適用于嚴寒地區的碟式太陽能供暖鍋爐設計

山東省昌樂市第二中學 ■ 蔣博文

山東章丘強將陽光新能源設備廠 ■ 蔣強*

適用于嚴寒地區的碟式太陽能供暖鍋爐設計

山東省昌樂市第二中學 ■ 蔣博文

山東章丘強將陽光新能源設備廠 ■ 蔣強*

提出一種適用于嚴寒地區的碟式太陽能供暖鍋爐設計方法。首先將碟式太陽能供暖鍋爐與其他類型結構進行對比，提出了碟式太陽能供暖鍋爐結構及15個相關技術參數的說明及計算方法；其次，將兩種設備在不同環境溫度下的功率和熱效率變化曲線進行了對比；最后，以新疆富蘊縣冬季蔬菜大棚實驗基地為研究對象，設計了36 m2碟式太陽能供暖鍋爐，并給出了設計方法和技術參數。應用于富蘊縣蔬菜大棚太陽能供暖項目的成功，充分驗證了碟式太陽能供暖鍋爐在高寒地區供暖的可靠性和高效率。

碟式太陽能供暖鍋爐；嚴寒；采光面積

0 引言

霧霾天氣是一種大氣污染狀態。化石能源的消耗量急劇攀升，增加了二氧化碳和各種有害氣體的排放量，加劇了霧霾天氣對地球生態環境的破壞。遍布城鄉的燃煤鍋爐和取暖煤爐是造成我國大面積霧霾污染的重要因素之一。在采暖區，城郊、小城鎮和農村建筑在全社會建筑中所占比重超過70%，全年供熱水和冬季采暖約占整年能源消耗的70%。據調查，北京農村家庭平均年用煤3 t，僅冬季采暖用煤就達2.5 t，78%的家庭認為采暖負擔重。全國政協調研組就建筑節能問題提交的調研數據顯示，按目前的趨勢發展，到2020年，我國的建筑能耗將達到10.9億噸標準煤[1]。10.9億噸標準煤相當于北京五大電廠煤炭合理庫存的400倍。據估算，每噸標準煤按我國的發電成本進行折合，約為2700 kWh，那么，到2020年，我國的建筑能耗將達29430億kWh，比三峽電站34年的發電量總和還要多[2]。因此，提供清潔、高保證率、高性價比的太陽能供熱采暖系統，是順應國家發展規劃及調整我國能源結構和治理霧霾污染的有效途徑之一。

我國的黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古，以及青海、新疆、西藏等省份，由于冬季氣溫低、天氣寒冷且寒冷期較長，被稱為嚴寒地區或高寒地區，是最需要供暖的地區，太陽能供暖在這些地區的市場潛力巨大。找到適合嚴寒地區使用條件的太陽能供暖設備，成為嚴寒或高寒地區供暖需要解決的關鍵問題。

目前的太陽能供暖工程中，真空管型太陽能集熱器由于價格低廉而在我國長城以南地區得到應用。但在我國嚴寒地區，真空管型太陽能集熱器的供暖效率會迅速降低，甚至會發生故障，無法繼續向建筑物內供暖。本文提出一種適用于嚴寒地區的碟式太陽能供暖鍋爐的設計方法，可解決嚴寒地區冬季真空管型太陽能集熱器無法有效為建筑物供暖的難題。

1 碟式太陽能供暖鍋爐結構及參數

太陽能供暖系統一般包括太陽能集熱系統、循環系統、散熱系統、儲熱系統和控制系統幾部分。其中，太陽能集熱器主要用于收集太陽能熱量，在太陽能供暖工程中占有極其重要的地位，整個太陽能供暖工程的熱量來源都是由集熱器提供。

