海南熱帶環(huán)境下儲熱型太陽能利用系統(tǒng)

劉世豪，王 偉

(海南大學 機電工程學院，海南 ?？?570228)

海南熱帶環(huán)境下儲熱型太陽能利用系統(tǒng)

劉世豪，王 偉

(海南大學 機電工程學院，海南 海口 570228)

針對海南省太陽能熱利用成本高的問題，探索了一種符合海南省熱帶環(huán)境特點的太陽能利用系統(tǒng)。收集整理海南省代表性城市月平均太陽總輻射量，分析了海南省太陽輻射強度分布規(guī)律。采用儲熱材料和顯熱儲熱方式設(shè)計了太陽能利用系統(tǒng)。結(jié)合海南省太陽輻射強度分布規(guī)律，設(shè)計帶有機械齒輪和發(fā)條裝置的單面聚光器與“組合式”聚光器，有效降低了因太陽方位變化對透鏡聚光效率的影響，提高了菲涅爾透鏡的聚光效率，并對該系統(tǒng)的發(fā)條裝置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，簡化了系統(tǒng)設(shè)計過程。對比分析該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)與普通家用電飯煲的能耗量，驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。研究結(jié)果表明：所設(shè)計的儲熱型太陽能利用系統(tǒng)具有良好的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)。

熱帶環(huán)境；菲涅爾透鏡；優(yōu)化設(shè)計；儲熱材料；太陽輻射強度

0 引言

海南省地處中國熱帶地區(qū)，有著得天獨厚的熱帶環(huán)境資源，四季陽光充沛，太陽能資源相當豐富。目前，海南省在熱帶環(huán)境資源利用方面主要體現(xiàn)在太陽能的熱利用上，但普及率不高。在太陽能發(fā)電、太陽能海水淡化等方面，近些年雖有所發(fā)展，但使用成本較高，導致其在推廣上存在一定的局限性[1]。對于長期從事捕魚作業(yè)的海南漁民而言，有效地利用太陽能可解決他們在海上生活的能源問題，豐富海南省太陽能熱利用的門類。尤其是海南省三沙市剛成立不久，生活基礎(chǔ)設(shè)施還不夠齊全，三沙市漁民和官兵的日常生活能源主要靠外來補給，然而，三沙市所在區(qū)域的日照較為充足，這為將太陽能用于日常生活提供了有利的條件?？紤]到海南省豐富的熱帶環(huán)境資源與其開發(fā)利用上的不對稱性，探索一種既經(jīng)濟又實用的太陽能熱利用系統(tǒng)是十分必要的。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學者對儲熱型太陽能利用技術(shù)進行了廣泛的研究。文獻[2-3]認為，目前太陽能的熱儲存主要分為3種形式：利用物質(zhì)升(降)溫時吸(放)熱特性的顯熱儲熱方式；利用物質(zhì)發(fā)生相變時的吸放熱特性的潛熱儲熱方式；利用可逆化學吸放熱反應(yīng)特性的化學反應(yīng)熱儲熱方式。這3種儲熱方式中，顯熱儲熱方式的原理最簡單、材料來源最豐富、成本最低廉；潛熱儲熱方式相比于顯熱儲熱方式，雖具有單位體積儲熱密度大的優(yōu)點，但材料在相變過程中具有高腐蝕性，價格也相對較高，這大大限制了其在實際中的應(yīng)用。文獻[4-5]對顯熱儲熱方式中的儲熱材料進行了研究，以熔融鹽作為儲熱系統(tǒng)中的儲熱材料及傳熱介質(zhì)，不僅可以提高熱交換效率和導熱溫度，減少儲能系統(tǒng)的質(zhì)量，而且還能大大降低成本，減小對環(huán)境的危害。

針對當前太陽能熱利用系統(tǒng)成本高、使用不便等問題，本文結(jié)合海南省熱帶環(huán)境的特點設(shè)計了一種儲熱型太陽能利用系統(tǒng)。通過對海南省尤其是三沙市的太陽實際輻射強度進行數(shù)據(jù)擬合及相關(guān)對比分析，證明該系統(tǒng)理論設(shè)計的可行性，并探究其實際應(yīng)用價值，從而為海南省的太陽能熱利用提供了新的思路。

