太陽能集熱在清潔能源供熱的應(yīng)用

孫亞楠

摘要：隨著人們對于環(huán)境保護和能源開發(fā)呼聲的不斷高漲，太陽能作為一種清潔能源，其開發(fā)和利用也成為了人類尋求新能源的熱點，具有廣泛的發(fā)展前景。文中先對太陽能集熱的工作原理及清潔能源供熱基本內(nèi)容進行分析，再結(jié)合實際案例，分析其在實際項目當(dāng)中的應(yīng)用情況，希望通過本次研究可以成為今后太陽能碟式供熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱；碟式光熱供暖系統(tǒng)；項目應(yīng)用

太陽能熱發(fā)電是利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，在這條線上安裝吸熱管，吸收太陽能并對傳熱工具進行加熱，再借助蒸汽的動力循環(huán)發(fā)電。槽式吸熱管是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿暮诵牟考?，其熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性將直接決定整個槽式熱發(fā)電站的熱效率和經(jīng)濟成本。從國際商業(yè)化的槽式太陽能熱發(fā)電站運行和維護的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，吸熱管真空失效和破損是造成太陽能熱發(fā)電站經(jīng)濟損失的最主要因素。吸熱管真空失效和破損需要及時更換，以免影響電站運行，會大幅提高電站的維護成本，降低整個電站的經(jīng)濟性。

1集熱系統(tǒng)

1.1塔式集熱系統(tǒng)

平面鏡是塔式集熱系統(tǒng)的一個主要組成部分，一旦定日鏡的傳動不能連續(xù)進行，集熱器就不能接收到反射光線，因此定日鏡如何以恰當(dāng)?shù)姆绞竭M行遠距離跟蹤是該系統(tǒng)的一個技術(shù)突破點。這種鏡子具備獨立的太陽追蹤系統(tǒng)，雙軸單軸均有。當(dāng)集熱塔接收太陽光后，該系統(tǒng)可對其進行開環(huán)或閉環(huán)控制。

接收器由預(yù)熱、蒸發(fā)和再熱器三大部分組成，主要作用是間接或直接地接收“鏡場”四周分布的熱量。聚焦點的溫度需控制在一定范圍內(nèi)，以免光斑在風(fēng)的作用下出現(xiàn)晃動時，溫度高低不定。受熱面在太陽能的作用下，溫度達到一定程度后，將自身的熱量向四周散發(fā)是間接接收器的主要工作原理。間接接收器的一個代表是管狀接收器，由于其加熱的溫度過高，光斑的位置常常不確定，加上其他不確定的因素，溫度也常常不夠穩(wěn)定，常造成各種不良后果。當(dāng)介質(zhì)不夠或流動不暢時，接收器會開啟自身相關(guān)的保護功能，必要時及時改變鏡場的傾斜度，或采取一定的隔離措施，以減輕接收器溫度過高帶來的不良后果。

值得注意的是，集熱塔相關(guān)工作人員的操作應(yīng)按照具體的工作流程實施，切勿在接收器高溫運行時登塔。

1.2槽式集熱系統(tǒng)

首先，與塔式集熱系統(tǒng)不同的是，槽式集熱系統(tǒng)主要組成部分是集熱管形成的拋物面，且大多串聯(lián)成槽型。其次，這個系統(tǒng)也帶有相應(yīng)的追蹤太陽的系統(tǒng)。最后，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置傳動系統(tǒng)的具體參數(shù)以及采取一定的措施以減少風(fēng)力對該系統(tǒng)的影響是該系統(tǒng)的一大技術(shù)突破點。

槽式集熱系統(tǒng)當(dāng)然也有其自身的劣勢。當(dāng)熱流分布多少不等時，周圍環(huán)境的冷熱也常常各不相同，這容易引起吸熱管不耐受，損壞以致不起作用；當(dāng)集熱管中的高熱導(dǎo)體流失時，由于其溫度過高，常常容易引發(fā)嚴(yán)重的后果，比如火災(zāi)；當(dāng)沒有足夠的電力及時的供應(yīng)本系統(tǒng)時，高溫傳導(dǎo)介質(zhì)則容易變性而失去作用。

1.3其他集熱系統(tǒng)

首先，與塔式集熱系統(tǒng)和槽式集熱系統(tǒng)不同的是，碟式集熱系統(tǒng)主要組成部分是反射鏡，各鏡子之間的關(guān)聯(lián)性常常不大，但性能好，耗電低，聚光好，但是，因為這個系統(tǒng)具有存儲空間不足、高昂的價格以及溫度過高等劣勢，人們對其常望而卻步。

與碟式集熱系統(tǒng)不同的是，菲涅爾式集熱系統(tǒng)主要組成部分是鏡面和集熱管，這個系統(tǒng)的前身是拋物面式的槽式集熱系統(tǒng)，此系統(tǒng)以槽式集熱系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在鏡面上，采用其特有的菲涅爾類型，從而優(yōu)化了鏡面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱流分布多少不等時，周圍環(huán)境的冷熱也常常各不相同，這容易引起吸熱管不耐受，損壞以致不起作用。

2太陽能集熱系統(tǒng)在清潔能源供熱項目中的應(yīng)用

2.1碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要由聚光器、接收器、斯特林發(fā)動機、發(fā)電機組成。聚光器由拋物面反射鏡組成，聚焦點位于接收器的開口處。接收器將聚光器匯聚的光能轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生高溫，驅(qū)動斯特林發(fā)動機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)使用雙軸跟蹤太陽，晚上當(dāng)輻照度變得太低而不能產(chǎn)生電力時，返回到起始收集位置。本系統(tǒng)的部件尺寸及其技術(shù)規(guī)格如表1所示。

2.2項目具體細節(jié)

以一套25kW碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對系統(tǒng)的各個部件進行數(shù)學(xué)建模并計算在典型工作條件下各個部件的熱效率和效率，評估各個部件的性能。分析結(jié)果表明：

（1）聚光器自身光學(xué)性質(zhì)及接收器內(nèi)工質(zhì)吸熱升溫的熵增造成損失，導(dǎo)致集熱子系統(tǒng)效率遠低于本身熱效率。

（2）斯特林發(fā)電機的能量損失和損失分別占了總能量損失和總損失的絕大部分。所以提高碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于提高斯特林發(fā)電機的轉(zhuǎn)換效率。

系統(tǒng)的運行過程如下：（1）用戶進出水口、電鍋爐及太陽能供暖系統(tǒng)為共用，采用并聯(lián)的方式來進行連接；（2）進入到采暖期時需要對系統(tǒng)進行檢查和壓力測試，了解是否存在漏水現(xiàn)象；（3）供暖之前必須要經(jīng)過預(yù)加熱工序，額定設(shè)計的進出水溫度分別為95度和70度。（4）有白天與夜晚供暖部分，白天為直接供暖，晚上需要使用白天儲存的水進行供暖。（5）具有智能化調(diào)節(jié)功能，不僅在室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)還表現(xiàn)在陰天或者日照不足時的調(diào)節(jié)。

3結(jié)語

本文梳理和總結(jié)了太陽能熱利用技術(shù)在我國溫室中的應(yīng)用現(xiàn)狀與主要形式，并對該技術(shù)的發(fā)展提出了展望。未來，資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的溫室生產(chǎn)方式將得到進一步的推廣和應(yīng)用。

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（作者單位：唐山市熱力總公司）