1.1 碟式太陽能供暖鍋爐結構圖

本文提出的在嚴寒地區使用的碟式太陽能供暖鍋爐，充分利用太陽能供暖，供暖鍋爐結構圖如圖1所示。

圖1 適用于嚴寒地區的碟式太陽能供暖鍋爐結構圖

1.2 碟式太陽能供暖鍋爐結構的優勢

1)碟式太陽能供暖鍋爐安裝有雙軸自動跟蹤太陽系統，熱效率可比單軸跟蹤太陽能集熱器和固定式太陽能集熱器提高30%～50%。

2)碟式太陽能供暖鍋爐的聚焦比一般在500～2000，熱效率受環境溫度變化的影響很小。

3)碟式太陽能供暖鍋爐的吸熱器由鍋爐鋼板焊接而成，在嚴寒氣溫下，不會因熱脹冷縮導致吸熱器損壞。

4)碟式太陽能供暖鍋爐可用水蒸氣、防凍液、導熱油作為傳熱介質，傳熱效率高，不會產生凍害。

1.3 碟式太陽能供暖鍋爐與真空管型太陽能集熱器的性能對比

目前，我國長城以南地區太陽能供暖工程中應用比較廣泛的集熱器是真空管型太陽能集熱器。在國家頒布的真空管型太陽能集熱器技術要求GB/T 17049-2005《全玻璃真空太陽集熱管》和GB/19775-2005《玻璃-金屬封接式熱管真空太陽集熱管》的標準中，對真空管型太陽能集熱器的熱損系數規定為：無反射器的集熱器總熱損系數應不大于3 W/(m2?℃)[2,3]。由于真空管型太陽能集熱器的每兩條真空管之間有間距，無法將所有照射在集熱器上的陽光吸收；另外，由于固定式真空管型太陽能集熱器不能跟蹤太陽，受太陽光線斜照造成的余弦效應的影響，集熱器每m2采光面積的平均功率在300 W左右[2]。

碟式太陽能供暖鍋爐的聚光鏡可實現無縫隙反射吸收太陽光，一般采用反光率為95%的超白鍍銀玻璃鏡片作為反光材料，當太陽輻照度為950 W/m2時，聚光鏡反射聚焦到焦點位置的光斑功率為950×95%=902.5 W/m2；碟式太陽能供暖鍋爐的吸熱器吸熱率一般在90%以上，則碟式太陽能供暖鍋爐的功率為810 W/m2，為了保證太陽能供暖工程的供暖效果，一般按照750 W/m2進行理論計算。當環境溫度為35 ℃時，真空管型太陽能集熱器的功率是300 W/m2左右；當環境溫度降至-40 ℃時，環境溫度降低了75 ℃，真空管型太陽能集熱器的功率降低了75×3=225 W/m2，于是真空管型太陽能集熱器的功率就迅速降至75 W/m2。

由于碟式太陽能供暖鍋爐的聚焦比一般在500～2000，理論上講，碟式太陽能供暖鍋爐的功率受外界環境溫度降低而造成的熱損只有真空管型太陽能集熱器的1/2000～1/500，幾乎可忽略不計。但碟式太陽能供暖鍋爐的熱量傳輸管道在低溫環境下會增加熱損[4-7]。

對不同環境溫度下的碟式太陽能供暖鍋爐燒水效率進行測試。在太陽輻照度為950 W/m2的條件下，碟式太陽能供暖鍋爐在30 ℃時的功率是750 W/m2；當環境溫度降低到-40 ℃時，碟式太陽能供暖鍋爐的功率保持在約600 W/m2。將相同采光面積的真空管型太陽能集熱器與碟式太陽能供暖鍋爐在不同環境溫度下的功率變化曲線進行對比，對比結果如圖2所示。

圖2 真空管型太陽能集熱器與碟式太陽能供暖鍋爐在不同環境溫度下的功率變化

對兩種設備在不同環境溫度下熱效率變化曲線進行對比，更能夠發現兩者的明顯差異，對比結果如圖3所示。

圖3 真空管型太陽能集熱器與碟式太陽能供暖鍋爐在相同環境溫度下的兩個設備的熱效率變化

2 碟式太陽能供暖鍋爐結構參數及計算方法

1)采光面積。垂直于碟式太陽能供暖鍋爐拋物面聚光鏡的太陽光輻照面積S的計算公式為：

式中，r為拋物面開口半徑。

2)聚焦比B為碟式太陽能供暖鍋爐拋物面積與焦斑面積的比值，用式(2)計算：

式中，SP為碟式太陽能供暖鍋爐采光面積，m2；Sj為焦斑面積，m2。

3)焦點晴天最高溫度。晴天時，拋物面鏡反射匯聚到焦點處的太陽光斑的最高溫度，可用高溫測溫計測量。

4)額定功率。在規定的工況下，碟式太陽能供暖鍋爐吸熱器內的傳熱介質在單位時間內所獲得的熱量，可用碟式太陽能供暖鍋爐單位時間內燒開水的方法獲得。

碟式太陽能供暖鍋爐的熱效率η可由式(3)求得：

式中， m為水的重量，kg；c為水的比熱容，kJ/(kg?℃)；Te為水的終止溫度，℃；Ti為水的初始溫度，℃；Q為單位面積累積太陽直接輻照量，kJ/m2；AC為采光面積，m2。

