平板型太陽能集熱器在新疆日光溫室中的應(yīng)用效果研究

姚亮　馬俊貴　呂全貴　陳青云　許紅軍　張振國(guó)　董蓬

摘要 評(píng)價(jià)平板型太陽能集熱器日光溫室應(yīng)用的加溫效果，設(shè)計(jì)了3種集熱器（循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)集熱方式不同），篩選出最大集熱量的循環(huán)方式。應(yīng)用此循環(huán)方式供熱，這個(gè)供暖季平板型太陽能集熱器可為日光溫室實(shí)際生產(chǎn)節(jié)約煤2 236 kg。試驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能集熱器對(duì)日光溫室冬季生產(chǎn)供熱并不能完全替代燃煤鍋爐供熱，但是太陽能集熱器可以減少一部分煤炭的消耗量，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少生產(chǎn)成本的作用。

關(guān)鍵詞 平板太陽能集熱器；日光溫室；集熱量；瞬時(shí)集熱效率

中圖分類號(hào) S214 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-365-03

新疆地處高寒地區(qū)，在嚴(yán)寒冬季使用日光溫室進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要對(duì)日光溫室加溫來維持溫室內(nèi)部的溫度，以滿足溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的需要。傳統(tǒng)的加溫方式有熱風(fēng)爐、燃煤鍋爐、電熱器、電熱線加溫等，需要消耗大量的電能、化石燃料等。同時(shí)化石能源燃燒產(chǎn)生CO、SO2、NOx 等有害氣體，嚴(yán)重威脅人們?nèi)粘Ｉ睢－h(huán)境污染與化石能源危機(jī)已經(jīng)成為限制新疆地區(qū)溫室發(fā)展的主要因素。太陽能資源作為可再生能源的一種，本身具有清潔性、儲(chǔ)存量巨大、分布廣泛等特點(diǎn)。對(duì)太陽能的開發(fā)利用，可以有效減少對(duì)化石能源的使用，對(duì)新能源的開發(fā)具有十分重要的意義。2005年增加到3萬hm2，2007年為4.17萬hm2，在2012年末以超過6.67萬hm2，并計(jì)劃在2020年種植面積達(dá)到13.34萬hm2的遠(yuǎn)景目標(biāo)。全疆種植面積的45%左右采用日光溫室進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。這為在新疆地區(qū)應(yīng)用太陽能集熱器打下了良好的基礎(chǔ)。

太陽能集熱器可以對(duì)太陽能進(jìn)行有效利用，太陽能集熱器是對(duì)太陽能的高效率集中收集，通過介質(zhì)轉(zhuǎn)化成熱能再利用。太陽能集熱器主要有2種類型：平板型、真空管型集熱器。真空管型集熱器是在平板型集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1]。真空管型集熱器熱效率可達(dá)94%[2]，防凍、保溫性好，但是不承壓、易爆裂。平板型集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便、耐壓、不易結(jié)垢、吸收熱量面積大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

該文主要研究平板型集熱器，將其投入到溫室生產(chǎn)中，制訂3種集熱系統(tǒng)循環(huán)策略并計(jì)算集熱量，實(shí)現(xiàn)使用太陽能集熱器為日光溫室提供熱能，減少煤炭的使用，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少生產(chǎn)成本的目的。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 平板集熱器的基本結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)所用的平板集熱器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。集熱器面朝正南方向，與屋頂呈30°角擺放。平板太陽能集熱器總體結(jié)構(gòu)尺寸為2 040 mm×835 mm×13.5 mm，有效集熱面積為2 000 mm×800 mm，主要包括：透明蓋板、集熱體、保溫層、殼體等5個(gè)部分。

1.2 平板集熱器工作原理 絕大部分太陽輻射透過蓋板被吸熱板吸收轉(zhuǎn)化成熱能并傳向流體通道，流體介質(zhì)流經(jīng)流體通道時(shí)，介質(zhì)本身溫度迅速上升，熱能儲(chǔ)存在流體介質(zhì)內(nèi)，從流體通道的出口流出，太陽能以熱能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，轉(zhuǎn)變成了有用能量收益。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器 試驗(yàn)日光溫室位于中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市達(dá)阪城區(qū)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)達(dá)阪城試驗(yàn)站，日光溫室坐北朝南，日光溫室長(zhǎng)度為58 m，跨度為7 m，脊高3.2 m，后墻高1.4 m，后屋面長(zhǎng)3.2 m，后墻和兩側(cè)墻體使用材料為紅磚并且表面涂刷一層水泥灰。溫室選用PVC長(zhǎng)壽塑料薄膜、保溫被厚度為0.05 m，溫室內(nèi)部種植辣椒。

