國內外太陽能熱力系統（火用分析）現狀和展望

摘要：太陽能憑借其環保性和廣泛性，目前已成為各國未來綠色可持續發展首選的能源之一。文章對太陽能系統在火用分析這個方面比較了各種類型的太陽能集熱器和太陽能熱力系統。太陽能集熱器是一種可持續性的重要技術，結合火用分析給出了更有代表性的效率評估，評估能量的品質。

關鍵詞：太陽能；熱力系統；火用分析；經濟性；綠色能源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK212 文章編號：1009-2374（2016）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.037

風能、生物質能、核能和太陽能等可再生能源的開發利用是節約化石能源和節約環境污染的重要途徑。目前太陽能技術在國內外都得到了廣泛應用和快速發展，但由于我國現階段發電成本較高，大規模應用還需國家的扶持。

能源的短缺促使人類意識到節能的重要性，但是要回答何謂節能其實并不簡單，只考慮能量平衡的熱力學第一定律并不能很好地回答這一問題，從能量的品位角度看，節能實質上是對常規能源中的可用能“火用”的節約與利用。

1 太陽能集熱器

在眾多不同種類的太陽能集熱器的效率評估中都運用了火用分析。許多工作者在平板太陽能集熱器領域已經做了相關研究，并且光伏光熱太陽集熱器（PVT）領域中運用火用分析也較為普遍。拋物線形槽式結構太陽能集熱器領域中可以運用火用分析，但并不是常用分析評估方法。拋物線形蝶式結構太陽能集熱器有高火用效率，所以許多工作者也對這方面進行了研究、分析和優化。還有很多其他結構的集熱器都運用過火用分析，比如復合拋物線型太陽能集熱器、熱管太陽能集熱器、空腔集熱器。

1.1 平板太陽能集熱器

在平板太陽能集熱器領域中廣泛地運用了火用分析。雖然在該領域已經進行了很長時間的研究，但是仍存在空白等待后人進行研究和探索。前人已經對使用常規流體（空氣和水）的集熱器做了充足的研究，但是當使用非常規流體（例如二氧化碳和納米流體）的集熱器時，集熱器的火用分析還需更多工作者以后的投入和

努力。

Jafarkazemi等研究了平板集熱器的能量分析和火用分析算法。Fudholi對翅片雙向太陽能集熱器的火用效率進行了評估。火用效率已經被作為一個指標評價了不同類型的集熱器性能。Oztop等對太陽能空氣加熱器的能量和火用性能做了一個詳細的綜述。Bayrak等運用能和火用分析方法研究了內嵌多孔擋板太陽能空氣加熱器。Bouadila等進行了實驗來評估一種使用帶潛熱儲存系統的球形膠囊填充床的新型太陽能空氣加熱器。Golneshan運用火用分析對未裝蓋板型太陽能集熱器進行了研究，這種裝置適宜于在預熱外部空氣，主要用于預熱空氣通風和對農作物進行干燥。作為傳熱元件，熱管最大的優點是具有較高的傳熱率。Kargarsharifabad等對結合了熱管的平板太陽能集熱器進行了能量和火用分析。

1.2 光伏光熱一體化系統

光伏光熱一體化系統（PVT系統）的基本結構是PVT集熱器和蓄水箱，輔助熱源為水箱提供能量，使水箱的熱水保持在負荷所需的某一最低溫度。PVT系統的原理簡單：集熱器吸收入射太陽輻射，一部分吸收的太陽能轉換為電能，而其余的能量轉化為集熱器的熱量，最終加熱流體；太陽能電池和流體之間的熱交換降低了電池的溫度，提高了電池效率；出口流體通過管道可以當作熱水被利用，所以PVT系統是以把太陽能轉化為電能和熱能的綜合效率來評價的。

Ooshaksaraei等利用熱力學第一定律和熱力學第二定律研究了PVT系統的穩態和瞬態特性。Marletta和Evola運用熱力學第二定律對一種水冷PVT系統進行了研究。他們得出了如下結論：當運用光伏電池的情況下，在較低溫度時，系統相對能輸出更多的電能；而在較高溫度時，系統相對能輸出更多的熱能。所以研究的重點是如何定義PVT系統的總火用并使其最大化。Dupeyrat等發表了關于一種平板PVT系統的能量和火用性能。Buker等研究了一種在光伏電池底部使用循環聚乙烯熱交換PVT系統的能量和火用性能。該系統被設計為屋頂的一部分，與周圍恰當融合，并成為房屋的一部分熱源，輔助房屋的制熱和制冷。Gholampour和Ameri從能量和火用的角度研究了一些參數（填料因子、翅片數量、翅片高度、環境和空間參數）對PVT系統的影響。

