非成像聚光太陽能集熱器供暖應用研究

(1.北京市熱力集團有限責任公司，北京能源集團有限責任公司，北京100026;2.中廣熱(廣州)能源技術有限公司，廣州 510030)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的熱舒適度要求也越來越高，從而導致能源危機、環(huán)境污染等問題日漸突顯，節(jié)能減排及對新能源的開發(fā)利用日益成為我國政府關注的焦點問題[1]。太陽能作為一種可再生清潔能源具有其它能源無可比擬的優(yōu)勢，太陽能供暖是太陽能利用的一個重要方面，為我國冬季建筑供暖提供了新的節(jié)能途徑[2]。在太陽能供暖系統(tǒng)中，集熱器是最重要的組成部分，其性能和成本對整個系統(tǒng)的成敗起著決定性作用[3]，選擇集三大主流集熱器(平板型集熱器、真空管集熱器、聚光型集熱器)優(yōu)點于一身的非成像聚光太陽能集熱器對太陽能供暖系統(tǒng)高效、經(jīng)濟的運行具有重要意義。

無論是城市還是農(nóng)村，太陽能供暖系統(tǒng)越來越多的應用于住宅采暖中，非成像聚光太陽能集熱器供暖系統(tǒng)作為新型的建筑節(jié)能供暖技術，以其安全、靈活、管路短、經(jīng)濟等優(yōu)勢在建筑采暖領域中具有良好的應用前景[4]。文中對非成像聚光太陽能集熱器進行了詳細介紹，同時對其在供暖領域中的應用進行了分析討論。

1 非成像聚光太陽能集熱器

1.1 常見太陽能集熱器

由于太陽能比較分散，為了使其得到更好地利用，必須將其集中收集起來，而集熱器可達到此目的。太陽能集熱器是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的設備，作為關鍵組分廣泛的應用于各種太陽能系統(tǒng)中。依據(jù)不同的分類標準太陽能集熱器可分為不同的類型，按進入采光口的太陽輻射是否改變方向分類可劃分為聚光型和非聚光型兩大類[5]。非聚光型集熱器能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低，主要有平板集熱器和真空管集熱器。而聚光型集熱器能將太陽光會聚在面積較小的吸熱面上獲得較高的溫度，但只能利用直射輻射，且需跟蹤太陽[6]。

1.1.1 平板型集熱器

在太陽能低溫利用領域中，平板型集熱器具有較突出的優(yōu)勢，且技術發(fā)展成熟。其優(yōu)點為：可承壓運行，安全可靠；由于自身的結構特點，與建筑結合性強[7-8]；單位集熱面積大；不易結垢。但平板型集熱器也是具有不可彌補的缺點：吸熱板和玻璃蓋板之間無法抽真空，熱損失較大；環(huán)境低溫或工質(zhì)高溫時集熱器效率低下；不跟蹤太陽，需固定安裝；從而使平板型集熱器應用受到了限制。

1.1.2 真空管集熱器

為了減少平板集熱器的熱損以及進一步提高集熱器運行溫度，拓寬太陽能應用領域，真空管集熱器發(fā)展了起來。按吸熱體材料的不同，真空管集熱器主要劃分為全玻璃真空管集熱器和玻璃-金屬真空管集熱器兩大類[9]。其主要特點有[10]：具有真空夾層，保溫性能好；熱損失小，環(huán)境溫度低下時集熱效率仍較高；抗沖擊抗凍能力強。同時還有材質(zhì)遇撞擊易碎；承壓能力弱；安裝復雜等不足，這樣一些因素導致其使用范圍比較小。

1.1.3 聚光型集熱器

以上兩種集熱器均為非聚光型集熱器，由于是直接采集自然太陽光，使非聚光型集熱器運行溫度不是很高[9]。聚光集熱器則可在中、高溫度下工作，其通過利用反射器或折射器提高能量吸收表面的太陽輻射強度，使表面更高的能流聚焦在較小的集熱面上，同時對應的熱損失減少，進而提高了集熱溫度和太陽能利用率。但不足的是聚光型集熱器會產(chǎn)生額外的損失，大多數(shù)聚光型集熱器只能收集直射輻射，造成了散射輻射的損失，同時還有光學損失[11]，因此，聚光型集熱器適用于太陽直射輻射資源較豐富的地區(qū)。

圖1平板型集熱器 圖2真空管集熱器 圖3聚光型集熱器

1.2 非成像聚光太陽能集熱器

非成像聚光太陽能集熱器是聚光器的光線不會聚到一點或一條線上，而是聚到一塊接收器的面上，從而獲得高強度的太陽能。其擁有平板無縫采光、真空管保溫集熱、聚光集熱三大主流集熱器的各自優(yōu)點，同時又避免了平板的高熱損、真空管的漏光和聚光集熱器的跟蹤控制復雜這些不足。非成像聚光太陽能集熱器形式較多，主要有球形面聚光集熱器、復合拋物面聚光集熱器、條形面聚光集熱器、塔式集熱器等。

