沈燕金， 許 龍， 馮 坤， 唐國俊， 汪秋霖， 李潤濤， 王 剛

( 1.云南省煙草公司文山州公司,云南文山 663000； 2.文山州煙草公司丘北縣分公司,云南丘北 663200；3.英美煙草遠(yuǎn)東煙葉有限公司，云南昆明 650011)

太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器性能測試研究

沈燕金1， 許 龍1， 馮 坤1， 唐國俊2， 汪秋霖2， 李潤濤3， 王 剛3

( 1.云南省煙草公司文山州公司,云南文山 663000； 2.文山州煙草公司丘北縣分公司,云南丘北 663200；3.英美煙草遠(yuǎn)東煙葉有限公司，云南昆明 650011)

摘要太陽能輔助熱源密集烤房是在普通密集烤房屋頂加裝太陽能集熱器，直接高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為空氣熱能，很好地起到節(jié)能減排的作用。對(duì)太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器進(jìn)行了性能測試研究，測定了進(jìn)出風(fēng)口的溫度和風(fēng)速以及太陽輻射等數(shù)據(jù)，計(jì)算出集熱器的瞬時(shí)效率和供熱系數(shù)，測試結(jié)果表明，采用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器平均瞬時(shí)效率和平均供熱最高，單層玻璃纖維陽光板次之，雙層玻璃纖維陽光板最低。

關(guān)鍵詞太陽能輔助熱源密集烤房；太陽能集熱器；性能測試

經(jīng)過近十年的迅猛發(fā)展，今天中國的烤煙產(chǎn)量已經(jīng)占到了世界產(chǎn)量的50%，已經(jīng)成為世界上最大的烤煙生產(chǎn)國，密集烤房已成為我國烤煙烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[1]。經(jīng)過多年的研究總結(jié),現(xiàn)在對(duì)煙葉烘烤已形成了一套完整的技術(shù)體系。但是，中國目前的烤煙烘烤都是建立在以傳統(tǒng)能源(煤)作燃料的基礎(chǔ)之上，以消耗大量的不可再生能源為條件。中國現(xiàn)在大約有一百萬座烤房，每烤1kg干煙需要1.5～2.0kg煤炭計(jì)，烘烤煙葉需要消耗煤炭225萬～300萬t[2]。太陽能烤房是在普通密集烤房屋頂加裝太陽能加熱室，直接高效地將太陽光能轉(zhuǎn)化為空氣熱能，能很好的起到節(jié)能減排的作用。為了減少煤炭資源消耗,降低煙葉烘烤過程中的溫室氣體排放量，增加煙農(nóng)收入，實(shí)現(xiàn)煙葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，文山州煙草公司從2008年開始在文山進(jìn)行“太陽能密集型烤房”的研究開發(fā)，2015年在文山州丘北縣推廣了50座太陽能烤房。玻璃板的透光性對(duì)太陽能烤房集熱器的效率供熱系數(shù)有一定的影響，為進(jìn)一步篩選透光性好、使用壽命長的透光材料。選用了單層玻璃纖維陽光板、雙層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃等3種不同的透光材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1太陽能供熱系統(tǒng)

1.1太陽能供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由圖1可知，太陽能集熱室長約8m、寬2m、高50cm,集熱室底部和四周采用彩鋼復(fù)合保溫板，厚度為50mm，彩鋼板厚度≥0.375mm，聚苯乙烯內(nèi)襯密度≥12kg/m3。板與板之間使用鋁合金槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，安裝時(shí)保證彩鋼復(fù)合保溫板的連接處密封完好。拼裝完成后，在集熱室的內(nèi)壁四周和底部采用橡塑保溫棉+石棉+鍍鋅鐵皮板進(jìn)行保溫處理。

1.2太陽能集熱器的最佳傾角為了獲得最大的太陽能量，必須使集熱器的采光面正午時(shí)垂直于太陽光線，即

α+S=90°

(1)