將式(3)計算所得數據代入式(4)，可計算出碟式太陽能供暖鍋爐的額定功率P為：

5)自動跟蹤太陽方式。碟式太陽能供暖鍋爐采用自動跟蹤太陽運行軌跡的方式。自動跟蹤器首先通過GPS衛星定位系統確定碟式太陽能供暖鍋爐所處的地理經度、緯度及實時時間，自動跟蹤器內的單片機會根據地理經緯度和時間，通過內存的太陽天文運行軌跡參數，自動計算出該地點太陽的精確位置并發出指令，控制東、西、南、北驅動電機的啟停，驅動碟式太陽能供暖鍋爐對太陽進行實時跟蹤。天文計算跟蹤精度2°以內，在雨雪、大霧等無太陽光照的情況下對太陽進行閉環跟蹤。晴天時，當碟式太陽能供暖鍋爐通過GPS衛星定位和天文計算，跟蹤精度進入5°以內時，自動跟蹤器自動啟動光控跟蹤模式，實現對太陽的高精度開環跟蹤。光控跟蹤的最高精度可達到0.01°。

6)晴天最高跟蹤精度。晴天時，測量兩次跟蹤調整頻率內焦斑在吸熱器上的位移距離L，然后測量出吸熱器的旋轉直徑d，將數據代入式(5)即可計算出跟蹤精度γ為：

7)自動跟蹤系統每小時耗電量。自動跟蹤器、東西跟蹤電機、南北跟蹤電機和自動跟蹤系統繼電器每小時的耗電量可用萬用表或電表測量。

8)傳熱介質。吸熱器吸收太陽焦斑熱量后，把熱量傳輸至建筑物內的載熱體。一般情況下，適用于碟式太陽能供暖鍋爐的傳熱介質有：防凍液、導熱油、水蒸氣等。

9)傳熱介質循環方式。傳熱介質在循環管道內的流動方式，一般有自然循環、強制循環和“自然＋強制”3種循環方式。所謂的自然循環，就是以冷熱傳熱介質密度差而產生的壓力差為動力，驅動管路里的傳熱介質流動；強制循環不是以傳熱介質密度差所形成的動力來循環流動，而是依靠泵作為動力來實現傳熱介質的循環流動；同時具備自然循環和強制循環功能的為“自然+強制”循環。

10)控溫方式是指控制傳熱介質溫度的方式。一般分為手動、自動、“手動＋自動”。

11)散熱方式是指將太陽能熱量輸送到建筑物內，用來加熱建筑物內的氣溫。常見的有：散熱片散熱、地暖盤管散熱、風機散熱等。

12)建筑物內溫度是指被供暖建筑物內的溫度，用溫度計測量。

13)凈重指碟式太陽能供暖鍋爐未加注傳熱介質時的重量，用稱重儀稱量。

14)抗風級別。碟式太陽能供暖鍋爐正常工作時可抵抗10級的大風，可用風速儀測量。

3 工程案例應用

3.1 案例環境條件概述

富蘊縣位于號稱“第二寒極”的新疆阿勒泰地區。富蘊縣冬季蔬菜大棚實驗基地位于88°10′E～91°31′E、45°00′N～48°03′N，冬季寒冷，氣溫差異大。富蘊縣日照充足，年平均日照時數為2900 h，平均氣溫3 ℃，極端最高氣溫42.2 ℃，極端最低氣溫-51.5 ℃。

富蘊縣冬季蔬菜大棚實驗基地需要增加輔助供暖設備，實驗基地缺乏電力和天然氣供應，本文設計采用36 m2碟式太陽能供暖鍋爐作為輔助能源。該實驗蔬菜大棚東西長50 m，南北寬13 m，總體面積650 m2。地暖盤管埋深平均100 cm，間距100 cm。地暖盤管鋪設情況如圖4所示。

