長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ■ 張政 黃永紅 蘭新如 王成 張柳

0 引言

隨著太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)的發(fā)展，目前的研究重點(diǎn)主要放在太陽(yáng)能集熱與建筑一體化上，國(guó)內(nèi)相關(guān)專家已做過(guò)許多類似的研究[1-5]?，F(xiàn)階段常用的太陽(yáng)能集熱器有平板型集熱器和真空管型集熱器，在使用過(guò)程中存在許多不足。如平板型集熱器易受各種環(huán)境的影響，散熱快、保溫效果差、無(wú)抗凍能力；平板式對(duì)臺(tái)風(fēng)的阻力大、抗臺(tái)風(fēng)能力差，玻璃平面受外來(lái)沖擊力大，抗冰雹能力差且易老化。而真空管集熱器玻璃易碎，抗沖擊能力差，最重要的是兩者都存在與建筑不能有機(jī)結(jié)合的缺點(diǎn)。因此，當(dāng)前急需解決的問(wèn)題有：提高太陽(yáng)能的集熱效率；設(shè)計(jì)使太陽(yáng)能集熱與建筑更好的一體化；使安裝更加方便；集熱器模塊化以適應(yīng)不同的負(fù)荷需求。

民用建筑的集熱器基本安裝在屋頂。屋頂分為平屋頂與坡屋頂，其中平屋頂占絕大多數(shù)。一些研究結(jié)果表明[6-9]，坡屋頂比平屋頂有著更好的隔熱、防水、保溫性能，而且外形美觀，又是中國(guó)傳統(tǒng)建筑最直觀的標(biāo)志。在建設(shè)“資源節(jié)約型與環(huán)境友好型”社會(huì)的過(guò)程中，“平改坡”作為其中最普遍的節(jié)能改造方式，已經(jīng)得到了事實(shí)的驗(yàn)證，并且具有廣闊的推廣價(jià)值。因此未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，坡屋頂建筑將是建筑的一個(gè)主要形式。對(duì)于太陽(yáng)能集熱器與坡屋頂如何有效的一體化結(jié)合，其研究就顯得非常有意義。

太陽(yáng)能集熱如何才能更好地與坡屋頂一體化，尚還有許多值得完善的地方。本文所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提高集熱效率以及與坡屋頂建筑完美地融合，適應(yīng)不同用戶的不同負(fù)荷需求，以及便于安裝的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)方案

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種坡屋頂建筑太陽(yáng)能一體化集熱模塊裝置。如圖1所示，本裝置實(shí)施的太陽(yáng)能集熱模塊包括兩個(gè)并排設(shè)置的集熱單元，集熱單元包括底座和集熱瓦，集熱瓦為弧形，底座兩端均固定有支撐豎板，集熱瓦固定在支撐豎板上；為了仿真建筑構(gòu)件瓦的外形結(jié)構(gòu)，達(dá)到與建筑外形一體化的目的，該模塊第一集熱單元的集熱瓦為上凸的弧形板，第二集熱模塊的集熱瓦為下凹的弧形板；第一集熱單元的底座、集熱瓦與第二集熱單元的底座、集熱瓦固定連接；支撐豎板與底座均由保溫層和與保溫層固定連接的吸熱板組成，支撐豎板固定在底座的保溫層上；第一集熱單元的支撐豎板高于第二集熱單元的支撐豎板，兩者高度差與集熱瓦的厚度相同；底座上固定有若干根收集集熱瓦反射的熱量的集熱管。底座上固定有若干個(gè)集熱管槽，集熱管固定在集熱管槽內(nèi)。

圖1 太陽(yáng)能集熱模塊

太陽(yáng)能集熱模塊瓦設(shè)計(jì)如圖2所示，集熱瓦包括本體以及下面的透鏡層。吸熱板由銅鋁合金制成，表面涂有吸熱涂層，采用藍(lán)色鍍膜、黑鉻技術(shù)鍍上吸熱涂層。