1 海南省太陽輻射強度分布規(guī)律

根據(jù)文獻[6]可知：海南省太陽能資源理論儲量為1.71×1022J/年，年平均太陽能總輻射量為 4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照時數(shù)為2 166 h。表1是根據(jù)文獻[7-8]整理得到的海南省代表性城市月平均太陽總輻射量。

表1 海南省代表性城市月平均太陽總輻射量 MJ/m2

表1中的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB軟件分析后，擬合出海南省月平均太陽總輻射量Qm隨月份變化的關(guān)系式：

Qm= -10.2t2+130.7t+156.6，

(1)

其中：Qm為海南省的月平均太陽總輻射量，MJ/m2；t為月份。由式(1)可以得出：海南省的月平均太陽總輻射量與月份間基本滿足二次函數(shù)分布；在6～7月份，月平均太陽總輻射量達到最大。

2 儲熱型太陽能利用系統(tǒng)的構(gòu)造

為了降低因太陽方位變化而對菲涅爾(Fresnel)透鏡聚光效率的影響，根據(jù)海南省熱帶環(huán)境下太陽輻射強度分布規(guī)律，并從經(jīng)濟實用性考慮，本文針對該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)中的聚光器，提出了兩種改進方案。第1種是在傳統(tǒng)的聚光器主支撐軸上安裝機械齒輪及發(fā)條機構(gòu)，通過人工上條操作，使聚光透鏡的正聚光面能跟隨太陽的移動而移動，從而增加太陽光垂直入射到聚光透鏡上的概率[9-12]。第2種是將傳統(tǒng)的單面聚光器改為多面“組合式”聚光器，即利用多塊透鏡組合在一起聚光，通過增加透鏡的聚光面積來保證太陽光在任何時刻都能夠有效地被“組合式”透鏡的某一部分聚集到同一區(qū)域(焦點)，進而提高聚光效率。

圖1 條盒輪剖視圖

2.1 機械追蹤裝置彈簧發(fā)條機構(gòu)優(yōu)化建模

機械追蹤裝置主要由彈簧發(fā)條驅(qū)動機構(gòu)、變速齒輪行星輪系、中心主轉(zhuǎn)動軸、復(fù)位機構(gòu)、支架及基座6部分組成。彈簧發(fā)條驅(qū)動機構(gòu)為整個裝置的核心，主要由裝有螺旋形發(fā)條彈簧的條盒輪和擒縱機構(gòu)組成，其中，條盒輪中發(fā)條彈簧的設(shè)計為整個驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。條盒輪的剖視圖如圖1所示。設(shè)計發(fā)條彈簧主要是按照設(shè)計手冊反復(fù)計算取最優(yōu)值，該方法繁瑣且工作量大，本文結(jié)合發(fā)條彈簧的功能及性質(zhì)，探索其約束條件，建立優(yōu)化設(shè)計模型，通過MATLAB等軟件快速且準確地求出其相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

2.1.1 發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)

將發(fā)條彈簧的3個設(shè)計變量(厚度、寬度和工作長度)作為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，依次設(shè)為x1、x2和x3。以標準帶盒發(fā)條的體積最小為目標，得到發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)為：

(2)

2.1.2 發(fā)條彈簧的約束條件

在發(fā)條的設(shè)計過程中，一般應(yīng)綜合考慮發(fā)條彈簧的輸出力矩、發(fā)條彈簧厚度、發(fā)條彈簧寬度、空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、力矩變動率和延時走時等方面的問題[13-17]，故針對這些問題確定發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計的約束條件如下：

(Ⅰ)輸出力矩約束

最終設(shè)計的發(fā)條彈簧的最大輸出力矩應(yīng)大于阻力矩[Mmax]，其約束不等式為：

(3)