圖4 富蘊縣蔬菜大棚地暖盤管鋪設示意圖

3.2 富蘊縣冬季蔬菜大棚實驗基地碟式太陽能供暖鍋爐結構參數

富蘊縣冬季蔬菜大棚實驗基地36 m2碟式太陽能供暖鍋爐的技術參數如表1所示。

表1 采光面積36 m2碟式太陽能供暖鍋爐的技術參數

3.3 效果驗證

由于富蘊縣冬季非常寒冷，冬季蔬菜大棚種植沒有成功的先例，冬季蔬菜全部靠外部供給，所以沒有其他輔助供暖數據供參考。該實驗大棚在2016年1月初建成，未安裝太陽能供暖鍋爐以前，白天晴天時，棚內中午溫度可升至30 ℃左右，但到了夜間，棚外氣溫降低到-30 ℃左右，棚內溫度逐漸降低，到黎明時，棚溫已經降到0℃以下，低溫對棚內種植的蔬菜造成很大傷害。36 m2碟式太陽能供暖鍋爐在2016年1月中旬安裝完畢開始運行，經過實際測溫，晚間大棚內的氣溫以每天0.2 ℃的速度逐步升高，經過兩個月的連續運行，大棚內早晨的最低氣溫已升至10 ℃以上，全天平均棚溫從最初的14 ℃升至20 ℃，完全滿足蔬菜種植的要求。大棚內溫度升高情況如圖3所示。

圖5 配備和未配備碟式太陽能供暖鍋爐的蔬菜大棚棚溫升高曲線圖

4 結論

本文提出的碟式太陽能供暖鍋爐結構設計方法，可依據碟式太陽能供暖鍋爐結構參數計算方法設計應用于不同環境和能源需求的結構。應用于新疆富蘊縣蔬菜大棚太陽能供暖項目的成功，充分驗證了碟式太陽能供暖鍋爐在高寒地區供暖的可靠性和高效率，為高寒地區太陽能供暖探索出了一條可行之道，對我國的節能減排和霧霾治理具有積極的推動作用。

[1] 吳玉金. 淺談我國建筑節能存在的問題與對策[J]. 山西建筑, 2011, 37(26): 206－208

[2] 賈英洲, 李根華, 劉偉, 等.太陽能供暖系統設計與安裝[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 王君一，徐任學, 孫喆, 等.農村太陽能實用技術[M].北京：總后金盾出版社, 2004.

[4] 何堅. 碟式斯特林太陽能熱發電系統的模型構建和優化研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011．

[5] Fraas L M . Path to affordable solar electric power & the 35% efficient solar cell [M]. America: JX Crystals lnc, 2004.

[6] Archer M D，Green M. Clean Electricity from photovoltaic [M]. London: Imperial College Press, 2001.

[7] Yoshihiro Hamakawa. Recent advances in solar photovoltaic technology and its new roles to the 21st century’s civilization life[A]. Technical digest of the international PVSEC-14. [C], Bangkok, Thailand, 2004.

光伏信息

2020年亞太地區將促使全球分布式變壓器市場超過166億美元

研究與咨詢公司GlobalData表示，全球分布式變壓器市場預計將由2015年的137.4億美元增至2020年的166.7億美元，年復合增長率為5%。

該公司的研究報告指出，為服務于日益增長的電力需求，需要擴大和升級現有的分布式基礎設施，這將在可預見的未來促使分布式變壓器市場積極增長。在亞太地區的新興經濟區和中東地區，大量的電站容量增加、經濟增長，以及電力的改善都促使并網量的增加和分布式逆變器市場的增長。

GlobalData的分析師Swati Gupta表示，北美市場新的分布式變壓器安裝量相對較低，該市場的增長主要體現在替換市場，也就是將使用年限超過25年的舊變壓器替換為新的。

同樣地，許多歐洲發達國家，如英國和德國，它們的并網系統日益老化，需要對分布式基礎設施進行升級，這就為分布式變壓器市場的發展提供了契機。在發展中國家，預計分布式變壓器市場將經歷巨大增長。以亞太地區為例，隨著各國產業化和鄉村電氣化進程的日益加劇，并網負荷加大，該地區2020年分布式變壓器市場將達76.6億美元。

Swati Gupta說道：“由于低成本的優勢，許多公司對一些新興市場，如中國、印度和拉丁美洲，對于其活動開始重新定位。同樣，由于這些地區對電力的高需求，也為分布式變壓器市場的發展創造了可能性。”

2016-08-02

蔣強(1970—)，男，主要從事碟式太陽能聚光器的聚光精度和自動跟蹤太陽精度，以及碟式太陽能鍋爐方面的研究。qwfyang2010@163.com