中溫太陽能集熱器的參數數據庫搭建

何飛宇, 詹 松, 劉學文, 巴 鑫, 鄭 維

(湖北省產品質量監督檢驗研究院,湖北 鄂州 436000)

0 引言

目前,人類使用的能源主要是非可再生能源,其約占能源總消費量的90%。 我國是能源消費大國之一,在使用能源方面同樣也以煤炭、石油和天然氣為主。 煤炭、石油和天然氣均是工業生產的主要能量來源,此類能源的90%通常都用作燃料而燃燒殆盡[1]。此外傳統化石能源的使用亦會造成碳排放過量以及環境污染問題。 我國幅員遼闊,有著十分豐富的太陽能資源,絕大部分地區都適于太陽能利用的開展。 太陽能作為一種清潔的可再生能源,近年來被廣泛應用于各個領域。 結合近年的市場發展情況,熱水工程是未來太陽能光熱利用市場主要增長方向之一,而中溫太陽能集熱器因其技術特點,十分適合在各熱水工程中使用。

根據《中溫太陽能集熱器》(NB/T 34045—017)中的定義[2],中溫太陽能集熱器是指工作溫度范圍在100～250 ℃的太陽能集熱器。 目前,中溫太陽能集熱技術發展迅速,相較于低溫太陽能集熱器,其應用場景更加廣泛,包括了太陽能供熱系統、太陽能空調、海水淡化、有機朗肯循環(ORC)發電、泵送灌溉水等。由文獻[3]可知,現有的太陽能集熱器按設計概念、尺寸和材料的不同,可分為拋物線槽式集熱器、線性菲涅耳集熱器、拋物面聚光集熱器、超高真空平板集熱器、固定鏡面太陽能集熱器等。 雙軸跟蹤的槽式及塔式等適用于熱發電的太陽能集熱器不在本文討論的范圍內[4]。 圖1 為上文提到的幾種太陽能集熱器的實拍圖。

圖1 太陽能集熱器實拍

對于種類繁多的中溫太陽能集熱器,到目前為止仍然沒有一套方案能夠對集熱器組件的各項參數進行標準化整理。 為了方便從業人員和廣大用戶,亟需創建一個涵蓋中溫太陽能集熱器各項參數的數據庫,作為市場中可用產品的信息參考。

1 集熱器主要參數及其定義

在中溫太陽能集熱器的參數數據庫中,每個集熱器將根據型號、類型、制造商信息(包括名稱、地址和官網)進行標識,并就其技術參數進行特征描述。 圖2 和圖3 分別為平板型太陽能集熱器和槽式集熱器的截面結構圖。

圖2 平板型太陽能集熱器截面結構

圖3 槽式集熱器截面結構

從圖2 和圖3 中可知,不同類型的集熱器在結構上有很大區別,即使是同一作用的結構,在不同類型集熱器中的形式也很不同,為了統一描述各種型制不同的集熱器,數據庫對中溫太陽能集熱器主要參數做了歸納,可分為8 大類共19 項參數,具體分類如表1 所示。

表1 中溫太陽能集熱器主要參數分類

表1 中各項技術參數的詳細定義如下。

(1)固定/跟蹤。

當集熱器沒有運動系統時,數據庫將其描述為“固定”類型,而當集熱器具有實時跟蹤太陽方向的運動系統時,數據庫將其描述為“跟蹤”類型。

(2)跟蹤系統。

跟蹤系統是集熱器用于跟蹤太陽的元件,能夠改變集熱器的朝向使其一直跟隨日射方向。 按跟蹤原理可分為:輻照(光電)傳感器型、太陽位置算法型(基于日期/時間、開環系統)和混合型(光電傳感器和基于日期/時間的組合)太陽跟蹤器;按跟蹤方向可分為東西向跟蹤(EW)、南北向跟蹤(NS)和東西+南北向跟蹤(EW+NS)。

