新型壁掛太陽能換熱循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計與試驗

王海亮 孫海權(quán) 李秀華

摘要：針對目前壁掛太陽能熱水器存在的弊端，設(shè)計了小型太陽能光伏板作為電源，穩(wěn)壓電路控制直流循環(huán)泵的新型壁掛太陽能換熱循環(huán)。該設(shè)計的特點：可根據(jù)太陽輻照度自動控制循環(huán)泵運行;及時帶走集熱器內(nèi)熱量，提高換熱效率;減少市電耗能，成本低，且無須蓄電。通過運行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：新型換熱系統(tǒng)的每日水箱溫升比自然循環(huán)的水箱溫提高了約10℃，集熱器聯(lián)箱溫度降低了35℃。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水器;循環(huán)系統(tǒng);光伏板;穩(wěn)壓電路

中圖分類號：TK6? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）02-0032-01

Abstract： in view of the disadvantages of the current wall-mounted solar water heater， a new type of wall-mounted solar energy heat transfer cycle was designed with a small solar photovoltaic panel as the power supply and a voltage stabilizing circuit to control the dc circulating pump. The features of the design are as follows：the operation of the circulating pump can be controlled automatically according to the solar irradiance; Take away the heat in the collector in time to improve the heat exchange efficiency; Reduce the consumption of electricity， low cost， and no need to store electricity. Through running tests， it was found that：the daily temperature rise of the water tank of the new heat exchange system was about 10℃ higher than that of the natural circulation water tank， and the temperature of the collector header was 35℃ lower.

Key words：solar water heater; Circulatory system; Photovoltaic panels; Regulating circuit

引言：目前壁掛式熱水器存在一些弊端，影響了它的推廣使用。主要有以下方面：一、多采用自然循環(huán)換熱，換熱效率低，水箱溫度達不到理想使用效果。集熱器內(nèi)熱量不能及時被帶走，致使集熱器聯(lián)箱溫度較高，熱量損失大。二、市電作為能源，采用強制換熱循環(huán)，換熱效率提高，但同時消耗電能，不利于節(jié)能減排。且需要將交流市電轉(zhuǎn)換成直流電再使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。三、采用光伏板發(fā)電作為能源，加溫差控制器驅(qū)動泵的強化換熱循環(huán)，成本較高。針對以上問題，該文設(shè)計了光電光熱自適應(yīng)強化壁掛太陽能換熱循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可解決壁掛式太陽能對安裝條件和安裝要求的限制，提高壁掛式太陽能熱水器的適用性，突破其推廣瓶頸。

1? 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1系統(tǒng)流程。新型壁掛式太陽能熱水器強化系統(tǒng)，在原有自然循環(huán)換熱系統(tǒng)上，增加太陽能光伏板，穩(wěn)壓電路和直流循環(huán)泵。采用太陽能電池板發(fā)電，驅(qū)動直流微型循環(huán)泵，增強換熱介質(zhì)的循環(huán)速度，提高換熱效率。同時及時帶走集熱器內(nèi)熱量，降低了集熱器溫度，減少了集熱器因持續(xù)高溫而產(chǎn)生的輻射熱損失。光伏板提供電能，通過穩(wěn)壓電路控制直流循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)，可達到穩(wěn)定電壓和電流的作用。

1.2穩(wěn)壓電路。系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)壓電路，可根據(jù)太陽能輻射強弱自動控制循環(huán)泵的啟動與停止。光照強時，集熱器收集熱量多，同時光電流大，可自動開啟循環(huán)泵換熱，及時帶走集熱器內(nèi)的熱量;光照弱時，集熱器收集內(nèi)熱量少，光電流小，泵自動停止運行。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計具有光電光熱自適應(yīng)的特點。同時，穩(wěn)壓電路可穩(wěn)壓限流，防止光伏板發(fā)電的不穩(wěn)定性，減少對循環(huán)泵的損壞。