式中：S—集熱器與地平面的傾角；α—太陽高度角(太陽光線與地平面的夾角)。

由圖2可知，當(dāng)正午太陽在天頂以南時(shí)，即ψ>δ時(shí)，α<90°，且

α=90°-ψ+δ

(2)

式中：ψ—當(dāng)?shù)鼐暥?；δ—不同時(shí)間太陽赤緯角，與月份有關(guān)；當(dāng)正午太陽在天頂以北時(shí)，即ψ<δ時(shí)，α>90°，且

α=90°+ψ-δ

(3)

將(2)(3)分別代入(1)得 ：

S=ψ-δ

(4)

S=δ-ψ

(5)

這里，太陽赤緯δ可按烤煙季的平均值計(jì)算。故

S=|ψ-δ|

(6)

由以上計(jì)算可知，固定式集熱器的傾角以正午時(shí)太陽光線垂直地照射在集熱器的采光面上的原則來確定。但是，即使在同一個(gè)緯度上在不同的季節(jié)太陽的高度角也是不相同的。確定傾角時(shí)，只能根據(jù)整個(gè)使用期間的要求。若要得到最大的年日射量，集熱器應(yīng)面朝赤道，其傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥萚3]；如果要求冬季獲得最大日射量，傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°如果要求夏季獲得最大日射量則傾角要比當(dāng)?shù)鼐暥刃?0°。丘北的緯度是北緯24°，考慮該集熱器只在烤煙季(7、8、9月份)使用，所以傾角14度為吸熱板的最佳安裝傾角。

1.3太陽能集熱器供熱原理由圖1可知，太陽能集熱器兩端通過管道與烤房相連，集熱器與烤房加熱室相連接的管道為前管道，裝煙室與集熱器相連接的管道為后管道，管道與集熱器之間安裝有電動(dòng)風(fēng)門，在烤房適當(dāng)位置安裝循環(huán)風(fēng)機(jī)。在集熱器出口處和裝煙室中部安裝感溫探頭，當(dāng)溫差大于設(shè)定值時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)風(fēng)門同時(shí)開啟，通過前管道向烤房內(nèi)部輸送熱空氣，同時(shí)烤房內(nèi)的冷空氣通過后管道輸送至太陽能集熱室進(jìn)行循環(huán)加熱。當(dāng)溫差小于設(shè)定值時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)風(fēng)門同時(shí)關(guān)閉，太陽能循環(huán)停止。

2三種透光材料集熱器的供熱系統(tǒng)性能測試對(duì)比

2.1性能分析原理太陽能供熱系統(tǒng)的性能可用集熱器熱效率ηT和系統(tǒng)供熱系數(shù)COPT來表示[4]。前者反映太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿男?；后者等于集熱器?nèi)空氣實(shí)際得熱與太陽能供熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗的比值，它反映了系統(tǒng)的供熱效率。

(7)

(8)

2.2性能測試

2.2.1試驗(yàn)材料。太陽能輔助熱源密集烤房3座，太陽能集熱器分別采用單層玻璃纖維陽光板、雙層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃，吸熱板采用蘭鉻鍍層的波浪型鋁板。集熱器總采光面積為16m2,風(fēng)機(jī)功率0.37 kW，雙層玻璃纖維陽光板、單層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃的透過率分別為85%、89%、93%。

2.2.2觀察記載項(xiàng)目。開啟太陽能風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)，從上午9：00至下午16:00，每一個(gè)小時(shí)記錄一次裝煙室溫度、環(huán)境溫度、集熱器進(jìn)口溫度、集熱器出口溫度、集熱器出口風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度。

