山東省昌樂市第二中學(xué) ■ 蔣博文

山東章丘強(qiáng)將陽光新能源設(shè)備廠 ■ 蔣強(qiáng)*

適用于嚴(yán)寒地區(qū)的碟式太陽能供暖鍋爐設(shè)計(jì)

山東省昌樂市第二中學(xué) ■ 蔣博文

山東章丘強(qiáng)將陽光新能源設(shè)備廠 ■ 蔣強(qiáng)*

提出一種適用于嚴(yán)寒地區(qū)的碟式太陽能供暖鍋爐設(shè)計(jì)方法。首先將碟式太陽能供暖鍋爐與其他類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，提出了碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)及15個相關(guān)技術(shù)參數(shù)的說明及計(jì)算方法；其次，將兩種設(shè)備在不同環(huán)境溫度下的功率和熱效率變化曲線進(jìn)行了對比；最后，以新疆富蘊(yùn)縣冬季蔬菜大棚實(shí)驗(yàn)基地為研究對象，設(shè)計(jì)了36 m2碟式太陽能供暖鍋爐，并給出了設(shè)計(jì)方法和技術(shù)參數(shù)。應(yīng)用于富蘊(yùn)縣蔬菜大棚太陽能供暖項(xiàng)目的成功，充分驗(yàn)證了碟式太陽能供暖鍋爐在高寒地區(qū)供暖的可靠性和高效率。

碟式太陽能供暖鍋爐；嚴(yán)寒；采光面積

0 引言

霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)?；茉吹南牧考眲∨噬?，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(tài)環(huán)境的破壞。遍布城鄉(xiāng)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(qū)，城郊、小城鎮(zhèn)和農(nóng)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(jù)調(diào)查，北京農(nóng)村家庭平均年用煤3 t，僅冬季采暖用煤就達(dá)2.5 t，78%的家庭認(rèn)為采暖負(fù)擔(dān)重。全國政協(xié)調(diào)研組就建筑節(jié)能問題提交的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，按目前的趨勢發(fā)展，到2020年，我國的建筑能耗將達(dá)到10.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。10.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于北京五大電廠煤炭合理庫存的400倍。據(jù)估算，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤按我國的發(fā)電成本進(jìn)行折合，約為2700 kWh，那么，到2020年，我國的建筑能耗將達(dá)29430億kWh，比三峽電站34年的發(fā)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(tǒng)，是順應(yīng)國家發(fā)展規(guī)劃及調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yán)寒地區(qū)或高寒地區(qū)，是最需要供暖的地區(qū)，太陽能供暖在這些地區(qū)的市場潛力巨大。找到適合嚴(yán)寒地區(qū)使用條件的太陽能供暖設(shè)備，成為嚴(yán)寒或高寒地區(qū)供暖需要解決的關(guān)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(qū)得到應(yīng)用。但在我國嚴(yán)寒地區(qū)，真空管型太陽能集熱器的供暖效率會迅速降低，甚至?xí)l(fā)生故障，無法繼續(xù)向建筑物內(nèi)供暖。本文提出一種適用于嚴(yán)寒地區(qū)的碟式太陽能供暖鍋爐的設(shè)計(jì)方法，可解決嚴(yán)寒地區(qū)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(jié)構(gòu)及參數(shù)

太陽能供暖系統(tǒng)一般包括太陽能集熱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)圖

本文提出的在嚴(yán)寒地區(qū)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 適用于嚴(yán)寒地區(qū)的碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

1)碟式太陽能供暖鍋爐安裝有雙軸自動跟蹤太陽系統(tǒng)，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(huán)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(yán)寒氣溫下，不會因熱脹冷縮導(dǎo)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(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，傳熱效率高，不會產(chǎn)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(qū)太陽能供暖工程中應(yīng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)中，對真空管型太陽能集熱器的熱損系數(shù)規(guī)定為：無反射器的集熱器總熱損系數(shù)應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)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(dāng)太陽輻照度為950 W/m2時，聚光鏡反射聚焦到焦點(diǎn)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(jìn)行理論計(jì)算。當(dāng)環(huán)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(dāng)環(huán)境溫度降至-40 ℃時，環(huán)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(huán)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(jì)。但碟式太陽能供暖鍋爐的熱量傳輸管道在低溫環(huán)境下會增加熱損[4-7]。