1.2.1 光學原理

非成像與成像相比，最大的區(qū)別在于可在保證總體傳遞率的前提下實現(xiàn)較大的入射角和出射角[12]。運用超級計算機進行有限元分析、光學仿真等對非成像聚光曲面進行優(yōu)化和改進，得到較完善的免追蹤聚光曲面。下圖4為由左向右35度角起斜射，每增加5度做的聚光仿真示意圖：可見97%以上光線都進入中高溫真空集熱管。此性能也體現(xiàn)了非成像聚光集熱器另一突出的性能，即可將70度入射角范圍內(nèi)的天空、云層等散熱光都匯聚進入中高溫真空管。

圖4非成像聚光仿真示意圖

從而可總結出非成像聚光集熱器具有以下特點：

(1)集熱器無需調(diào)整角度跟蹤太陽方向即可達到約5倍的聚光；

(2)簡單、方便、快捷裝配與安裝維護；

(3)采光區(qū)是整個迎光板面可無縫聚光，太陽(高度角)方向約70度夾角的入射光都可進入真空集熱管；

(4)聚光進入真空管內(nèi)，產(chǎn)生中高溫熱能，并靠真空層達到高效保溫性能。

1.2.2 非成像聚光集熱器性能測試

對于非成像聚光集熱器性能的測試和評價是研究太陽能供暖系統(tǒng)的基礎，集熱器性能的好壞直接決定了整套供暖系統(tǒng)的效率[13]。目前，集熱器性能測試主要分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種測試方法，其中穩(wěn)態(tài)測試方法最為常用。文中參照GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》[14]和ISO 9806∶2013《太陽能.太陽能集熱器.試驗方法》[15]對非成像聚光集熱器進行了時間常數(shù)試驗和瞬時效率試驗。

(1)時間常數(shù)測試

集熱器時間常數(shù)是確定集熱器熱性能瞬變能力的參數(shù)，用于表征集熱器對瞬變的驅(qū)動力反應的迅速程度，時間常數(shù)測試是集熱器熱性能測試的重要內(nèi)容之一。其定義為在太陽輻射度從一開始有躍階式增加后，集熱器出口溫度與環(huán)境溫度之差逐步上升至總增量的63.2%時所用的時間τe[16]。

τe=τ2-τ1

式中,τe為時間常數(shù)，s；ta為環(huán)境溫度，即集熱器進口溫度，℃；te為集熱器出口溫度，℃；τ1為測試開始的時間，s；τ2為測試結束的時間，s。

選取非成像聚光集熱器樣品對其進行時間常數(shù)測試，非成像聚光集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta之差(te-ta)隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5非成像聚光集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta 之差(te-ta)隨時間的變化曲線

由上述曲線查出出口溫度與環(huán)境溫度之差值(te-ta)達到兩次穩(wěn)態(tài)所對應的出口溫度與環(huán)境溫度之差的63.2%所用的時間，從而可求得的非成像聚光集熱器時間常數(shù)為450 s。

(2)瞬時效率測試

集熱器瞬時效率是指在穩(wěn)態(tài)條件下，特定時間間隔內(nèi)由傳熱工質(zhì)從一特定的集熱器面積上帶走的能量與同一時間間隔內(nèi)入射在該集熱器面積上的太陽能之比，亦即集熱器實際獲得的有用功率與集熱器接收的太陽輻射功率之比[17]。基于采光面積Aa和集熱器進口溫度Ti*，用最小二乘法進行擬合，可得到集熱器的瞬時效率方程為：

式中,Ti*為歸一化溫差，Ti*=(ti-ta)/G；ti為工質(zhì)進口溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；G為集熱器采光面上總日射輻照度；U為以Ti*為參考的太陽能集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·℃)ηa為瞬時效率；η0，a為Ti*=0時的瞬時效率。

瞬時效率截距η0，a為0.5931，即該非成像聚光太陽能集熱器的最大瞬時效率為59.31%；斜率即集熱器總熱損系數(shù)U為1.5216，則該樣品的瞬時效率曲線方程為：

2 非成像聚光太陽能集熱器供暖應用

2.1 太陽能供暖概述(太陽能+)

傳統(tǒng)的集中供暖系統(tǒng)為北方的主要供暖方式，利用熱源通過地下熱管網(wǎng)向用戶供暖，但在供暖過程中其缺陷也逐漸突顯，使得新型供暖系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，這其中以太陽能為熱源的供暖方式應用日益廣泛，且最為經(jīng)濟。太陽能取之不盡用之不竭，既是急需的能源補充，又是未來可利用能源的基礎，利用太陽能為住宅進行供暖可獲得良好的環(huán)境小利益及經(jīng)濟效益[18]。

太陽能供暖系統(tǒng)一般由集熱器、貯水箱、循環(huán)管路、輔助熱源、控制系統(tǒng)、末端設備及附件組成。由于太陽能存在分散性、間斷性和不穩(wěn)定性等特點[19]，采用單一的太陽能進行供暖，難以解決需求側遇到的諸多問題，若采用多能互補的形式，使各種能源取長補短，便可以彌補單一能源供暖方式的不足。下面將結合實例分別介紹兩種基于太陽能的多能互補供暖技術：太陽能+電輔熱和太陽能+空氣源熱泵。