(Ⅱ)發(fā)條彈簧厚度和寬度約束

根據(jù)設(shè)計手冊，發(fā)條彈簧的厚度和寬度分別在[0.5,4]、[5.0,80]內(nèi)取值，其約束等式為：

(4)

(Ⅲ)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)約束

發(fā)條彈簧的最大圈數(shù)nmax應(yīng)大于空圈數(shù)n0(n0=1.0～3.5圈)，其約束不等式為：

(5)

(Ⅳ)力矩變動率約束

為保證發(fā)條彈簧力矩輸出的穩(wěn)定性，要求其力矩變動率小于許用力矩變動率[B]，其約束不等式為：

(6)

(Ⅴ)延時走時約束

發(fā)條彈簧的力矩輸出時間應(yīng)該大于設(shè)計所需時間[T]，其約束不等式為：

(Ⅵ)發(fā)條彈簧制造條件約束

發(fā)條彈簧的工作長度應(yīng)該大于其最短長度，其約束不等式為：

(8)

式(2)～式(8)中：K為彈簧剛度，N/mm；b為發(fā)條彈簧的厚度，mm；h為發(fā)條彈簧的寬度，mm；σb為抗拉強度，Pa；xi(i=1,2,3)為設(shè)計變量，mm；m為強度因數(shù)；E為彈性模量，Pa；Lg為彈簧的工作長度，mm；Lmin為發(fā)條彈簧的最短長度，mm。

2.1.3 發(fā)條彈簧設(shè)計優(yōu)化模型

針對上述約束條件，發(fā)條彈簧的最大輸出力矩為Tsmax、最小輸出力矩為Tsmin和最大理論力矩為Tmax，可根據(jù)工作需要求出而作為已知量，故可得到發(fā)條彈簧設(shè)計優(yōu)化模型：

(9)

圖2 儲熱型太陽能利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖

根據(jù)上述優(yōu)化模型，通過MATLAB軟件采用優(yōu)化算法進行編程，即可快速準確地得到發(fā)條彈簧的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，從而減少設(shè)計工作量，并提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學性。

2.2 儲熱型太陽能利用系統(tǒng)

本文采用熔融鹽(硝酸鹽)為儲熱材料，并以顯熱儲熱方式構(gòu)造一種新的太陽能利用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖2所示。該系統(tǒng)采用前文提出的機械追蹤裝置彈簧發(fā)條機構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 儲熱型太陽能利用系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)路線圖

3 太陽能利用系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)計算

對式(1)進行積分，得到海南省的年平均太陽總輻射量Q1為：

根據(jù)文獻[6]可知：海南省年平均太陽能總輻射量為4 600～5 800MJ/m2，而由式(1)積分所得的海南省年平均太陽能總輻射量為5 195.85MJ/m2，與文獻[6]相符。所以從統(tǒng)計學的角度而言，以式(1)作為海南省年平均太陽輻射量的計算關(guān)系式是較為準確的，由此得來的相關(guān)平均值也有一定的參考價值。取1年為365d，得到海南省每天的平均太陽能輻射量Q2為：

由于式(1)是在實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合而來的，從統(tǒng)計學的角度而言，式(1)已計入相關(guān)環(huán)境因素對太陽輻射強度的影響,故Q2的值可作為1 d內(nèi)單位面積的菲涅爾透鏡表面的太陽輻射強度值。

為方便計算，設(shè)聚光器上菲涅爾透鏡的總面積為A,設(shè)其聚光比為k，則經(jīng)聚光器聚焦后，接收器(儲熱材料)上每天的理論太陽能平均輻射量Q3為：

Q3=kAQ2。

(10)

又由文獻[18]得，儲熱介質(zhì)為硝酸鹽時的蘭金(Rankine)循環(huán)效率為40%，故儲熱材料全部吸收太陽輻射能后的理論平均放熱量Q4為：

Q4=Q3×(1-40%)= 0.6kAQ2，

(11)

也即儲熱材料平均每天的理論儲存熱量為Q4。

3.2 能耗量對比分析

取3口人家庭普遍使用的1.5 L電飯煲作為參照，對比分析上述儲熱型太陽能利用系統(tǒng)的熱能利用效益。電飯煲功率為700 W，大約20 min可將米飯煮熟。