對不同環(huán)境溫度下的碟式太陽能供暖鍋爐燒水效率進(jìn)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(dāng)環(huán)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(huán)境溫度下的功率變化曲線進(jìn)行對比，對比結(jié)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(huán)境溫度下的功率變化

對兩種設(shè)備在不同環(huán)境溫度下熱效率變化曲線進(jìn)行對比，更能夠發(fā)現(xiàn)兩者的明顯差異，對比結(jié)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(huán)境溫度下的兩個設(shè)備的熱效率變化

2 碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)晴天最高溫度。晴天時，拋物面鏡反射匯聚到焦點(diǎn)處的太陽光斑的最高溫度，可用高溫測溫計(jì)測量。

4)額定功率。在規(guī)定的工況下，碟式太陽能供暖鍋爐吸熱器內(nèi)的傳熱介質(zhì)在單位時間內(nèi)所獲得的熱量，可用碟式太陽能供暖鍋爐單位時間內(nèi)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(jì)算所得數(shù)據(jù)代入式(4)，可計(jì)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(yùn)行軌跡的方式。自動跟蹤器首先通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定碟式太陽能供暖鍋爐所處的地理經(jīng)度、緯度及實(shí)時時間，自動跟蹤器內(nèi)的單片機(jī)會根據(jù)地理經(jīng)緯度和時間，通過內(nèi)存的太陽天文運(yùn)行軌跡參數(shù)，自動計(jì)算出該地點(diǎn)太陽的精確位置并發(fā)出指令，控制東、西、南、北驅(qū)動電機(jī)的啟停，驅(qū)動碟式太陽能供暖鍋爐對太陽進(jìn)行實(shí)時跟蹤。天文計(jì)算跟蹤精度2°以內(nèi)，在雨雪、大霧等無太陽光照的情況下對太陽進(jìn)行閉環(huán)跟蹤。晴天時，當(dāng)?shù)教柲芄┡仩t通過GPS衛(wèi)星定位和天文計(jì)算，跟蹤精度進(jìn)入5°以內(nèi)時，自動跟蹤器自動啟動光控跟蹤模式，實(shí)現(xiàn)對太陽的高精度開環(huán)跟蹤。光控跟蹤的最高精度可達(dá)到0.01°。

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

7)自動跟蹤系統(tǒng)每小時耗電量。自動跟蹤器、東西跟蹤電機(jī)、南北跟蹤電機(jī)和自動跟蹤系統(tǒng)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(zhì)。吸熱器吸收太陽焦斑熱量后，把熱量傳輸至建筑物內(nèi)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(zhì)有：防凍液、導(dǎo)熱油、水蒸氣等。

9)傳熱介質(zhì)循環(huán)方式。傳熱介質(zhì)在循環(huán)管道內(nèi)的流動方式，一般有自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)和“自然＋強(qiáng)制”3種循環(huán)方式。所謂的自然循環(huán)，就是以冷熱傳熱介質(zhì)密度差而產(chǎn)生的壓力差為動力，驅(qū)動管路里的傳熱介質(zhì)流動；強(qiáng)制循環(huán)不是以傳熱介質(zhì)密度差所形成的動力來循環(huán)流動，而是依靠泵作為動力來實(shí)現(xiàn)傳熱介質(zhì)的循環(huán)流動；同時具備自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)功能的為“自然+強(qiáng)制”循環(huán)。

10)控溫方式是指控制傳熱介質(zhì)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(nèi)，用來加熱建筑物內(nèi)的氣溫。常見的有：散熱片散熱、地暖盤管散熱、風(fēng)機(jī)散熱等。

