作為世界上最大的太陽能低溫?zé)崂卯a(chǎn)品生產(chǎn)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(lǐng)域，集熱器以真空管及平板為主。真正達(dá)標(biāo)成功案例不足50%，原因是什么呢？系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用不合理。在未來擁有廣泛應(yīng)用潛力的工農(nóng)業(yè)太陽能熱利用和低中溫領(lǐng)域市場需求日趨明顯，正向著太陽能干燥、海水淡化、養(yǎng)殖、光熱低溫發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用需求也越來越廣。對真空管及平板太陽能集熱系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化迫在眉睫，系統(tǒng)合理研發(fā)落實(shí)到實(shí)際有效應(yīng)用勢在必行。
關(guān)鍵詞 太陽能集熱器 系統(tǒng)優(yōu)化 并聯(lián)系統(tǒng) 串聯(lián)系統(tǒng)
0 現(xiàn)狀
目前，我國太陽能熱水系統(tǒng)主要性能指標(biāo)與國外發(fā)達(dá)國家太陽能熱水系統(tǒng)主要性能指標(biāo)及熱水系統(tǒng)比較還存在一定差距，太陽能熱水系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，包括太陽能集熱器、貯水箱、循環(huán)管道、輔助加熱設(shè)備、控制系統(tǒng)、熱交換器和水泵等設(shè)備和附件。太陽能集熱系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)特有的組成部分，是太陽能合理利用的關(guān)鍵。熱水供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將集熱系統(tǒng)制成的熱水供給用戶使用。就中外同類熱水系統(tǒng)分析比較各有千秋，我國多數(shù)采用的是開式系統(tǒng)，國外多數(shù)采用的是閉式系統(tǒng)，單從系統(tǒng)效率上講，開式系統(tǒng)直接熱交換，閉式系統(tǒng)間接熱交換，顯然開式系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)的效率要高。單從系統(tǒng)運(yùn)行壓力上講，開式系統(tǒng)為常壓，閉式系統(tǒng)為承壓，顯然閉式系統(tǒng)比開式系統(tǒng)的承壓能力要強(qiáng)。從使用的角度上來說，開式系統(tǒng)的熱水壓力不能與冷水管網(wǎng)的壓力直接相匹配，使用舒適度差，閉式系統(tǒng)的熱水壓力能與冷水管網(wǎng)的壓力直接相匹配，但是閉式系統(tǒng)比開式系統(tǒng)的投資成本要高。
這些系統(tǒng)雖廣泛應(yīng)用，但也存在諸多問題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、生產(chǎn)制造不達(dá)標(biāo)、安裝施工不規(guī)范、市場大打價(jià)格戰(zhàn)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(yán)重影響太陽能光熱新能源的健康發(fā)展。
1 優(yōu)勢和劣勢比較
我國太陽能光熱行業(yè)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)過多年的風(fēng)雨歷練，涌現(xiàn)出大批黑馬和品牌，研發(fā)優(yōu)化了多項(xiàng)具有世界先進(jìn)水平的光熱系統(tǒng)，待十三五期間快速推廣發(fā)展應(yīng)用。
1.1中小型太陽能光熱系統(tǒng)工程由過去的并聯(lián)系統(tǒng)向串聯(lián)系統(tǒng)過渡，體現(xiàn)在降低建設(shè)方投資成本，降低承接方施工成本，降低使用方運(yùn)營成本上。
1.1.1 研發(fā)與應(yīng)用前為并聯(lián)系統(tǒng)
目前國內(nèi)太陽能90%系統(tǒng)采用坡面朝南并聯(lián)集熱器工程模塊，該系統(tǒng)所需循環(huán)管道長，是集熱器寬度的3倍，系統(tǒng)循環(huán)管道熱損20%，系統(tǒng)運(yùn)行效率低，投資量、施工量偏大，節(jié)能效果不明顯，運(yùn)營成本高。是今后安裝中小型太陽能光熱系統(tǒng)不可取的工程系統(tǒng)。系統(tǒng)基本原理如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)基本原理
系統(tǒng)主要弊端：
a.自來水直接進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱，造成熱水溫度不穩(wěn)定；四季晴天、陰天需要復(fù)合能源輔助，節(jié)能效果不明顯。
b.集熱系統(tǒng)單一溫差循環(huán)運(yùn)行模式，造成循環(huán)管道運(yùn)行溫度高、熱損大；當(dāng)用熱水的時(shí)候儲(chǔ)熱水箱水位下降，浮球閥同步補(bǔ)冷水，儲(chǔ)熱水箱的熱水用到一半就不能再用了，系統(tǒng)必須進(jìn)行輔助能源互補(bǔ)，由于該系統(tǒng)是并聯(lián)系統(tǒng)，同程管道長，溫差循環(huán)的管道溫度基本在45℃以上，循環(huán)換熱管道溫?fù)p在20%以上。
c.冬季溫差循環(huán)系統(tǒng)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(fā)與應(yīng)用后串聯(lián)系統(tǒng)