根據(jù)熱功的計算公式Q=Pt，得每煮1次米飯，上述電飯煲消耗的能量Q5為：

Q5=700 W×(20×60) s=8.40×105J，

此處暫不考慮電飯煲保溫時的能耗。

根據(jù)菲涅爾透鏡的實際參數(shù)情況，選取焦距為620 mm、聚光比為10、幾何尺寸為 520 mm×520 mm的菲涅爾透鏡(焦點處溫度可達500 ℃)進行對比分析。因此，將A= 520×520 mm2= 0.27 m2、k=10,代入式(11)后可得：

Q4=(0.6×10×0.27) m2×14.24 MJ/m2= 2.31×107J，即經(jīng)由菲涅爾透鏡聚焦后，該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)的儲熱材料平均每天理論儲存熱量為2.31×107J。

對比普通家用電飯煲的能耗量可得：該種儲熱型太陽能利用系統(tǒng)平均每天的儲熱量理論上可以煮熟 27.50 kg 米飯，可節(jié)約電能6.42 kW·h。文獻[19]研究表明：在火力發(fā)電中，每1 kW·h電能需 0.4 kg 標準煤，每1 kg煤燃燒會產(chǎn)生0.68 kg粉塵、2.49 kg CO2、0.08 kg SO2和0.04 kg氮氧化物。依此類推，如果使用該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)收集1 d的熱量，平均每天可節(jié)省標準煤2.57 kg，還可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵的排放。

通過以上比較分析可得：該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)不僅具有較高的經(jīng)濟效益，而且還能在一定程度上減少大氣污染物的排放，從而保護了環(huán)境。

3.3 三沙市太陽能利用系統(tǒng)儲能分析

圖4 三沙市月平均太陽總輻射量的變化曲線

針對三沙市特殊的地理位置及其在能源利用方面對新能源的迫切需求，由表1中的數(shù)據(jù)，擬合出三沙市月平均太陽總輻射量隨月份的變化曲線圖，如圖4所示。

三沙市的月平均太陽總輻射量Q6隨月份變化的關(guān)系式為：

Q6= -12.4t2+159.7t+170.2。

(12)

根據(jù)上述計算過程，同理可得：本文提出的儲熱型太陽能利用系統(tǒng)置于三沙市時，儲熱材料平均每天的理論儲存熱量為2.73×107J。由此類比得出，若該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)用于三沙市的能源供應(yīng)，平均每天可節(jié)約電能7.58kW·h，相當于平均每天可節(jié)約標準煤3.03kg，進而可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵的排放。

4 結(jié)論

(1)對聚光器提出了兩種改進方案，即安裝機械齒輪發(fā)條機構(gòu)的單面聚光器和“組合式”聚光器，有效降低了因太陽方位變化對透鏡聚光效率的影響，提高了菲涅爾透鏡的聚光效率，實現(xiàn)了在無追蹤器的條件下達到有追蹤器條件下透鏡聚光的相似效果，從而降低了使用成本。

(2)本文建立的儲熱型太陽能利用系統(tǒng)以顯熱儲熱方式儲熱，以熔融鹽作為儲熱材料及傳熱介質(zhì)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的熱交換效率及材料的導熱溫度。該儲熱型太陽能利用系統(tǒng)平均每天可儲存2.31×107J的熱量，可節(jié)約電能6.42kW·h，相當于平均每天可節(jié)省標準煤2.57kg，可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵排放。

(3)儲熱型太陽能利用系統(tǒng)能有效地利用熱帶環(huán)境優(yōu)勢，解決三沙市漁民和官兵日常生活的能源需求問題，也能為三沙市的環(huán)境保護作出積極貢獻。

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國家自然科學基金項目(51405115)

劉世豪(1981-)，男，湖北天門人，副教授，博士，主要研究方向為環(huán)保設(shè)備設(shè)計.

2016-07-29

1672-6871(2017)02-0025-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.005

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