2.2 非成像聚光太陽能集熱器+電輔熱

利用非成像聚光集熱器的太陽能+電輔熱供暖系統(tǒng)：晴天，白天的采暖熱量需求主要由太陽能提供，晚上低谷電時段開啟蓄熱水箱內(nèi)電加熱器為系統(tǒng)供暖和水箱蓄熱；連續(xù)陰天時，由電加熱器提供熱量需求[20]。

某服務中心采用太陽能+電輔熱供暖系統(tǒng)，太陽能保證率70%，30%為電輔助加熱，供暖面積為240 m2。該項目在服務中心樓頂上安裝30塊非成像聚光太陽能集熱器，運行傳熱介質(zhì)為導熱油，室內(nèi)設置容積6 m3水箱加軟水處理裝置，確保循環(huán)水不結垢，水箱與導熱油采用高效螺旋換熱器換熱，室內(nèi)換熱器與水箱采用低功率水泵強制換熱，系統(tǒng)在微電腦控制下實現(xiàn)精確的節(jié)能溫度控制。對該太陽能-電輔熱供暖系統(tǒng)在某晴天運行的數(shù)據(jù)進行分析，繪制出其集熱效率曲線，如圖6所示。

圖6某服務中心太陽能-電輔熱供暖系統(tǒng)集熱效率曲線

從上述曲線可知，太陽能加熱溫度最高可達到91.9 ℃，水箱及室內(nèi)換熱器溫度平穩(wěn)運行在56～60 ℃，加熱效果良好，可完全滿足用戶采暖需求。

2.3 非成像聚光太陽能集熱器+空氣源熱泵

非成像聚光太陽能集熱器+空氣源熱泵多能互補供暖系統(tǒng)利用了太陽能和空氣源熱泵各自的優(yōu)點，在光照充足的時候，太陽能足以供應足夠的熱量，加熱換熱水箱中的水到設定溫度，此時溫控系統(tǒng)控制空氣源熱泵不運行。光照不足時，太陽能采暖系統(tǒng)不足以將換熱水箱的水加熱到設定溫度，自動溫控系統(tǒng)開啟空氣源熱泵，二者同時加熱熱水。在夜晚或沒有光照的條件下，只通過空氣源熱泵提供熱量[21]。兩種能源聯(lián)合運行、智能控制，真正做到了最大程度的環(huán)保、節(jié)能，全天候、全自動、低能耗。

某老年幸福院采用太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)進行供暖，太陽能保證率50%，空氣源熱泵確保COP達到2以上節(jié)能運行。在該幸福院南北兩棟樓頂各安裝24塊非成像聚光太陽能集熱器和一臺7 kW電功率空氣源熱泵，太陽能集熱器采用導熱油為工質(zhì)，熱泵采用低溫防凍液為工質(zhì)。室外設置兩套6 m3水箱，儲熱溫度85 ℃，加軟水處理裝置，確保循環(huán)水不結垢。水箱與導熱油采用高效螺旋換熱器換熱，室內(nèi)換熱器與水箱采用低功率水泵強制換熱，系統(tǒng)在微電腦控制下實現(xiàn)精確的節(jié)能溫度控制，系統(tǒng)配備小型儲能系統(tǒng)和電輔熱系統(tǒng)，為夜間取暖提供充足穩(wěn)定的熱源。

對該太陽能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在某晴天運行的數(shù)據(jù)進行分析，繪制出其集熱效率曲線，如圖7所示。

圖7某幸福院太陽能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)集熱效率曲線

由上述曲線可知，太陽能的加熱溫度最高可達到85.5 ℃，通過計算可知太陽能集熱器的集熱量為3.2 kW/m2/d，光熱轉(zhuǎn)化效率可達到60%以上(考慮到傳熱損失的情況下)，該非成像聚光太陽能集熱器的集熱效率是傳統(tǒng)集熱器的兩倍以上。同時，系統(tǒng)運行后，供水溫度可穩(wěn)定在50～60 ℃，可完全滿足用戶采暖需求。

3 結束語

近幾年來，隨著我國新的發(fā)展理念的貫徹落實，清潔采暖全行業(yè)呈現(xiàn)出太陽能+供暖案例迅速增多、技術逐步進步、百姓和政府都認可的良好態(tài)勢，太陽能行業(yè)正向著高質(zhì)量發(fā)展邁進。非成像聚光太陽能集熱器相較于傳統(tǒng)的集熱器優(yōu)勢突出，從應用案例分析來看，非成像聚光太陽能集熱器應用于供暖系統(tǒng)中集熱效率高、節(jié)能環(huán)保、投資運行成本低，綜合效益良好，且隨著能源短缺問題日益嚴重及不可再生能源價格的不斷上漲，非成像聚光太陽能集熱器供暖系統(tǒng)將具有更加廣闊的應用前景。