤改電、煤改氣政策的更多應用領域強制執行，導致工農商業多領域的熱價逐年上漲，基于電能替代優惠政策的推進，太陽能光熱+將會成為最佳匹配技術形式。希望政策制定推動者，能夠在節能環保應用領域，考慮可再生能源清潔能源供熱比例的規劃逐步實施落地，以目前山東電能替代的優惠補貼政策分析，以低谷電量補貼累計2023年后退坡測算，參考下表：

圖10山東省電能替代獎勵電量參考標準

圖11山東省電能替代獎勵1蒸噸（700kw）費用測算

按照產生1蒸噸需要700kw電功率來測算，利用低谷時段8小時，電價按照低谷時段電價0.3157元/kwh，按照每年330天使用，累計補貼的總費用為212.36萬元。根據這個政策補貼方案，按照安裝使用1年，退坡3年的累計，全部按照低谷時段電價計算，總的補貼費用較高，去補貼之后工業用戶的用熱成本將會大幅上升，抑制成本增加的最佳方案就是采用輕型模塊化PTC技術，充分利用白天太陽能來降低白天峰值平段電價較高帶來的用熱成本難題。隨著生態環保政策的加速落地，山東省生態環境局下發《關于做好非傳輸通道城市35蒸噸/小時以下燃煤鍋爐淘汰工作的通知》中明確要求，2021年10月底前，青島、棗莊、東營、煙臺、濰坊、泰安、威海、日照、臨沂9個非傳輸通道城市35蒸噸/小時以下燃煤鍋爐（高效煤粉爐除外）全部淘汰。全省不再新建35蒸噸/小時以下各種類型燃煤鍋爐。也期盼政府政策制定者，能夠在政策補貼上面采用針對可再生能源技術利用的更多傾斜，如果電能替代的1蒸噸電量補貼測算212萬元能夠補貼給槽式PTC技術應用，將會給企業帶來更多效益，而且是100%的可再生能源利用。建議政策制定者禁煤后采取鼓勵大家提高可再生能源供熱比例，通過計量實際供能采取5年稅收獎補的方式鼓勵企業，自主加速提高可再生能源用熱比例，當然也可以考慮采取增加碳稅、能源稅的方式，真正實現綠色制造高質量生態發展目標。

圖12槽式PTC集熱器系統在廠區綠地可以空間應用

讓每一個屋頂、每一塊綠地空間可利用場地都能插上槽式PTC集熱系統的翅膀，為用戶節約更多的能源成本，為煤改電、煤改氣后時代提供最佳匹配的低成本清潔供熱技術。

圖13輕型模塊化PTC更適用于建筑物屋頂應用場景

大力推行工業綠色清潔發展是生態文明建設、高質量發展的重要舉措，全面落實制造強國建設戰略，強化綠色發展理念，緊緊圍繞制造業資源能源利用效率和清潔生產水平提升，以制造業綠色改造升級為重點，以科技創新為支撐，以法規標準綠色監管制度為保障，以示范試點為抓手，加大政策支持力度，加快構建綠色制造體系，推動綠色產品、綠色工廠、綠色園區和綠色供應鏈全面發展，壯大綠色產業，增強國際競爭新優勢，實現制造業高效清潔低碳循環和可持續發展，促進工業文明與生態文明和諧共融。

圖表14不同DNI法向直接輻射地區PTC產生蒸汽成本測算

上表為根據不同地區測算的PTC集熱系統產生的蒸汽成本參考，隨著技術的不斷進步，規?；蟮南到y成本會逐步下降，供熱成本也一定會逐年下降。

圖15輕型模塊化槽式PTC集熱系統在綜合能源領域的應用場景模式

針對煤改氣的工業領域應用企業，面對北方地區冬季清潔供暖民用市場用戶的突然增加，導致出現燃氣鍋爐停工限產狀況時有發生，伴隨著國內天然氣進口的比例逐年增長，未來燃氣的成本會越來越高，PTC聚光集熱系統技術為北方地區工商業企業提供最佳匹配光熱+燃氣鍋爐耦合節能降費的最佳匹配方案。

圖16槽式PTC集熱系統（威縣）綠地應用實景

輕型模塊化槽式PTC集熱技術，不僅僅適用于工業領域的清潔供熱替換耦合市場，也可以應用在北方地區冬季清潔供暖領域中的，分布式區域集中供暖領域，在寒冷的冬季不僅僅能夠提供清潔熱源，同時在非供暖季能夠提供現代農業中草藥烘干、糧食烘干、枸杞、煙草等烘干，實現跨季充分利用的同時為用戶創造更大價值利益。

輕型模塊化PTC槽式集熱技術，作為可再生能源清潔供熱的太陽能高效熱利用技術，為綠色現代農業創新發展提供能源保障，為綠色工業制造清潔生產提供未來最具競爭力的清潔熱能，作為推行綠色生產和消費是建設生態文明、實現高質量發展的重要舉措。圍繞槽式聚光光熱直接利用技術，建設以熱為中心的綜合能源項目，將為PTC光熱技術的應用打開新的增量市場空間，隨著電能替代、電氣化政策快速發展的綜合能源領域，槽式PTC光熱清潔供熱技術將會是最佳的綜合降本匹配應用技術，實現可再生能源在綜合能源領域的充分利用。

輕型模塊化槽式PTC集熱太陽能高效熱利用應用技術，

他將成為綜合能源領域可再生能源清潔供熱最佳匹配技術，

他將成為區域整村集中供暖最優解決方案，非供暖季能夠滿足糧食、中草藥等烘干應用，

他將成為“煤改電”電能替代最優匹配技術方案，實現白天光熱+晚上低谷電更低用熱成本的途徑，

他將成為“煤改氣”最佳耦合利用技術，不僅僅是解決低成本可再生能源供熱比例的增加，也避免供暖季保民生供暖限氣限產的煩惱，

他將成為北方地區空氣源熱泵供暖白天成本較高，有效降低電費高的有效技術解決方案，

他將成為公服機構最低成本冬季供暖、夏季制冷太陽能高效應用技術，

他將成為企業綠地廣場上面的清潔供熱太陽能翅膀，

他將成為農業科技大棚清潔用熱的曙光，

他將成為未來最低成本清潔供熱技術，

他將成為我們太陽能高效熱利用重要前進方向，

讓我們光熱家人一起努力，讓陽光溫暖清潔的未來，

歡迎朋友們共同努力推動太陽能高效熱利用的更大規模利用。

本文作者：王洪國，一三八一〇五一八八三九，歡迎交流。