用于工业过程热应用的低成本抛物面槽式集热器的实验性热经济性评估

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Experimental thermo-economic assessment of a low-cost parabolic trough collector for industrial process heat applications

　　

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  通过实验得到了实际应用条件下低成本抛物面槽式集热器的平准化热成本。
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  其平准化热成本在7.19到12.84美分/千瓦时·度之间。
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  资本成本和热效率是影响平准化热成本的关键因素。
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  若要通过优惠融资实现与天然气的经济竞争力，其填充因子需约为0.025。
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  使用本地材料时，该集热器的资本成本为453至813美元/平方米。

引言

工业用热的脱碳是全球能源转型过程中的重要挑战[1]、[2]。这一转型与联合国推动的可持续发展目标相契合，尤其是可持续发展目标7（可负担的清洁能源）和目标13（气候行动）。用太阳能热技术替代以化石燃料为动力的工业用热，不仅能减少温室气体排放，还能为新兴经济体提供更廉价、更清洁的能源[3]。在此背景下，对分散式聚光太阳能热系统进行技术经济评估，可为全球南方高直射辐射地区的能源技术选型提供重要依据。许多工业流程的运行温度低于150摄氏度，因此非常适合采用太阳能热技术[4]、[5]、[6]、[7]。在各类可用技术中，抛物面槽式集热器因其成熟度高、应用广泛，占据了已安装聚光太阳能装置的约85%[8]、[9]。近年来，用于工业过程加热的太阳能热技术一直在朝着提高效率、可扩展性和成本效益的方向发展[10]、[11]。根据Singh和McGregor提出的分类标准[10]，此处分析的抛物面槽式集热器可作为中高温系统之外的另一种选择，用于工业用热脱碳进程。Absolicon和Solatom等商业公司已经证明了模块化抛物面槽式集热系统在强光照条件下的技术可行性，其热成本具备竞争力[12]。然而，高昂的初始投资仍是这一技术面临的主要障碍，这类成本往往源于进口部件、专有设计以及复杂的制造工艺[9]、[13]、[14]。在这种情况下，本地制造的低成本抛物面槽式集热系统便成为一种极具前景的替代方案[15]，尤其是在阿根廷西北部[16]、[17]和智利[18]等直射辐射强度较高的地区。

近期研究显示，尽管人们对太阳能热聚光技术的兴趣日益浓厚[19]，但在真实动态运行条件下经过验证的详细实验性平准化热成本分析仍存在明显不足[20]。目前大多数研究仍依赖于模拟或控制环境下的数据[21]、[22]，无法充分反映系统的长期性能衰减和运行波动情况。近年来，有一些研究开始进一步推进抛物面槽式集热器的技术经济评估，尤其是针对工业过程加热领域。例如，Akar和Kurup[23]对用于工业加热的抛物面槽式集热系统进行了成本分析，结果显示其安装成本与系统规模密切相关，大致在162至297美元/平方米之间，而由于规模经济效应和材料成本波动，这会对平准化热成本产生显著影响。同样，Rodríguez Rodrigo等人[24]对用于中温工业应用的抛物面槽式集热系统进行了研究，发现平准化热成本极易受到系统配置、太阳能利用比例以及规模效应的影响，虽然混合布局和优化后的系统尺寸能够降低成本，但这些分析仍然基于稳态假设。最近，Rovense等人[25]分析了一种小型屋顶安装式的抛物面槽式集热器原型，专门用于工业用热生成，并重点研究了其在分散式应用中的平准化热成本问题。他们的研究结果表明，与大型系统相比，小型系统的单位成本更高，因此平准化热成本也更高，这进一步凸显了在设计上降低成本以及在真实工况下提升系统性能的重要性。与此同时，也有新的比较研究[26]探讨了各种低成本集热器（尤其是旋转式菲涅尔集热器与抛物面槽式集热器的对比），研究表明，虽然其他设计可能降低资本成本，但在高直射辐射强度条件下，抛物面槽式集热系统在平准化热成本方面依然具有竞争力，其优势程度取决于跟踪装置的配置和能量产出效率。在建模方面，相关研究也在不断优化系统层面的成本估算方法。Dersch等人[27]分析了抛物面槽式集热系统中不同的传热流体和储能配置，发现热物理设计选择会显著影响系统的平准化成本（在他们的研究中为平准化电力成本，但这一概念可直接应用于平准化热成本分析），尤其是效率设计和储能系统的整合方式会对成本产生影响。此外，Soni和Reddi[28]等学者还进行了更广泛的技术经济分析，研究了将抛物面槽式集热系统与热能储存技术结合用于氢气生产的情况，进一步证实资本成本、效率以及容量因子依然是决定平准化成本水平的核心因素。