(3)滯止保護。

滯止保護,是避免因流體滯留而達到過高的滯止溫度的方法。 在具有跟蹤系統的集熱器中,滯止保護的方式是使其偏離太陽直射方向。

(4)工作壓力。

在正常工作狀態下集熱器內部的壓力范圍應不超過集熱器的最大工作壓力,中溫太陽能集熱器的最大工作壓力應≥0.6 MPa。

(5)工作溫度。

在正常工作狀態下集熱器內部的溫度范圍應在100～250 ℃。

(6)正常運行的天氣條件。

集熱器能夠安全運行時的天氣參數,包括風速、溫度、濕度等。

(7)主反射器。

主反射器是將太陽能輻射集中到吸熱體上的元件,主反射器將根據其材料、反射比、尺寸和其他參數進行描述。 典型材料包括:銀玻璃(厚薄兩種),鋁(具有多種保護層)和聚合物薄膜。 如果已知主反射器的材料,還可進一步描述其指定材料型號和制造商。 反射比:根據《遙感導論》中的定義[5],反射比是指物體反射的輻射能量占總輻射能量的百分比。 尺寸包括:主反射器的寬度、長度和厚度,在某些情況下還包括聚光特性。

(8)次級反射器。

次級反射器是位于集熱器周圍的元件,可將主反射器反射的輻射重新集中在集熱器上,次級反射器也將根據其材料、反射比、尺寸和其他參數進行描述,與主反射器相同。

(9)集熱器蓋層。

集熱器蓋層是某些集熱器中位于采光平面上的元件,可以起到保護吸熱體和反射器、減小熱損的作用。 集熱器蓋層將根據其材料、透射比、尺寸和其他參數進行描述。 根據《太陽能熱利用術語》(GB/T 12936—2007)中的定義[6],透射比是指材料傳輸的能量通量與材料上的入射輻射之比。 尺寸包括集熱器蓋層的寬度、長度。

(10)吸熱體蓋板。

吸熱體蓋板是太陽能集熱器中位于吸熱體周圍的元件,用于保護吸熱體并減少熱損。

(11)吸熱體。

吸熱體是太陽能集熱器中吸收輻射太陽能并將其以熱量的形式傳遞到流體中的元件。 吸熱器分為真空管吸熱器和腔體式吸熱器[7]。 從目前的應用來看, 真空集熱管的熱損失較小, 可大規模生產[8]。 腔體式吸熱器集熱效率高, 但工藝復雜, 有一定難度,目前不適合大規模生產[9]。 吸熱體將根據材料,吸收比、發射率、入口直徑、出口直徑、是否真空等參數進行描述。 根據《太陽能熱利用術語》(GB/T 12936—2007)中的定義[6],吸收比是表面元件吸收的能量通量對入射在其上的輻射的比。 發射率是材料在相同條件下從其表面發出的輻射能與黑體發出的輻射能之比。

(12)總面積。

根據《太陽能熱利用術語》(GB/T 12936—2007)中的定義[6],集熱器的總面積是指整個集熱器的最大投影面積。 集熱器的總面積中寬度對應于接受太陽輻射(投影平面)的平面的寬度,包括相鄰反射器之間的間隙。 集熱器的總面積中長度還包括組成集熱單元的相鄰反射器之間的間隙。

(13)焦距。

焦距是指拋物線頂點與焦點之間的距離。 在槽形拋物面集熱器中,接收器位于焦點線上。

(14)幾何聚光比。

根據《太陽能熱利用術語》(GB/T 12936—2007)中的定義[6],幾何聚光比是指聚光型集熱器采光面積與吸熱體面積之比。

(15)邊緣角度。

邊緣角度是指在槽形拋物面集熱器中,光軸與焦點和反射器邊緣(鏡邊)之間的線所夾的角度。

(16)采光角度。

采光角度是指在不移動位置的情況下,集熱器能夠接收到的所有或幾乎所有光線的角度范圍。

(17)集熱器性能。

集熱器性能主要指集熱器效率。 根據《太陽能熱利用術語》(GB/T 12936—2007)中的定義[6],集熱器效率即在穩態(或準穩態)條件下,集熱器傳熱工質在規定時段內輸出的能量與同一時段內入射在集熱器所規定的集熱器面積(總面積、吸熱體面積或采光面積)上的太陽輻照量的乘積之比。

(18)滯止溫度。

滯止溫度是指在傳熱工質停止流動,但集熱器繼續接收太陽輻射時,太陽能加熱系統所達到的準穩態時的溫度。

(19)認證情況。

認真情況為集熱器完成的認證方案類型,例如歐洲常見的Solar KeyMark 認證和和美國常見的SRCC認證。

2 集熱器的性能參數計算

根據《太陽能集熱器性能試驗方法》(GB/T 4271—2021)[10],需用公式(1)所示的集熱器的瞬時效率η和溫度的函數描述集熱器的性能。

式中:η為集熱器的瞬時效率;η0為峰值效率截距;tm為集熱器進出口工質的平均溫度;ta為環境溫度;G為輻照度;a1為一次項系數;a2為二次項系數。

根據文獻[5]中使用的測試方法,聚光集熱器是在準動態條件(QDT)下進行的,集熱器模型由公式(2)表示。 公式(2)中的3 個附加參數C3、C4和C6,在此方法中具備定義,但對于聚光集熱器來說可以忽略。