12)建筑物內(nèi)溫度是指被供暖建筑物內(nèi)的溫度，用溫度計(jì)測量。

13)凈重指碟式太陽能供暖鍋爐未加注傳熱介質(zhì)時的重量，用稱重儀稱量。

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

3 工程案例應(yīng)用

3.1 案例環(huán)境條件概述

富蘊(yùn)縣位于號稱“第二寒極”的新疆阿勒泰地區(qū)。富蘊(yùn)縣冬季蔬菜大棚實(shí)驗(yàn)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(yùn)縣日照充足，年平均日照時數(shù)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(yùn)縣冬季蔬菜大棚實(shí)驗(yàn)基地需要增加輔助供暖設(shè)備，實(shí)驗(yàn)基地缺乏電力和天然氣供應(yīng)，本文設(shè)計(jì)采用36 m2碟式太陽能供暖鍋爐作為輔助能源。該實(shí)驗(yàn)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(shè)情況如圖4所示。

圖4 富蘊(yùn)縣蔬菜大棚地暖盤管鋪設(shè)示意圖

3.2 富蘊(yùn)縣冬季蔬菜大棚實(shí)驗(yàn)基地碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)

富蘊(yùn)縣冬季蔬菜大棚實(shí)驗(yàn)基地36 m2碟式太陽能供暖鍋爐的技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)

3.3 效果驗(yàn)證

由于富蘊(yùn)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(shù)據(jù)供參考。該實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(nèi)溫度逐漸降低，到黎明時，棚溫已經(jīng)降到0℃以下，低溫對棚內(nèi)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(yùn)行，經(jīng)過實(shí)際測溫，晚間大棚內(nèi)的氣溫以每天0.2 ℃的速度逐步升高，經(jīng)過兩個月的連續(xù)運(yùn)行，大棚內(nèi)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(nèi)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(jié)論

本文提出的碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，可依據(jù)碟式太陽能供暖鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法設(shè)計(jì)應(yīng)用于不同環(huán)境和能源需求的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于新疆富蘊(yùn)縣蔬菜大棚太陽能供暖項(xiàng)目的成功，充分驗(yàn)證了碟式太陽能供暖鍋爐在高寒地區(qū)供暖的可靠性和高效率，為高寒地區(qū)太陽能供暖探索出了一條可行之道，對我國的節(jié)能減排和霧霾治理具有積極的推動作用。

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光伏信息

2020年亞太地區(qū)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(yù)計(jì)將由2015年的137.4億美元增至2020年的166.7億美元，年復(fù)合增長率為5%。

該公司的研究報(bào)告指出，為服務(wù)于日益增長的電力需求，需要擴(kuò)大和升級現(xiàn)有的分布式基礎(chǔ)設(shè)施，這將在可預(yù)見的未來促使分布式變壓器市場積極增長。在亞太地區(qū)的新興經(jīng)濟(jì)區(qū)和中東地區(qū)，大量的電站容量增加、經(jīng)濟(jì)增長，以及電力的改善都促使并網(wǎng)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(xiàn)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(fā)達(dá)國家，如英國和德國，它們的并網(wǎng)系統(tǒng)日益老化，需要對分布式基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級，這就為分布式變壓器市場的發(fā)展提供了契機(jī)。在發(fā)展中國家，預(yù)計(jì)分布式變壓器市場將經(jīng)歷巨大增長。以亞太地區(qū)為例，隨著各國產(chǎn)業(yè)化和鄉(xiāng)村電氣化進(jìn)程的日益加劇，并網(wǎng)負(fù)荷加大，該地區(qū)2020年分布式變壓器市場將達(dá)76.6億美元。

Swati Gupta說道：“由于低成本的優(yōu)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(qū)對電力的高需求，也為分布式變壓器市場的發(fā)展創(chuàng)造了可能性。”

2016-08-02

蔣強(qiáng)(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