圖2 太陽(yáng)能集熱模塊瓦

如圖3所示，本裝置的組合包括一定位框架和固定在定位框架內(nèi)的若干個(gè)太陽(yáng)能集熱模塊，定位框架包括底板，底板相對(duì)兩邊各固定有一根匯總水管，兩根匯總水管兩端各通過(guò)一根邊框連接固定；定位框架長(zhǎng)度方向上固定有由多個(gè)太陽(yáng)能集熱模塊依次并排對(duì)接而成的連接體，相鄰兩個(gè)太陽(yáng)能集熱模塊的集熱瓦通過(guò)防水膠密封；定位框架寬度方向上依次固定有多行連接體，相鄰兩行連接體的集熱瓦通過(guò)密封材料密封；太陽(yáng)能集熱模塊的集熱管與定位框架上的匯總水管連通，兩根匯總水管分別連接進(jìn)水管和出水管；進(jìn)水管與建筑物內(nèi)自來(lái)水管網(wǎng)連通，出水管與建筑物內(nèi)集熱水箱連通；定位框架底板通過(guò)固定螺孔固定在坡屋頂屋面上，如圖4所示。

圖3 定位框架

圖4 集熱模塊裝置屋頂安裝示意圖

通過(guò)定位框架將太陽(yáng)能集熱模塊組裝成為一體式集熱系統(tǒng)，首先根據(jù)用戶熱水負(fù)荷量計(jì)算確定系統(tǒng)所需模塊數(shù)量，然后將各集熱模塊底座連接固定，并固定在定做的大小適合的定位框架底板上，將集熱管安放在底座上的集熱管槽中，兩端分別與底板上的進(jìn)水管、出水管連接。當(dāng)太陽(yáng)光照射在吸熱板上時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量經(jīng)過(guò)集熱管槽傳遞給集熱管，再將集熱瓦用膠水固定連接在支撐豎板上，相鄰?fù)叽罱硬⒂妹芊獠牧厦芊?例如防水膠)，組裝好的系統(tǒng)通過(guò)定位框架固定在坡屋頂上。進(jìn)水管連接自來(lái)水管網(wǎng)和定位框架上的一根匯總水管，集熱管通過(guò)接受透過(guò)集熱瓦的太陽(yáng)能加熱冷水，然后通過(guò)另一根匯總水管連接到出水管。這樣便完成了整個(gè)集熱過(guò)程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置所具有的效果為：太陽(yáng)能集熱模塊安裝方便、集熱效率高；建筑物坡屋頂集熱效率高、防水性能好，安裝方便，能滿足不同用戶的不同負(fù)荷需求。

2 技術(shù)參數(shù)

該模塊裝置具體的技術(shù)參數(shù)主要包括材質(zhì)、尺寸規(guī)格以及連接固定方式，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 光學(xué)分析

坡屋頂建筑太陽(yáng)能一體化集熱模塊裝置，在集熱效率上最主要的是在平板型集熱器基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)透明蓋板外形的改進(jìn)，采用透鏡集熱技術(shù)。其提高集熱效率的原理主要是通過(guò)改變光線的傳播方向，使得最大限度地吸收各個(gè)方向的太陽(yáng)光線(直射與散射)，并且匯聚到集熱管槽區(qū)域。

表1 技術(shù)參數(shù)表

光線透過(guò)玻璃時(shí)會(huì)發(fā)生折射，由于從低密度的介質(zhì)向高密度的介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，折射角大小會(huì)小于入射角，如果玻璃是平板形，光線會(huì)發(fā)生兩次折射，折射率未變，因此出射光線的角度與入射光線的角度不會(huì)發(fā)生變化，是平行關(guān)系。但是其光線從集熱瓦外側(cè)向內(nèi)側(cè)傳遞的過(guò)程由于集熱瓦的內(nèi)外弧度不一致，同樣發(fā)生兩次折射，但由于發(fā)生折射的法線之間存在角度的變化，使得兩次折射發(fā)生路徑變化，如圖5所示。