尽管在抛物面槽式集热器的技术经济评估方面已经取得了一些进展，但仍然存在一个普遍的局限性：很多研究仍依赖数值模拟或稳态假设，很少考虑环境条件的变化以及在实际运行场景下的实验测量数据。此外，现有的实验研究大多仅侧重于系统的热性能测试，未能将运行数据与技术经济指标充分结合。因此，在低成本抛物面槽式集热系统领域，尤其是那些适用于分散式工业用热的小型到中型系统，目前仍缺乏能够纳入瞬态运行特性和不确定性分析的平准化热成本计算方法。在这种背景下，如何在瞬态户外环境下准确评估抛物面槽式集热系统的热性能，成为了太阳能热技术应用中亟待解决的问题。最近的热工水力研究显示，直射辐射强度、质量流量以及操作压力等方面的变化，都会显著影响抛物面槽式集热系统的吸热器温度分布和热稳定性[29]。因此，为了能够更真实地评估分散式太阳能热技术，迫切需要建立能够将热性能测试结果与技术经济分析相结合的、经过实验验证的方法体系。

基于以上背景，本研究为现有知识体系做出了以下贡献：（一）它是目前文献中为数不多针对小型抛物面槽式集热系统进行的平准化热成本分析研究之一，该研究采用了真实的动态现场数据，并通过正式的不确定性分析方法，而非依赖稳态模拟；（二）本研究提出了一种基于本地材料的低成本设计方案——无需使用任何专有组件，即可将资本成本控制在453至813美元/平方米之间，并且还在真实的运行波动条件下对其经济性能进行了评估；（三）本研究建立了涵盖六组二元参数组合的多参数敏感性分析框架，明确了影响平准化热成本的各种因素的优先级，同时也界定了该系统在经济上的可行范围；（四）本研究还将研究结果置于阿根廷的能源价格体系背景下，通过对比工业用热领域中抛物面槽式集热系统与天然气系统的盈亏平衡填充因子，将技术性能与当地的监管政策及宏观经济形势联系起来。总体而言，这些贡献为在高直射辐射强度的新兴经济体中部署分散式聚光太阳能热系统提供了可复制的分析方法以及量化的决策依据。

章节要点

主要组件与材料

该系统采用模块化设计的抛物面槽式集热器，其集热面积约为11平方米，长度为6.5米（见图1）。反射器由高反射率的铝板构成，而吸热器部分则采用非真空结构的同心设计，由涂有高温黑色涂料的钢结构吸热管组成，外部包裹着硼硅玻璃罩，用以减少热量损失。通过对这款特定原型设计进行红外热成像实验分析后

平准化热成本

平准化成本指标是评估各类能源发电项目的通用标准[31]、[32]。它们能够在标准的时间尺度上，对那些成本结构差异极大的技术进行比较——比如那些初始资本投入高但运行成本低的技术，如聚光太阳能热系统；以及那些初始资本投入低但燃料成本高的技术，如天然气轮机。

平准化热成本相当于工业用热领域的平准化电力成本概念[33]。在

结果与讨论

如图3所示，随着每日平均热能产量的增加，平准化热成本呈下降趋势，但由于资本成本在总成本中占主导地位，因此成本曲线呈双曲形状。如果将直射辐射强度检测设备的相关成本从资本成本中剔除，平准化热成本可降低约40%至45%，这一结果与之前的成本分解结果一致。拟合曲线也验证了这种关联，表明较低的资本支出会在所有运行水平下直接降低平准化热成本。在低能量产出水平下（每天2至4千瓦时·度），平准化热成本的具体数值为

结论

本研究对采用低成本本地材料制造的抛物面槽式集热器进行了技术经济评估。该分析结合了实验测得的系统热性能数据、基于填充因子方法的财务模型分析、正式的不确定性分析，以及在不同运行条件下的多参数敏感性分析，所有分析均在阿根廷西北部地区开展。研究结果表明，平准化热成本与每日热能产量呈明显的负相关关系，这一现象反映了

资金来源

本研究是由阿根廷FONCyT机构资助的PICT项目（项目编号：2019-01729）支持的，该项目名为“在阿根廷西北部地区利用抛物面槽式太阳能聚光技术为工业流程提供热能”。

作者贡献说明

帕布罗·德尔利科姆帕尼：负责文章的审阅与编辑工作、原始草稿的撰写、结果可视化、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理以及研究概念的构建。雨果·阿帕里西奥：同样承担了文章的审阅与编辑、原始草稿撰写、结果可视化、项目监督、方法设计、正式数据分析、数据整理以及研究概念构建等工作。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢萨尔塔国立大学理学院的技术人员埃马努埃尔·阿尔马塔和卡洛斯·费尔南德斯，他们在该项目的建设阶段提供了大量帮助。

帕布罗·德尔利科姆帕尼|雨果·阿帕里西奥