溫室用百葉窗槽式太陽能集熱器的設(shè)計(jì)與研究*

馬 靜，曾建寧，呂怡秋

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

1 背景和意義

寧夏地區(qū)越冬農(nóng)作物、反季節(jié)蔬菜、水果幾乎全部依靠溫室大棚，冬季北極蝦、魚類等水產(chǎn)的養(yǎng)殖水塘也要加熱，對(duì)水、電、煤等資源需求量大。傳統(tǒng)的溫室加溫方式有燃煤鍋爐、熱風(fēng)爐、電熱器等，需要消耗大量的電能和化石燃料，同時(shí)產(chǎn)生有害氣體，嚴(yán)重威脅人們身體健康，不僅污染了生態(tài)環(huán)境，而且增加了溫室的運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)成本，不能滿足大規(guī)模、高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)需求。寧夏擔(dān)負(fù)著國(guó)家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備及西部生態(tài)安全屏障的重任，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是對(duì)寧夏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，在“十四五”關(guān)鍵期將采取更加有力的減排降碳措施，大力發(fā)展清潔能源和可再生能源。因此，研究綠色環(huán)保的新能源溫室加熱設(shè)備十分必要，太陽能作為一種分布廣泛的清潔能源可以廣泛用于對(duì)溫棚供熱、供電，顯著降低非規(guī)?；ㄔO(shè)的溫棚能源消耗，大大推動(dòng)了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平，提高了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力[1]。

寧夏太陽能資源豐富，年太陽輻射總量5711MJ/m2～6 096 MJ/m2，一年中的日照時(shí)長(zhǎng)為3 200 h～3 300 h，相當(dāng)于225 kg～285 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量，寧夏大部分地區(qū)的太陽能資源屬于穩(wěn)定和較穩(wěn)定資源，直接輻射平均比例大，十分有利于太陽能熱利用和光熱裝置的使用。2010年，寧夏被國(guó)家財(cái)政部、住建部列為首批太陽能綜合熱利用的示范地區(qū)之一，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，寧夏目前已經(jīng)形成了太陽能光伏材料生產(chǎn)，太陽能光電系統(tǒng)應(yīng)用生產(chǎn)，太陽能熱水器生產(chǎn)、安裝、服務(wù)，太陽灶生產(chǎn)推廣的產(chǎn)業(yè)格局，被動(dòng)式太陽房、

太陽能小型供熱系統(tǒng)、太陽能干燥、太陽能光伏發(fā)電正在示范應(yīng)用中[2]。根據(jù)目前太陽能技術(shù)發(fā)展水平、應(yīng)用條件、地方經(jīng)濟(jì)能力，今后將在城鎮(zhèn)重點(diǎn)推廣太陽能集熱器技術(shù)，示范推廣太陽能光電照明系統(tǒng)；在農(nóng)村重點(diǎn)發(fā)展被動(dòng)式太陽房、太陽灶技術(shù)，示范推廣小型太陽能熱水集熱器、太陽能干燥等技術(shù)。

基于此，課題組設(shè)計(jì)一款適于溫棚安裝使用的主動(dòng)式太陽能集熱器，主動(dòng)追蹤陽光并最大程度地接收太陽能，最高溫度可以達(dá)到150℃，滿足冬季溫室要求。同時(shí)，在夏季日照強(qiáng)烈、熱量過剩時(shí)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)百葉窗結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，減少太陽輻射強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱量輸出。

2 存在的問題

1）能量輸送不精準(zhǔn)。目前，普遍使用的板式集熱器冬季供暖期供熱量存在不足，太陽能作為輔助能源的貢獻(xiàn)率不足40%，仍然需要消耗大量電能和化石燃料作為主要能源供給，節(jié)能減排效果甚微，投資回報(bào)率偏低，人們購買欲望低。在夏季太陽輻射時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度較大的情況下，太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的大量過剩熱量無處可去，造成系統(tǒng)過熱嚴(yán)重。系統(tǒng)過熱使得橡膠件、管道老化加速，真空管的真空度降低，集熱效率降低，設(shè)備使用壽命減少，系統(tǒng)成本及運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用增加。

2）安裝方式單一。普通太陽能集熱器主要豎立安裝在硬墻面或建筑頂層斜面上，由于其重量大、占地空間大，無法使用在溫棚軟頂上，局限性較大。其次，集熱器集熱板固定結(jié)構(gòu)，在遭遇特殊天氣比如冰雹、雨雪時(shí)，集熱器集熱板結(jié)構(gòu)易被破壞。

3）集熱器集熱技術(shù)有待改進(jìn)。當(dāng)前應(yīng)用很廣的太陽能熱水器是液體集熱器，它的傳熱媒介是水，制作技術(shù)較為成熟。但是，集熱管與液體介質(zhì)直接接觸，在低溫條件下很容易結(jié)冰，水結(jié)冰對(duì)阻礙其體積膨脹的器壁會(huì)產(chǎn)生巨大的力導(dǎo)致集熱管破裂，造成整個(gè)接收系統(tǒng)內(nèi)的液體泄漏[3]。另外，當(dāng)玻璃管內(nèi)液體受溫度影響變化幅度很大時(shí)，也會(huì)造成液體與玻璃管的溫差過大而產(chǎn)生爆管現(xiàn)象；集熱管水質(zhì)易凍易堵，結(jié)垢嚴(yán)重，會(huì)影響供暖效果。

