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太陽能熱水工程

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淺析真空管太陽能集熱系統的應用與發展

文章出處:人氣:2967發表時間:2016-11-22

近年來太陽能作為一種新能源在世界范圍內不斷的被普及和應用,兒中國作為世界上最大的太陽能低溫熱利用產品生產和使用國,每年我國太陽能低溫集熱器的制造量居世界之首。目前我國的太陽能熱利用主要是熱水領域,集熱器以真空管及平板為主。真正達標成功案例不足50%,原因是什么呢?系統設計與應用不合理。在未來擁有廣泛應用潛力的工農業太陽能熱利用和低中溫領域市場需求日趨明顯,正向著太陽能干燥、海水淡化、養殖、光熱低溫發電等領域發展,應用需求也越來越廣。對真空管及平板太陽能集熱系統的升級與優化迫在眉睫,系統合理研發落實到實際有效應用勢在必行。

0 現狀

目前,我國太陽能熱水系統主要性能指標與國外發達國家太陽能熱水系統主要性能指標及熱水系統比較還存在一定差距,太陽能熱水系統主要由太陽能集熱系統、儲熱系統和熱水供應系統構成,包括太陽能集熱器、貯水箱、循環管道、輔助加熱設備、控制系統、熱交換器和水泵等設備和附件。太陽能集熱系統是太陽能熱水系統特有的組成部分,是太陽能合理利用的關鍵。熱水供應系統負責將集熱系統制成的熱水供給用戶使用。就中外同類熱水系統分析比較各有千秋,我國多數采用的是開式系統,國外多數采用的是閉式系統,單從系統效率上講,開式系統直接熱交換,閉式系統間接熱交換,顯然開式系統比閉式系統的效率要高。單從系統運行壓力上講,開式系統為常壓,閉式系統為承壓,顯然閉式系統比開式系統的承壓能力要強。從使用的角度上來說,開式系統的熱水壓力不能與冷水管網的壓力直接相匹配,使用舒適度差,閉式系統的熱水壓力能與冷水管網的壓力直接相匹配,但是閉式系統比開式系統的投資成本要高。

這些系統雖廣泛應用,但也存在諸多問題,主要表現在系統設計不合理、生產制造不達標、安裝施工不規范、市場大打價格戰等方面,雖然每年增加很大部分的新能源,解決了一些溫室氣體排放,但是這些因素嚴重影響太陽能光熱新能源的健康發展。

1 優勢和劣勢比較

我國太陽能光熱行業的團隊已經過多年的風雨歷練,涌現出大批黑馬和品牌,研發優化了多項具有世界先進水平的光熱系統,待十三五期間快速推廣發展應用。

1.1中小型太陽能光熱系統工程由過去的并聯系統向串聯系統過渡,體現在降低建設方投資成本,降低承接方施工成本,降低使用方運營成本上。

1.1.1 研發與應用前為并聯系統

目前國內太陽能90%系統采用坡面朝南并聯集熱器工程模塊,該系統所需循環管道長,是集熱器寬度的3倍,系統循環管道熱損20%,系統運行效率低,投資量、施工量偏大,節能效果不明顯,運營成本高。是今后安裝中小型太陽能光熱系統不可取的工程系統。系統基本原理如圖1所示。


圖1 系統基本原理

系統主要弊端:

a.自來水直接進入儲熱水箱,造成熱水溫度不穩定;四季晴天、陰天需要復合能源輔助,節能效果不明顯。

b.集熱系統單一溫差循環運行模式,造成循環管道運行溫度高、熱損大;當用熱水的時候儲熱水箱水位下降,浮球閥同步補冷水,儲熱水箱的熱水用到一半就不能再用了,系統必須進行輔助能源互補,由于該系統是并聯系統,同程管道長,溫差循環的管道溫度基本在45℃以上,循環換熱管道溫損在20%以上。

c.冬季溫差循環系統基本上是以輔助能源為主,以太陽能為輔,甚至在我國的北方冬季無法使用。

1.1.2 研發與應用后串聯系統

本文所述的太陽能熱水系統采用真空集熱管集中集熱萬能角度工程模塊,串聯系統連接模式,該系統四季運行光照無死角,每年4月至10月晴天無需復合能源互補,所需循環管道少、熱損小、系統效率高、運營成本低,是今后我國中小型太陽能熱水工程系統首選。系統基本原理如圖2所示。