本文所述的太陽能熱水系統(tǒng)采用真空集熱管集中集熱萬能角度工程模塊，串聯(lián)系統(tǒng)連接模式，該系統(tǒng)四季運(yùn)行光照無死角，每年4月至10月晴天無需復(fù)合能源互補(bǔ)，所需循環(huán)管道少、熱損小、系統(tǒng)效率高、運(yùn)營成本低，是今后我國中小型太陽能熱水工程系統(tǒng)首選。系統(tǒng)基本原理如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)基本原理
圖3 實(shí)際工程案例照片
系統(tǒng)優(yōu)化：由并聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化為串聯(lián)系統(tǒng)，晴天冷水源直接進(jìn)串聯(lián)集熱器系統(tǒng)進(jìn)口，通過集熱器定溫交換加熱，使符合用水條件的熱水進(jìn)入儲(chǔ)能水箱，午后儲(chǔ)能水箱到達(dá)儲(chǔ)能定溫高水位時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換溫差循環(huán)，對儲(chǔ)能水箱進(jìn)行二次加熱，在使用熱水時(shí)，集熱系統(tǒng)向儲(chǔ)能水箱補(bǔ)充的是集熱器的余熱，使太陽能系統(tǒng)熱利用率得到更高獲取，最大化利用太陽光能。
該研發(fā)的系統(tǒng)與目前國內(nèi)同行中任何一款應(yīng)用的熱水系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢特點(diǎn)：
a.采用萬能角度雙翼平鋪集熱器，全年候運(yùn)行光照無死角，使太陽光能吸收最大化。
b.集熱采用串聯(lián)系統(tǒng)，集熱器與集熱器之間相串組合遞增加熱，具有循環(huán)管道用量少/熱損小、加熱速度快、運(yùn)行效率高。
c.系統(tǒng)采用獨(dú)特的運(yùn)行工藝：定溫循環(huán)+溫差循環(huán)+余熱回收+復(fù)合能源；晴天上午定溫循環(huán)集熱器光照2小時(shí)自來水直接進(jìn)集熱系統(tǒng)，出來達(dá)到45℃以上；下午系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入溫差循環(huán)，也就是給儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行二次加熱，日落前集熱器與儲(chǔ)熱水箱溫度可達(dá)65℃。晚上系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)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(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水位下降，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入余熱回收。
d.當(dāng)用水單位突然增加洗浴人員，原設(shè)計(jì)量呈現(xiàn)不足，儲(chǔ)熱水箱可能出現(xiàn)補(bǔ)水情況，此時(shí)集熱器仍有少量45℃以下的熱水備用，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫下降到45℃以下，水位在水箱三分一處時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)入復(fù)合能源互補(bǔ)模式；也就是說復(fù)合能源使用的條件是當(dāng)太陽能的能量即將用盡且儲(chǔ)熱水箱的水量只有三分一處時(shí)系統(tǒng)才能啟動(dòng)輔助能源。
e.該控制系統(tǒng)為行業(yè)獨(dú)特的專利系統(tǒng)，能在-25℃環(huán)境下正常產(chǎn)熱運(yùn)行，采用雙層保溫管道，使用超低溫微循環(huán)防凍模式，具有全自動(dòng)防凍解凍系統(tǒng)，確保四季正常供熱運(yùn)行，真正做到節(jié)能減排的目的。
2 太陽能集熱系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)分析
2.1 工作原理
強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)是在集熱器和貯水箱之間管路上設(shè)置水泵，作為系統(tǒng)中水的循環(huán)動(dòng)力；與此同時(shí)，集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲(chǔ)存在貯水箱內(nèi)。
系統(tǒng)運(yùn)行過程中，循環(huán)泵的啟動(dòng)和關(guān)閉必須要有控制，否則既浪費(fèi)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(shí)應(yīng)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(huán)泵的運(yùn)行，如圖4所示。
圖4 溫差控制的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)（直接系統(tǒng)）示意圖
有光照后，集熱器內(nèi)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(dá)到設(shè)定值(一般8～10℃)時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)泵，系統(tǒng)開始運(yùn)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(dá)到另一設(shè)定值(一般3～4℃)時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