3 主要結(jié)構(gòu)及原理

課題組設(shè)計(jì)一款主動(dòng)式太陽能接收器，集熱器主動(dòng)追蹤陽光并最大程度地接收太陽能，溫度最高可以達(dá)到150℃，白天通過接收太陽輻射能加熱集熱管內(nèi)的儲(chǔ)能材料，把熱能儲(chǔ)存起來，同時(shí)通過熱交換器，加熱循環(huán)水或空氣，由泵通過管道輸送到各個(gè)房間，夜間消耗儲(chǔ)能器中的儲(chǔ)能材料中的熱能，繼續(xù)向溫室內(nèi)提供熱量。在夏季，集熱器熱量過剩，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)百葉窗槽式集熱器結(jié)構(gòu)，減少太陽輻射強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱量輸出，保護(hù)設(shè)備。

3.1 百葉窗槽式聚光結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)主要由單體槽式集熱器構(gòu)成。單體集熱器規(guī)格：長(zhǎng)2 000 mm，寬400 mm，高200 mm。其由鏡面槽式反射板、集熱管、熱量交換器、蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)裝置、固定支撐架等組成，如圖1所示。目前使用的集熱器有平板式和槽式，平板式集熱器只在太陽能低溫利用領(lǐng)域，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比槽式集熱器好，為了提高效率，降低成本，以及滿足特定的使用要求，本結(jié)構(gòu)采用槽式結(jié)構(gòu)來提高匯聚比。槽式集熱器集熱比可達(dá)1︰9，即9份面積的太陽光線匯聚到一份集熱面的集熱管上，溫度是平板式集熱器的9倍。該集熱器可提高集熱管內(nèi)的溫度為150℃左右，有利于儲(chǔ)能效能，使采暖循環(huán)水達(dá)到60℃～80℃；也可加熱通過熱交換器的空氣，提升空氣溫度為100℃以上，滿足生產(chǎn)、生活需求。

圖1 單體太陽能接收器

每個(gè)單體集熱器單元可以和其他單元體并聯(lián)或串聯(lián)任意組合，安裝方式依據(jù)安裝空間和安裝位置決定，如圖2所示。組裝后的集熱器可以像百葉窗一樣旋轉(zhuǎn)追蹤光線，也可以在極端天氣自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，防止暴風(fēng)、冰雹、暴雪等對(duì)設(shè)備的損傷。組裝后的太陽能集熱器既可以固定在溫棚軟頂，也可以固定在建筑外表面、房頂向陽斜坡面、建筑圍墻等位置，適用于多種場(chǎng)合。

圖2 單體組合成及安裝效果

3.2 槽式集熱系統(tǒng)

位于槽式結(jié)構(gòu)聚光鏡焦線處的真空集熱管接收槽式拋物面聚光鏡的聚焦能流，傳熱工質(zhì)在真空集熱管的吸熱管中流動(dòng)并吸收熱量，吸熱管表面鍍有選擇性涂層，以最大化吸收輻射能流、減少熱損失。真空集熱管由內(nèi)金屬管和外玻璃管組成，液體介質(zhì)與玻璃集熱管不直接接觸，而是在其內(nèi)部通入金屬管道，內(nèi)金屬管與外玻璃管之間采用真空處理，同時(shí)為保證真空度，夾層內(nèi)貼有吸氣劑。集熱器吸收的熱量通過玻璃層傳導(dǎo)到空氣層，再傳輸?shù)浇饘俟軆?nèi)的液體介質(zhì)，可以有效防止玻璃集熱管與介質(zhì)直接接觸。即使集熱管意外破裂，造成整個(gè)接收系統(tǒng)內(nèi)的液體泄漏，也能避免液體與玻璃管的溫差過大而造成爆管。通過控制系統(tǒng)主動(dòng)追蹤光線，使太陽光線加熱集熱管內(nèi)的液體介質(zhì)，溫度達(dá)到80℃以上，通過水泵輸送到儲(chǔ)能罐，再通過管道把中溫液體傳輸分配到溫室各個(gè)角落的散熱器，為溫室提供熱量，同時(shí)能夠滿足生活用熱水等要求。

3.3 主動(dòng)追蹤系統(tǒng)