圖2 系統基本原理


圖3 實際工程案例照片

系統優化:由并聯系統優化為串聯系統,晴天冷水源直接進串聯集熱器系統進口,通過集熱器定溫交換加熱,使符合用水條件的熱水進入儲能水箱,午后儲能水箱到達儲能定溫高水位時,系統轉換溫差循環,對儲能水箱進行二次加熱,在使用熱水時,集熱系統向儲能水箱補充的是集熱器的余熱,使太陽能系統熱利用率得到更高獲取,最大化利用太陽光能。

該研發的系統與目前國內同行中任何一款應用的熱水系統相比具有以下優勢特點:

a.采用萬能角度雙翼平鋪集熱器,全年候運行光照無死角,使太陽光能吸收最大化。

b.集熱采用串聯系統,集熱器與集熱器之間相串組合遞增加熱,具有循環管道用量少/熱損小、加熱速度快、運行效率高。

c.系統采用獨特的運行工藝:定溫循環+溫差循環+余熱回收+復合能源;晴天上午定溫循環集熱器光照2小時自來水直接進集熱系統,出來達到45℃以上;下午系統自動轉入溫差循環,也就是給儲熱水箱進行二次加熱,日落前集熱器與儲熱水箱溫度可達65℃。晚上系統自動轉入余熱回收;由于真空管集熱器是高度保溫的,日落前集熱器溫度為65℃,日落后仍有65℃,當儲熱水箱內水位下降,系統自動轉入余熱回收。

d.當用水單位突然增加洗浴人員,原設計量呈現不足,儲熱水箱可能出現補水情況,此時集熱器仍有少量45℃以下的熱水備用,當儲熱水箱水溫下降到45℃以下,水位在水箱三分一處時,系統將自動轉入復合能源互補模式;也就是說復合能源使用的條件是當太陽能的能量即將用盡且儲熱水箱的水量只有三分一處時系統才能啟動輔助能源。

e.該控制系統為行業獨特的專利系統,能在-25℃環境下正常產熱運行,采用雙層保溫管道,使用超低溫微循環防凍模式,具有全自動防凍解凍系統,確保四季正常供熱運行,真正做到節能減排的目的。
2 太陽能集熱系統強制循環分析

2.1 工作原理

強制循環太陽能熱水系統是在集熱器和貯水箱之間管路上設置水泵,作為系統中水的循環動力;與此同時,集熱器的有用能量收益通過加熱水,不斷儲存在貯水箱內。

系統運行過程中,循環泵的啟動和關閉必須要有控制,否則既浪費電能又損失熱能。通常有溫差控制和光電控制兩種控制方法,其中溫差控制較為普及,可同時應用溫差控制和光電控制。

溫差控制是利用集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差來控制循環泵的運行,如圖4所示。


圖4 溫差控制的強制循環系統(直接系統)示意圖

有光照后,集熱器內的水受太陽輻射能加熱,溫度逐步升高,一旦集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達到設定值(一般8~10℃)時,溫差控制器給出信號,啟動循環泵,系統開始運行;遇到云遮日或下午日落前,太陽輻照度降低,集熱器溫度逐步下降,一旦集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達到另一設定值(一般3~4℃)時,溫差控制器給出信號,關閉循環泵,系統停止運行。