電路采用LM317T穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電壓和控制電流[1]，穩(wěn)壓器上安裝鋼片散熱。200歐電阻與滑動變阻器構(gòu)成分壓電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，確定所需電壓值，并固定該阻值，使循環(huán)泵電壓控制在12V。電路并聯(lián)電容器起到濾波作用，改善水泵的工作環(huán)境。

1.3強化系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型。太陽能光伏板采用功率為20W的多晶硅板，其轉(zhuǎn)換效率高達17%[2]，功率輸出穩(wěn)定持久，使用壽命最高可達25年。

系統(tǒng)選用直流微型循環(huán)泵。其技術(shù)參數(shù)為：直流電壓12V，揚程4-5米，流量3.5l/min。考慮到噪音問題，將微型直流循環(huán)泵安裝在室外，減少噪音對室內(nèi)生活環(huán)境的影響。經(jīng)測量，泵運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的聲音為32dB，遠遠低于國家60dB標(biāo)準(zhǔn)，不會對居民生活產(chǎn)生不良影響。

2? 試驗結(jié)果

2.1試驗平臺。光電光熱強化換熱循環(huán)壁掛式太陽能熱水器與自然循環(huán)換熱壁掛熱水器進行運行對比測試。均采用80L水箱，集熱面積均為1.04m2。

2.2試驗結(jié)果。對兩套壁掛式太陽能系統(tǒng)進行了8天的運行測試。根據(jù)對6天晴朗天氣的記錄來看，強化循環(huán)水箱每日溫升約35℃，自然循環(huán)水箱約25℃。強化換熱水箱溫升高出約10℃。即使陰天多云天氣，強化換熱水箱溫度也能達到45℃左右，可滿足洗浴水溫要求。

在8天的運行測試中，選取了光照條件良好的一天，每隔一小時記錄一次集熱器聯(lián)箱和水箱溫度。兩套熱水系統(tǒng)的集熱聯(lián)箱和水箱溫度數(shù)據(jù)對比如圖1所示。

由圖1可見，8：00-16：00，自然循環(huán)的集熱聯(lián)箱溫度比強化循環(huán)集熱聯(lián)箱高約30℃;自然循環(huán)集熱聯(lián)箱溫度與水箱溫度高約35℃;強化換熱循環(huán)系統(tǒng)的集熱聯(lián)箱溫度與水箱溫度僅差約2℃。由此可見，新型強化換熱循環(huán)系統(tǒng)有效降低了集熱器聯(lián)箱的溫度，減少了集熱器的熱損失。日照輻射較好的時間段，太陽能光伏板的發(fā)電量能夠持續(xù)為循環(huán)泵提供電能，使泵一直處于運行狀態(tài)，從而可以不斷將集熱器內(nèi)收集的熱量及時帶走，輸送至水箱，有效提高了換熱效率。

3? 結(jié)論

采用小型光伏板、微型直流泵和簡易穩(wěn)壓電路構(gòu)成的光電光熱自適應(yīng)壁掛太陽能強化換熱系統(tǒng)，其集熱器溫度比自然循環(huán)系統(tǒng)集熱器溫度降低了35℃，有效減少了熱損失。換熱循環(huán)水箱溫升比自然循環(huán)平均高出約10℃，提高了換熱效率。

該光電光熱自適應(yīng)強化換熱系統(tǒng)，可在原有自然循環(huán)系統(tǒng)的管道上直接改造使用，投入成本低，降低市電能耗。且安裝不受空間限制，可提高壁掛式太陽能熱水器的普適性，并可突破壁掛式太陽能的市場推廣瓶頸。

參考文獻：

[1]何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2012.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社. 2006

[3]王淑娟.可再生能源及其利用技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.2012.

[4]羅運俊，何梓年，王長貴.太能利用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

作者簡介：王海亮（1980-），男，高級技師，主要從事新能源利用技術(shù)的研究。