日光溫室頂部放置兩組平板型太陽能集熱器，每組12塊。集熱器的連接方式為并聯(lián)。集熱器平面與鉛垂面夾角大約為30°。保溫水箱的體積為2 m2，放置在溫室內(nèi)部非種植區(qū)的地面上，保溫水箱外包裹一層3 cm厚度的橡塑泡沫，橡塑泡沫的外層裹一層塑料膜。集熱器熱循環(huán)系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)方法 為了獲得最大集熱量，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種方案：方案1，集熱器內(nèi)空氣與水箱內(nèi)水的溫度差為25 ℃時(shí)集熱系統(tǒng)自動(dòng)開啟，待集熱器內(nèi)水與保溫水箱內(nèi)水溫差為6 ℃時(shí)，集熱系統(tǒng)自動(dòng)停止循環(huán)；方案2，水在集熱器內(nèi)被加熱30 min后，將集熱系統(tǒng)開啟5 min，使熱水儲(chǔ)存到保溫水箱中。達(dá)到5 min后，立即關(guān)閉系統(tǒng)，集熱器流體通道內(nèi)已經(jīng)充滿水，重復(fù)上一個(gè)循環(huán)；方案3，采用循環(huán)方式集熱，連續(xù)循環(huán)，循環(huán)時(shí)間為11：10至17：30。

3 3種集熱方案集熱量計(jì)算

集熱量Qi可用下式表達(dá)，

3.1 3種試驗(yàn)方案的日集熱量測(cè)定 方案1：全天一共進(jìn)行24次循環(huán)集熱，集熱量變化如圖3所示。

由圖3可知，第10次集熱量最高的為12.55 MJ；最低集熱量的為-1.15 MJ。第22次集熱量為1.23 MJ，集熱器中空氣溫度和保溫水箱水的溫度均達(dá)到最高。第22次低于第10次集熱量，相差11.31 MJ，原因是第10次集熱接收到的太陽輻射強(qiáng)度高；第10次集熱10 min、第22次集熱3 min，集時(shí)間相差7 min，熱量得不到有效積累，所以集熱量相差很大。

方案2：全天一共進(jìn)行11次循環(huán)集熱，集熱量變化如圖4所示。

由圖4可知，最高集熱量為9.69 MJ；最低集熱量為2.19 MJ。2次集熱量相差7.49 MJ。集熱量整體趨勢(shì)是先增高又降低，這與太陽輻射的變化趨勢(shì)吻合，說明太陽輻射強(qiáng)，集熱量大。

方案3：連續(xù)循環(huán)，集熱系統(tǒng)全程開啟。

3.2 3種試驗(yàn)方案日集熱量相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤量 1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤熱值是29 300 950J，煤的燃燒效率為50%，中國(guó)在用燃煤工業(yè)鍋爐的平均熱效率偏低，僅為65%左右。所以，燃煤鍋爐燃燒1 kg煤放熱量為9.52 MJ。經(jīng)計(jì)算，3種方案日集熱量為：89.37 MJ；方案2集熱量為72.80 MJ；方案3集熱量為205.28 MJ。

綜上所述，按集熱量大小可以得出，方案3優(yōu)于方案1，方案1略好于方案2。所以選擇對(duì)試驗(yàn)方案3作進(jìn)一步研究。

4 連續(xù)循環(huán)方案的熱性能分析

試驗(yàn)是在室外天氣晴朗，微風(fēng)氣候環(huán)境條件下進(jìn)行。試驗(yàn)期間，水箱進(jìn)出口水流量變化和集熱器吸熱板內(nèi)水流量變化是均勻、穩(wěn)定的。

4.1 集熱器瞬時(shí)效率方程 某一時(shí)刻的集熱效率即為瞬時(shí)集熱效率，瞬時(shí)集熱效率η等于集熱器獲得的有用能與投射到玻璃蓋板表面上的太陽輻射能之比[5，7]。平板型太陽能集熱器的瞬時(shí)效率的表達(dá)式為：

η=cm（Tf，o-Tf，i） /（AaI） （3）

式中：c為水比熱容，J/ kg· ℃；m為水流量， kg/s；Tf，o為集熱器出水口溫度， ℃；Tf，i為集熱器進(jìn)水口溫度， ℃；Aa為集熱器有效集熱面積，m2；I為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2。

4.2 集熱器進(jìn)水口對(duì)集熱器瞬時(shí)效率的影響 集熱器進(jìn)水口溫度與瞬時(shí)效率的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，進(jìn)水口水溫初始溫度為17.2 ℃、終止溫度44.2 ℃，水溫升高27 ℃，試驗(yàn)全過程中，集熱器進(jìn)水口水溫持續(xù)升高。在13點(diǎn)34分15秒，瞬時(shí)效率達(dá)到最大值為31.98%。隨進(jìn)水口水溫度增加，瞬時(shí)集熱效率先升高后降低。出現(xiàn)這種變化的原因?yàn)椋?dāng)在試驗(yàn)初始階段時(shí)，集熱器進(jìn)水口溫度較低，集熱器的熱損失很小，保溫水箱溫度上升較快，保溫水箱進(jìn)出水口水溫差加大，效率增加；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，集熱時(shí)間變長(zhǎng)，集熱器進(jìn)水口的水溫度持續(xù)上升并且吸熱板隨集熱時(shí)間的增長(zhǎng)而造成吸熱板自身的溫度增加，吸熱板與外界環(huán)境溫差加大，造成集熱器向外界環(huán)境散熱加大，造成集熱效率降低。