光電控制是利用太陽能電池所產生的電信號來控制循環泵的運行。日出后,太陽輻照度逐漸增加,一旦太陽輻照度達到設定的閾值(一般l50W/㎡左右)時,光電溫差控制器給出信號,啟動循環泵,系統開始運行;遇到云遮日或下午日落前,太陽輻照度逐漸降低,一旦太陽輻照度低于閾值時,光電溫差控制器給出信號,關閉循環泵,系統停止運行。

用熱水時,同樣有兩種取熱水的方法:頂水法和落水法。

頂水法是向貯水箱底部補充冷水(自來水),將貯水箱上層熱水頂出使用;落水法是依靠熱水本身重力從貯水箱底部落下使用。在強制循環條件下,由于貯水箱內的水得到充分的混合,不出現明顯的溫度分層,所以頂水法和落水法都可以取到熱水。頂水法與落水法相比,其優點是熱水在壓力下的噴淋可提高使用者的舒適度,而且不必考慮向貯水箱補水的問題;缺點也是從貯水箱底部進入的冷水會與貯水箱內的熱水摻混。落水法的優點是沒有冷熱水的摻混,但缺點是熱水靠重力落下而影響使用者的舒適度,必須每天考慮向貯水箱補水的問題。

在雙回路的強制循環系統中,換熱器既可以是置于貯水箱內的浸沒式換熱器,也可以是置于貯水箱外的板式換熱器。板式換熱器與浸沒式換熱器相比,有許多優點:其一,板式換熱器的換熱面積大,傳熱溫差小,對系統效率影響少;其二,板式換熱器設置在系統管路之中,靈活性較大,便于系統設計布置;其三,板式換熱器已商品化、標準化,質量容易保證,可靠性好。強制循環系統可適用于大、中、小型各種規模的太陽能熱水系統。
2.2 集熱器系統分析

對強制循環太陽能熱水系統,分直接系統和間接系統兩種情況進行分析。

直接系統:由于強制循環系統是依靠水泵作為循環動力,系統以固定的大流量進行循環,因此在運行過程中貯水箱內的水得到充分的混合,可以認為貯水箱內無溫度分層,水溫為某一個均勻溫度。

當系統作無負荷運行時,貯水箱的能量平衡方程為:


集熱器的能量平衡方程為:


系統控制器的工作可以用一個控制函數來表示:


式中,F——控制函數;

——集熱器出口溫度。

在強制循環系統中,通常系統流量為恒定值。假定為設定溫差。當時,F=1,表示控制器閉合,水泵工作;當時,F=0,表示控制器斷開,水泵停運。

假定管路的熱損失很小,可以忽略不計,則有。將式(2)代入(1),整理后可得:



式(4)和式(5)分別表示系統中水泵工作和不工作兩種情況下,貯水箱內溫度隨時間的變化關系。兩式中除外,均為可預先求得的常量或為時間的已知函數。因此,可以采用數值積分方法求解。用表示溫度的導數,取得各時間間隔所對應的太陽輻照度G和環境溫度值之后,即可逐步求得一天中貯水箱內溫度的變化。計算結果表明,集熱系統效率與采用什么樣的系統連接形式有密切相關,如并聯系統與串聯系統的關系。

并聯系統集熱器產熱溫度與循環管道長度之間的關系如圖5所示:每組集熱器產熱溫度相等,循環管道長度是集熱器寬度的三倍相加。


圖5 并聯系統集熱器產熱溫度與循環管道長度之間的關系

串聯系統集熱器產熱溫度與循環管道長度之間的關系如圖6所示:每組集熱器產熱溫度相加,循環管道長度是并聯系統的三分之一。
圖6 串聯系統集熱器產熱溫度與循環管道長度之間的關系

3結論

綜上所述,采用同樣的集熱器應用不同的組合系統,產出的熱水量是不同的;當今我國乃至全世界都在向宇宙獲取清潔可再生能源,真正做好、用好還要以科學發展觀為總則,普及科學、合理、實用的知識。

此文關鍵字:太陽能集熱器|優化系統|并聯系統|串聯系統

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