光電控制是利用太陽能電池所產(chǎn)生的電信號(hào)來控制循環(huán)泵的運(yùn)行。日出后，太陽輻照度逐漸增加，一旦太陽輻照度達(dá)到設(shè)定的閾值(一般l50W／㎡左右)時(shí)，光電溫差控制器給出信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)泵，系統(tǒng)開始運(yùn)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(shí)，光電溫差控制器給出信號(hào)，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
用熱水時(shí)，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(bǔ)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(qiáng)制循環(huán)條件下，由于貯水箱內(nèi)的水得到充分的混合，不出現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)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(bǔ)水的問題；缺點(diǎn)也是從貯水箱底部進(jìn)入的冷水會(huì)與貯水箱內(nèi)的熱水摻混。落水法的優(yōu)點(diǎn)是沒有冷熱水的摻混，但缺點(diǎn)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(bǔ)水的問題。
在雙回路的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，換熱器既可以是置于貯水箱內(nèi)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(yōu)點(diǎn)：其一，板式換熱器的換熱面積大，傳熱溫差小，對系統(tǒng)效率影響少；其二，板式換熱器設(shè)置在系統(tǒng)管路之中，靈活性較大，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置；其三，板式換熱器已商品化、標(biāo)準(zhǔn)化，質(zhì)量容易保證，可靠性好。強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)可適用于大、中、小型各種規(guī)模的太陽能熱水系統(tǒng)。
2.2 集熱器系統(tǒng)分析
對強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)，分直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)兩種情況進(jìn)行分析。
直接系統(tǒng)：由于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)是依靠水泵作為循環(huán)動(dòng)力，系統(tǒng)以固定的大流量進(jìn)行循環(huán)，因此在運(yùn)行過程中貯水箱內(nèi)的水得到充分的混合，可以認(rèn)為貯水箱內(nèi)無溫度分層，水溫為某一個(gè)均勻溫度。
當(dāng)系統(tǒng)作無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，貯水箱的能量平衡方程為：
（1）集熱器的能量平衡方程為：
（2）系統(tǒng)控制器的工作可以用一個(gè)控制函數(shù)來表示：
（3）式中，F(xiàn)——控制函數(shù)；
——集熱器出口溫度。
在強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，通常系統(tǒng)流量為恒定值。假定為設(shè)定溫差。當(dāng)時(shí)，F(xiàn)=1，表示控制器閉合，水泵工作；當(dāng)時(shí)，F(xiàn)=0，表示控制器斷開，水泵停運(yùn)。
假定管路的熱損失很小，可以忽略不計(jì)，則有。將式（2）代入（1)，整理后可得：
F=1時(shí)，有： 
（4）
F=0時(shí)，有： 
（5）
式(4)和式(5)分別表示系統(tǒng)中水泵工作和不工作兩種情況下，貯水箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。兩式中除外，均為可預(yù)先求得的常量或?yàn)闀r(shí)間的已知函數(shù)。因此，可以采用數(shù)值積分方法求解。用表示溫度的導(dǎo)數(shù)，取得各時(shí)間間隔所對應(yīng)的太陽輻照度G和環(huán)境溫度值之后，即可逐步求得一天中貯水箱內(nèi)溫度的變化。計(jì)算結(jié)果表明，集熱系統(tǒng)效率與采用什么樣的系統(tǒng)連接形式有密切相關(guān)，如并聯(lián)系統(tǒng)與串聯(lián)系統(tǒng)的關(guān)系。
并聯(lián)系統(tǒng)集熱器產(chǎn)熱溫度與循環(huán)管道長度之間的關(guān)系如圖5所示：每組集熱器產(chǎn)熱溫度相等，循環(huán)管道長度是集熱器寬度的三倍相加。
圖5 并聯(lián)系統(tǒng)集熱器產(chǎn)熱溫度與循環(huán)管道長度之間的關(guān)系
串聯(lián)系統(tǒng)集熱器產(chǎn)熱溫度與循環(huán)管道長度之間的關(guān)系如圖6所示：每組集熱器產(chǎn)熱溫度相加，循環(huán)管道長度是并聯(lián)系統(tǒng)的三分之一。
圖6 串聯(lián)系統(tǒng)集熱器產(chǎn)熱溫度與循環(huán)管道長度之間的關(guān)系
3結(jié)論
綜上所述，采用同樣的集熱器應(yīng)用不同的組合系統(tǒng)，產(chǎn)出的熱水量是不同的；當(dāng)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(xué)發(fā)展觀為總則，普及科學(xué)、合理、實(shí)用的知識(shí)。
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