式中:η0,b為基于光束輻照度的光學效率;c1為熱損系數;Kb為直接輻射的入射角修正系數;Kd為散輻射的入射角修正系數;c2為溫度依賴性的熱損失系數;c5為有效熱容量。

為了比較穩態和準動態條件下的兩種方法的結果,Solarenergy—solarthermalcollectors—testmethods(ISO 9806—2017)[11]中定義了如何計算參數并將其表示為熱曲線圖。 效率應根據公式(2)計算,使用G=1 000 W/m2的值和 15 % 的擴散分數,即Gb=150 W/m2。 參數dTm/dt設置為零。 入射角設置為0°,因此IAMKb設置為1。 準動態條件下的熱損失系數(C1和C2) 等于穩態條件下的熱損失系數(a1和a2)。

3 數據庫的錄入信息

在表1 對中溫太陽能集熱器主要參數歸類的基礎上,為了完整地描述數據庫中的每個樣本,需在系統中按照表2 中的錄入項目進行錄入。

表2 數據庫錄入信息

4 數據庫的形式及應用模擬

數據庫的原始數據是由集熱器應用現場的相關廠家和專業人員提供,經系統維護人員核實后錄入,后續則是以多方合作的模式進行維護和更新,具體流程如圖4 所示。

圖4 中溫太陽能集熱器的參數數據庫信息流轉流程

考慮到后續更新和使用的便利性,數據庫擬制作為在線表格形式,以便技術供應商、研究人員、工程師以及用戶共同維護。 此處以識別信息的數據錄入頁為例,如圖5 所示。

假設根據制造商及現場專業人員提供的信息,維護人員已在數據庫中錄入了H 省全省的中溫太陽能集熱器數據,便可以通過查詢頁面調出相關信息,查詢頁面如圖6 所示。

圖6 集熱器查詢頁面

如圖6 所示,在查詢頁面里輸入相應信息后,可調出H 省C 市全區域集熱器占比扇形圖頁面,具體形式如圖7 所示。 雙擊圖7 中任意一個扇形區域,則可進一步查詢到該類型集熱器的細分信息,例如雙擊真空管集熱器所屬的扇形區域并選擇跟蹤類型這一信息,便可打開H 省C 市真空管集熱器跟蹤類型占比情況的扇形圖,具體形式如圖8 所示。

圖7 各類型集熱器占比

圖8 集熱器跟蹤類型占比

根據圖7 和圖8 中的信息,專業人員可以對H 省C 市的中溫集熱器的使用情況提出兩點推測:一是H省C 市可能常有云霧天氣,或冬季較為漫長,故而多采用在此類情況下效果更好的真空管型集熱器; 二是H 省C 市集熱器安裝空間較為緊張,或主要在建筑密集的市區應用,故而采用固定型的集熱器。 有了推論之后,便可結合推測去查詢天氣和衛星地圖等相關資料或者實地考察,驗證推測是否屬實,進而向數據庫的維護人員進行反饋,經核實后對數據庫進行更新。此舉例只是整個系統的一部分,前文提到的中溫集熱器相關參數信息,都可以類似方式在系統中展開。

5 結語

目前,大數據在太陽能光電領域已經有了一定的應用規模,成效也非常顯著,但在太陽能光熱領域的應用還非常有限,如果將大數據應用到太陽能光熱利用領域,未來產生的效益將會非常可觀。 本文所提的中溫太陽能集熱器數據庫,即是對大數據在太陽能光熱利用領域運用的一種探索。 數據庫對市面上紛繁的中溫太陽能集熱器進行了歸納,并提供了統一的性能計算方式,使現有集熱器的詳細數據參數能夠被錄入一個統一標準的數據庫。 數據庫以在線表格形式展現,能夠及時且直觀地向產品設計人員和用戶提供有效信息。 制造商和技術人員在核實后可在數據庫上對集熱器的信息進行修訂,用戶亦能對數據庫中的信息提出疑問和反饋。 中溫太陽能集熱器數據庫若能搭建成功,不但可以方便從業人員和用戶,更有助于推進行業發展。