4.3 日光溫室室外環(huán)境溫度對(duì)集熱器瞬時(shí)效率的影響 集熱器在集熱過程中，集熱器本身相當(dāng)于一個(gè)發(fā)熱體，而熱量的傳遞又是從高溫向低溫傳遞，所以在集熱過程中，集熱器本身會(huì)向外界環(huán)境散熱。室外環(huán)境溫度與集熱器瞬時(shí)效率變化關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，室外環(huán)境最高溫度為-0.9 ℃、最低溫度為-9.5 ℃、平均氣溫為-2.8 ℃。試驗(yàn)初始階段，瞬時(shí)集熱效率隨環(huán)境溫度的升高而增加。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)初始階段，溫室外界環(huán)境溫度上升速度快，吸熱板溫度與環(huán)境溫度之差逐漸減小，集熱器熱損失減小，集熱效率增加。但一段時(shí)間后，集熱效率隨環(huán)境溫度的升高而降低。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)一段時(shí)間后，保溫水箱中水的溫差逐漸減小，集熱效率降低。

4.4 日光溫室室外太陽輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器瞬時(shí)效率的影響 太陽輻射強(qiáng)度與集熱器瞬時(shí)集熱效率變化關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，一天中太陽輻射強(qiáng)度變化先升高后降低，最小太陽輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在11：10分為365 W/m2，最大太陽輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在15：01分為942 W/m2；太陽輻射強(qiáng)度曲線在15：01分之前持續(xù)上升，集熱器瞬時(shí)效率隨太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。這是因?yàn)樘栞椛湓鰪?qiáng)，集熱器有用能增加較快，集熱器熱損失較小，集熱效率增加。

4.5 可行性分析 傳統(tǒng)的溫室加溫方法消耗大量的化石能源。煤炭燃燒熱值低，燃燒產(chǎn)物易污染環(huán)境。一個(gè)供暖季，大約有70 d為晴天、有45 d為陰晴天、有15 d為陰天。陰天，太陽輻射強(qiáng)度弱，達(dá)不到集熱系統(tǒng)運(yùn)行條件，集熱系統(tǒng)不工作。集熱器內(nèi)部溫度低，沒有溫度上升。手動(dòng)開啟集熱系統(tǒng)，水在吸熱板內(nèi)停留30 min后循環(huán)到保溫水箱中，水箱中水的溫度降低。說明陰天條件下，吸熱板的吸熱能力差，很難將水加熱；保溫水箱中水的溫度降低說明水箱在放熱，平板集熱器成為散熱體。

日光溫室使用平板太陽能集熱器集熱系統(tǒng)為連續(xù)循環(huán)模式，晴天1 d集熱量為205.28 MJ相當(dāng)于21.56 kg煤；陰晴天1 d的集熱量為153.82 MJ相當(dāng)于16.15 kg煤燃燒放出的熱量。一個(gè)供暖季中，晴天一共可以節(jié)約煤1 510 kg，陰晴天節(jié)約煤727 kg，那么一個(gè)供暖季平板太陽能集熱系統(tǒng)一共節(jié)約煤2 236 kg。

太陽能雖是諸多學(xué)者重點(diǎn)研究的新能源之一，但仍是處于起步階段，新疆地區(qū)集熱器應(yīng)用于日光溫室正處于初級(jí)階段。該文針對(duì)平板太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用于日光溫室實(shí)際生產(chǎn)可行性進(jìn)行了論證，并提出了提高集熱量的集熱系統(tǒng)循環(huán)方法，起到了一定的指導(dǎo)及借鑒作用。

5 結(jié)論

平板太陽能集熱器應(yīng)用于日光溫室實(shí)際生產(chǎn)，集熱系統(tǒng)最佳集熱方式為白天連續(xù)循環(huán)集熱，可獲得最大集熱量為205.28 MJ。

一個(gè)供暖季，平板型太陽能集熱器可為日光溫室實(shí)際生產(chǎn)節(jié)約煤2 236 kg。

太陽能集熱器單獨(dú)作為溫室供熱系統(tǒng)尚難以實(shí)現(xiàn)，但可以作為補(bǔ)充。溫室供熱可以采用多元化的采暖方式，盡量使用無害能源，減少煤炭的消耗量，降低生產(chǎn)成本，因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中仍具有重要意義。

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