2.2.3結(jié)果與分析。集熱器進(jìn)口溫度、集熱器出口溫度、集熱器出口風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度直接記錄得到，集熱器的瞬時(shí)效率和供熱系數(shù)由公式(7)、(8)計(jì)算得到。表1、2、3分別列出了太陽能供熱系統(tǒng)透光材料采用低鐵布紋鋼化玻璃、單層玻璃纖維陽光板和雙層玻璃纖維陽光板的測試數(shù)據(jù)。從表1、2、3可以看出其中透光材料使用低鐵布紋鋼化玻璃集熱器的平均瞬時(shí)效率和平均供熱系數(shù)最高，分別為44.0%和13.7，該效率接近國際同類集熱器的效率，供熱系數(shù)也達(dá)13.7，即太陽能供熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)耗1kW電能,可獲得13.7kW的熱能。透光材料使用單層玻璃纖維陽光板集熱器的平均瞬時(shí)效率和平均供熱系數(shù)比使用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器低2.8%和0.8，透光材料使用雙層玻璃纖維陽光板集熱器的平均瞬時(shí)效率和平均供熱系數(shù)是三者中最低的，比使用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器低3.5%和1.2。通過比較雙層玻璃纖維陽光板、單層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃的透過率。故可進(jìn)一步得出結(jié)論，太陽能輔助熱源密集烤房集熱器所使用透光材料對(duì)集熱器性能有一定的影響，透過率越高，集熱器的瞬時(shí)效率和供熱系數(shù)就越高，供熱性能就越好。

表1　低鐵布紋鋼化玻璃材料集熱器的效果

注:t0為環(huán)境溫度；t1為集熱器進(jìn)口溫度；t2為集熱器出口溫度；△t為進(jìn)出口溫差；I為輻射強(qiáng)度；ηT為瞬時(shí)熱效率；G為送風(fēng)量；Q為有效得熱量(下表同)。

表2　單層玻璃纖維陽光板集熱器的效果

表3　雙層玻璃纖維陽光板集熱器的效果

3結(jié)論

傾角14度為太陽能輔助熱源密集烤房集熱器吸熱板的最佳安裝傾角；透光材料使用低鐵布紋鋼化玻璃集熱器的平均瞬時(shí)效率可達(dá)44.0%，該效率接近國際同類集熱器的效率，平均供熱系數(shù)為13.7，即太陽能供熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)耗1 kW電能,可獲得13.7 kW的熱能。太陽能輔助熱源密集烤房集熱器所使用透光材料對(duì)集熱器性能有一定的影響，透過率越高，集熱器的瞬時(shí)效率和供熱系數(shù)就越高，供熱性能就越好。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐秀紅，孫福山，王永，等．我國密集烤房研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討[J]．中國煙草科學(xué)，2008，29(4)：54-56.

[2] 王文超，賀帆，徐成龍，等．煙葉烘烤節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展[J]．南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，42(10)：1267-1270.

[3] 張小電，王改成．太陽能熱水器集熱器安裝位置、方向和傾角的確定[J]．新能源，1999，21(9)：24-26.

[4] 張璧光．太陽能熱泵聯(lián)合干燥木材的實(shí)驗(yàn)研究[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2007，28(8)：870-873.

中圖分類號(hào)S214.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)30-390-03

基金項(xiàng)目云南省煙草公司科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013YN34)。

作者簡介沈燕金(1983- )，男，云南陸良人，碩士,助理農(nóng)藝師，從事煙葉生產(chǎn)技術(shù)工作。

收稿日期2015-09-28

TheTestingResearchonPerformanceofSolarThermalCollectorInstalledinSolarEnergyAuxiliaryHeatSourceBulkCuringBarn

SHENGYan-jin,XULong,FENGKunetal(WenshanBranchofYunnanTobaccoCompany,Wenshan,Yunnan663000)

AbstractSolar energy auxiliary heat source bulk curing barn is the curing barn whose roof is installed solar thermal collector, which can directly and efficiently convert solar energy into heat energy and have the effect of energy conservation and emission reduction. The performance of solar energy auxiliary heat source bulk curing barn using different glazing material is studied, the temperature and wind speed of import and export and solar radiation are tested, the instantaneous efficiency and heat coefficient of solar thermal collector are calculate. The results prove that: the low iron tempered glass cloth has the highest average instantaneous efficiency and average heat coefficient, sunlight single-layer glass fiber board next, double deck glass fiber board has the lowest average instantaneous efficiency and average heat coefficient .

Key wordsSolar energy auxiliary heat source bulk curing barn; Solar thermal collector; Performance test