余長富分析太陽能光伏光熱一體化（PVT）系統熱效率、電效率和火用效率等性能的影響因素，設計并構建了PVT實驗系統，得到PVT系統集熱器熱效率與太陽能電池覆蓋率呈現負相關關系，PVT系統集熱器電效率與太陽能電池覆蓋率呈現正相關的關系。楊天麒通過建立太陽能熱電裝置的火用分析模型，在效率分析的基礎上對裝置的火用效率進行了分析。

1.3 拋物面形碟式集熱器

Madadi等對一種拋物面形碟式集熱器在能量和火用性能方面進行了實驗和理論上的研究。Liu等研究了一種帶半空腔接收器的太陽能碟式集熱器，其中包括了對該模組的火用分析。Shanmugan等構造了一種低成本的拋物面太陽能集熱器，該集熱器利用由碲化鉍組成的熱電模塊在其焦平面上發電，并對其進行了測試，評估了能量效率和火用效率。

1.4 其他集熱器種類

Nishi和Qi在最大火用效率的條件下，提出了一種熱模型，并對三維復合拋物面聚光集熱器進行了優化。Nixon等提出了三種基于線性菲涅爾反射器新型太陽能集熱器概念。

2 應用

目前太陽輻射能量已被廣泛應用于生活實踐。太陽能通過向熱能的轉化，直接對空間、水和其他物質加熱；太陽能利用相變材料的潛熱儲存能量；太陽能還可用于建筑的制熱和制冷中；太陽能還能轉化為電能被人類所利用，人類通過光伏系統把太陽能轉化為電能，這些產生的電能可以直接連接電網供電，可以供應熱泵運行，也可用于其他目的，比如用于電解水制造氫氣。

周燕等基于熱力學第二定律的火用分析方法，提出建筑能源的轉換；屠長環通過計算分析系統各設備的火用損失及火用利用效率，對組合能量系統不同類型之間的統一性和一致性進行了深入研究；遠義忠把火用分析方法引入到集中空調系統的能耗分析中，建立了工程中最常用的一二次回風空調系統冬夏兩種設計工況下的擁分析模型，結合工程實例計算了兩種空調系統冬夏兩種設計工況下系統的傭效率以及各設備的擁損失；梁明姍通過介紹低火用理論，展示在空調采暖系統中運用低火用能源所能產生的巨大節能效益，同時就幾項常見的低火用技術，提出其各自的優越性和限制條件，針對以電為能源的供暖方式，計算了一次能源效率和火用效率。

3 結語

本文基于近兩年來國內外刊發的文獻，對太陽能熱力系統中所使用的火用分析方法進行了綜述，歸納了各種類型的太陽能集熱器熱力系統的研究和應用。火用分析作為太陽能集熱器可持續性設計的重要指標，是一種更有代表性的性能評估。經過多年的研究發現，無論是對于單獨的太陽能集熱器還是整體系統，使用該分析方法能較好地評價能量的品位。

參考文獻

[1] 周燕.建筑供暖與制冷能量系統（火用）分析及應用研究[D].湖南大學，2012.

[2] 屠長環.火用方法在典型組合能量系統熱經濟分析中的應用研究[D].華北電力大學（保定），2008.

[3] 楊天麒.太陽能熱電發電系統的熱效率和（火用）效率研究[D].武漢理工大學，2007.

[4] 遠義忠.基于（火用）分析的集中空調系統能耗研究[D].南京理工大學，2007.

[5] 梁明珊.若干供暖空調方式的（火用）分析[D].武漢科技大學，2011.

[6] 郭琦.生物質超臨界水氣化制氫過程的能分析與（火用）分析[D].西安建筑科技大學，2006.

[7] 余長富，阮應君，吳家正.太陽能光伏光熱一體化系統性能影響因素[J].熱力發電，2015，44（11）.

[8] 曾凡.太陽能光合生物連續制氫系統的火用分析研究[D].河南農業大學，2011.

[9] 胥義.幾種太陽能熱水系統的火用分析[J].上海節能，2001，5（11）.

[10] 趙在理，楊天麒，夏勝雄.太陽能熱電裝置的熱效率和（火用）效率分析[J].中國水運（理論版），2007，（11）.

[11] 徐吉富，朱躍釗，蔣金柱，董寶軍.新型槽式真空熱管集熱器的熱效率及火用效率分析[J].真空，2009，46（2）.

[12] F.Jafarkazemi，E.Ahmadifard.Energetic and exergeticevaluation of flat plate solar collectors[J].Renew.Energy，2013，（56）.

[13] A.Fudholi，K.Sopian，M.Y.Othman，M.H.Ruslan，B.Bakhtyar.Energy analysis and improvement potential of finned double-pass solar collector[J].EnergyConvers.Manag，2013，（75）.

[14] H.F.Oztop，F.Bayrak，A.Hepbasli.Energetic and exergetic aspects of solar air heating（solar collector）systems[J].Renew.Sustain.Energy Rev，2013，（21）.

作者簡介：艾譯文（1993-），男，湖北武漢人，海軍工程大學動力工程學院學生，研究方向：熱科學與技術。

（責任編輯：王 波）