圖5給出了平板透光板與本模塊的集熱凸瓦與凹瓦對(duì)于光線垂直入射、水平入射與傾斜入射的折射光路，因?yàn)榧療嵬邽樽笥逸S對(duì)稱，所以只分析左半部分，其另外一部分效果是對(duì)稱的。根據(jù)折射光路可知，對(duì)于垂直入射的光線，平板透光板與集熱瓦折射后的方向基本相差不大；對(duì)于水平入射的光線，則平板透光板對(duì)光線沒(méi)有折射作用，而是平行于透光板在其上方穿過(guò)，集熱瓦對(duì)于水平入射的光線可使之光線向圓弧圓心處偏轉(zhuǎn)，使之能穿過(guò)集熱瓦射在其下面的平面上；對(duì)于傾斜入射的光線，平板透光板式平行偏移了一段距離，但方向沒(méi)有發(fā)生變化，而集熱瓦不但發(fā)生偏移，且光線方向也向著圓心偏轉(zhuǎn)。

圖5 不同方向入射光路圖

由以上分析可得，集熱瓦比平板透光板能多吸收水平入射的光線，而且能使其他方向的光線都向著圓心處發(fā)生有利偏轉(zhuǎn)，因此集熱瓦的光學(xué)性能使得有更多太陽(yáng)光能照射到其下的吸熱板以及集熱管區(qū)域，具有透鏡聚光集熱的作用，以此來(lái)作為集熱器的透光板，可使集熱效率與集熱溫度都有很大的提高。

4 結(jié)論

坡屋頂建筑太陽(yáng)能一體化集熱模塊裝置運(yùn)用了模塊化組裝，以及與坡屋頂建筑構(gòu)件在外形一體化的設(shè)計(jì)思維，同時(shí)利用了透鏡聚光集熱技術(shù)，并采用仿真瓦面的外形。通過(guò)集熱管與底座的組合，充分結(jié)合了平板集熱器與真空管集熱器的優(yōu)點(diǎn)。該裝置還可根據(jù)熱水負(fù)荷進(jìn)行模塊數(shù)量自由調(diào)整并組裝，自由適應(yīng)不同用戶的不同負(fù)荷需求。

該裝置改善了建筑的屋頂外觀，美化了建筑的整體環(huán)境，對(duì)“平改坡”工程、新農(nóng)村太陽(yáng)能普及，以及整治太陽(yáng)能集熱器帶來(lái)的視覺(jué)環(huán)境污染提供了可行的參考。同時(shí)經(jīng)過(guò)合理的理論驗(yàn)證，以及進(jìn)一步的改進(jìn)，這種坡屋頂建筑太陽(yáng)能一體化集熱模塊裝置將會(huì)有很好的市場(chǎng)需求，以及廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

[1] 朱九成, 杜秀菊, 朱蘇. 太陽(yáng)能熱水器給停水及遮光溫控裝置[J]. 可再生能源, 2013, 31(8): 103－105.

[2] 熊亞選, 吳玉庭, 馬重芳, 等. 槽式太陽(yáng)能聚光集熱器光熱性能初步試驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(12): 2087－2092.

[3] 章康, 郭學(xué)成, 李盼, 等. 加熱太陽(yáng)能熱水器管內(nèi)殘余冷水的裝置[J]. 可再生能源, 2013, 31(8): 106－108.

[4] 曾飛, 李洪濤, 郝智彪, 等. 具有均勻照度的高倍太陽(yáng)能聚光器[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(2): 338－342.

[5] 谷偉,王軍,余雷, 等. 聚光型熱管式真空集熱管的火用分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(7): 1218－1224.

[6] 吳雙應(yīng), 張巧玲, 肖蘭. 熱管式平板型太陽(yáng)集熱器熱性能的理論研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(7): 1212－1217.

[7] 夏佰林, 趙東亮, 代彥軍, 等. 蛇形流道太陽(yáng)能平板空氣集熱器集熱性能研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(9): 1560－1564.

[8] 許明, 鞠洪新, 徐奉友. 太陽(yáng)能跟蹤裝置風(fēng)載荷的計(jì)算方法[J]. 可再生能源, 2013, 31(2): 104－107.

[9] 李文卓, 許定佳, 張松, 等. 太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料—硫化鉛/凹凸棒石[J]. 可再生能源, 2013, 31(9): 21－25.