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低温余热发电将比太阳能更有效率?

2019-01-08 来源:北京太阳谷咨询有限公司 发布:高端装备产业研究中心

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  导读:温度在350℃以下的低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中,对其实现高效回收利用具有重要意义。将低温余热所具有的热能转换为电能,是提高能源利用效率和降低环境污染的有效途径。而太阳能光伏发电(Solar PV)是近些年来发展最快,也是最具经济潜力的清洁能源开发领域。近年来在各国政府的扶持下,世界太阳能光伏发电产业得到了快速增长。

  那么低温余热发电与太阳能光伏发电哪种方式更有效率呢?

  低温余热资源及主要发电技术

  随着生产工艺的改进和节能技术、设备的开发,余热的回收利用正在向回收难度较大的固体显热和中低温余热领域发展。余热源主要来自钢铁工业、水泥工业、化学工业、有色冶炼工业、玻璃工业以及柴油发动机、燃气轮机和焚烧炉等的排烟余热等。除了工业余热资源,太阳热能、地热能、生物质能、海洋温差能也是低温余热发电的潜在可利用资源。

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  低温余热发电技术主要利用热-功(电)转化原理,主要技术有

  ●有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)、

  ●斯特林循环、

  ●半导体热电(thermoelectric)材料温差发电、

  ●氨-水混合工质Kalina循环及

  ●热声((thermoacoustic)发电等

  其中,半导体热电材料温差发电效率较低、造价高昂,且受材料性能的制约;理论上Kalina循环具有较高效率,但其构成复杂,对系统密封性要求极高,尚需经实际工程应用结果的检验。相比之下,由于空分等工艺的需要,目前,国际上对有机朗肯循环的膨胀机研究较为成熟,可采用向心透平、螺杆式、滚动转子式及涡旋式膨胀机等多种形式,输出轴功率可小到1千瓦,大至数千千瓦。因此,采用有机朗肯循环技术回收低温余热是目前研究的热点,也是未来低温余热回收利用的发展趋势。(文章推荐-国内外有机朗肯循环(ORC)低温余热发电系统概述)

  太阳能光伏发电及其优缺点

  太阳能光伏发电发电过程简单,没有机械转动部件,不消耗燃料,不排放包括温室气体在内的任何物质,无噪声、无污染;太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此,与风力发电、生物质能发电和核电等新型发电技术相比,光伏发电是一种最具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术。

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  当然,太阳能光伏发电也有它的不足和缺点,包括能量密度低、占地面积大、转换效率低、间歇性工作、受气候环境因素影响大、地域依赖性强、系统成本以及晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗等。

  由于太阳能光伏发电的效率较低,到目前为止,光伏发电的成本仍然是其他常规发电方式(如火力和水力发电)的几倍,这是制约其广泛应用的最主要因素。

  低温余热发电与太阳能光伏发电的LCOE比较

  国外学者通过对低温余热发电与太阳能光伏发电的平准化度电成本(LCOE)进行比较来判断这两项技术的全寿命发电成本。

  LCOE是一种基于净现值的方法,用于估算在其整个生命周期内建设和运营工厂的总成本。LCOE实际上等于成本的净现值与能量产出的经济时间价值 (economic time value)的比值。

  LCOE根据以下表达式计算:

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  基于以上公式,利用印度的余热发电设备Climeon Heat Power进行计算,这个分析的结果总结在下表中:

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  这个比较表明,余热发电只需要较小的占地面积,而且单位价格略低,所在相同发电单价的情况下,低温余热发电产生的电量是太阳能光伏的五倍。与同样容量的太阳能光伏安装相比,余热发电系统的二氧化碳排放量也增加了5倍。

  通过分析可以发现,这两种技术之间有一个明显的区别:生产的电力单元的数量。同样在1MW的安装规模下,低温余热发电系统的年均发电量要远远大于太阳能光伏设备的发电量。

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  最后对太阳能光伏电站与低温余热系统的LCOE进行对比可以看出,这两个系统的LCOE是大致相当的。低温余热发电系统的初始投资总额要大于太阳能光伏发电,但是在项目集成和年度运营支出上,要小于太阳能光伏发电系统。可见低温余热系统在经济性上是高于太阳能光伏发电的。

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  虽然该结论是印度学者根据印度的经济状况、技术成本、设备等因素进行的计算,而且重点关注的是低温余热系统在水泥行业中的应用,与我国的实际情况可能会略有出入,得出的比较结果也会有差别。但是可以看出,低温余热发电系统对普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中的低温余热资源的高效回收利用具有重要意义,在经济性上也具有一定的优势,值得我国政府和工业领域的关注和推广。

  资料来源:

  [1] Heat Power is now more efficient than Solar in the Cement Industry

  https://www.linkedin.com/pulse/heat-power-now-more-efficient-than-solar-cement-andreas-k%C3%A4llroos/

  [2] Cheaper than Solar PV? Why low temperature Heat Power makes sense

  https://www.linkedin.com/pulse/cheaper-than-solar-pv-why-low-temperature-heat-power-rakshith/

  [3] 新能源比传统能源成本更高吗?

  http://journal.ctbu.edu.cn/xblt/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20130309&flag=1&journal_id=cqgsXblt&year_id=2013

  [4]可再生能源发电技术的进步促使LCOE降至新低

  http://www.escn.com.cn/news/show-420349.html

  [5]360°解析度电成本,光伏平价上网有多远

  http://www.wusuobuneng.com/archives/30500

  [6]太阳能光伏发电的优缺点

  https://zhidao.baidu.com/question/268571944.html

  [7] 低品位热能利用技术 张军,孟祥睿,马新灵编 北京:化学工业出版社 , 2012.02

  [8] 低温余热发电有机朗肯循环技术 王华,王辉涛著 北京:科学出版社 , 2010.06