具有主動(dòng)跟蹤太陽光線功能，主要由光跟蹤電路和減速機(jī)構(gòu)組成，通過控制槽式反射板的轉(zhuǎn)動(dòng)讓正面始終正對(duì)太陽光，對(duì)準(zhǔn)匯聚點(diǎn)的集熱管。因此，設(shè)計(jì)集熱器為單軸方向進(jìn)行太陽跟蹤，即早晨太陽從東方升起來、傍晚西邊下落，每天根據(jù)太陽的軌跡進(jìn)行跟蹤，南、北方向太陽角度每天變化很小，在整個(gè)冬季整體最佳接收角度為與地面夾角40°左右的固定角度放置[4]，如圖3所示。

圖3 集熱器追蹤系統(tǒng)

槽式集熱器接收端的智能控制電路為光跟蹤電路，主動(dòng)追蹤太陽光線方位，通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏡面槽式反射板對(duì)準(zhǔn)太陽，使太陽光線匯聚到集熱管，最大可能地接收太陽熱輻射能，加熱集熱管內(nèi)部的儲(chǔ)熱材料。溫度高的液體儲(chǔ)熱材料上升到頂部的熱量交換器內(nèi)，與通過交換器內(nèi)小通道內(nèi)的循環(huán)水或空氣進(jìn)行交換熱量，通過管道輸送到總管道，由控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)溫棚種植區(qū)的溫度信號(hào)和紅外線信號(hào)，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)溫棚供熱溫度，達(dá)到精準(zhǔn)輸送的目的。網(wǎng)絡(luò)終端服務(wù)器還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備溫度控制、設(shè)備維護(hù)提醒等功能，無須人值守，缺水時(shí)自動(dòng)報(bào)警，大風(fēng)、冰雹時(shí)自動(dòng)保護(hù)。

4 性能分析

太陽能輻照強(qiáng)度受到地理緯度、海拔高度、季節(jié)與日夜變換等條件的影響，表現(xiàn)為分散性、間斷性，能流密度不穩(wěn)定、不連續(xù)現(xiàn)象[5]。因此，利用太陽能光熱供暖需要與電力、燃?xì)?、生物質(zhì)燃料等常規(guī)能源或其他可再生、可再利用能源組成互補(bǔ)系統(tǒng)，將太陽能設(shè)計(jì)為主要熱源，全采暖期統(tǒng)算貢獻(xiàn)率不低于60%，其他補(bǔ)充熱源不超過40%，從而形成全天候、穩(wěn)定的、不間斷的、環(huán)保節(jié)能的互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。

供熱面積和集熱面積相互關(guān)系的理論計(jì)算：

新疆、青海、甘肅北部、寧夏、內(nèi)蒙古都屬于太陽能比較豐富地區(qū)，寧夏冬季1、2、10、11、12月份最高熱輻射量為1 000 W/m2，上午10點(diǎn)輻射功率500 W/m2，下午5點(diǎn)半輻射功率500 W/m2，平均約為700 W/m2，照射時(shí)間7.5 h，太陽能槽式反光聚光式集熱系統(tǒng)的集熱效率為60%，S為集熱面積，因此，系統(tǒng)吸收的熱量為：

溫室溫度對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育以及產(chǎn)量的提高都有十分重要的意義。溫度既可以影響到植物的呼吸、光合、蒸騰等生理代謝過程，又影響植物體內(nèi)有機(jī)物的合成運(yùn)輸及外部水肥的吸收。每種作物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)溫度的要求都不太一致，包括最適溫度、最高溫度和最低溫度的溫度“三基點(diǎn)”。根據(jù)實(shí)踐，溫室溫度一般控制在20℃～25℃最適宜植物生長(zhǎng)，單位面積需要熱功率為55 W/m2～70 W/m2，以60 W/m2計(jì)算如下：

為保持60 m2的溫室供暖面積，24 h保持適當(dāng)溫度，需要27.43 m2的太陽能集熱面積，如果以太陽能集熱板每平方米價(jià)格660元的市價(jià)進(jìn)行計(jì)算，總銷售價(jià)格約17 820元，使用壽命10年以上，月運(yùn)行費(fèi)用86元，設(shè)備折舊費(fèi)1 782元左右，年平均費(fèi)用2 212元左右。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，同樣供暖面積，冬季使用燃煤鍋爐進(jìn)行溫棚供暖的年平均費(fèi)用是2 600元，使用電能進(jìn)行加熱的成本就更高了。因此，使用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的百葉窗槽式太陽能集熱器作為主要能源完全可以滿足溫室供暖要求，降低了成本，滿足了綠色環(huán)保要求。

5 結(jié)論

綜上所述，采用百葉窗槽式太陽能集熱技術(shù)，在日照充足的時(shí)間內(nèi)可以成為溫室供暖來源，同時(shí)，富余的能量通過儲(chǔ)能設(shè)備可以在夜間或者日照差時(shí)為溫室提供預(yù)熱，減少電力、燃?xì)?、生物質(zhì)燃料等常規(guī)能源的使用，大大降低了供暖成本。隨著技術(shù)的突破和新型材料的誕生，太陽能技術(shù)的利用也將會(huì)更加經(jīng)濟(jì)和成熟，在生活、生產(chǎn)中勢(shì)必得到更多的應(yīng)用和推廣。