劉世豪，王 偉

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

海南熱帶環(huán)境下儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)

劉世豪，王 偉

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

針對(duì)海南省太陽(yáng)能熱利用成本高的問(wèn)題，探索了一種符合海南省熱帶環(huán)境特點(diǎn)的太陽(yáng)能利用系統(tǒng)。收集整理海南省代表性城市月平均太陽(yáng)總輻射量，分析了海南省太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布規(guī)律。采用儲(chǔ)熱材料和顯熱儲(chǔ)熱方式設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能利用系統(tǒng)。結(jié)合海南省太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)帶有機(jī)械齒輪和發(fā)條裝置的單面聚光器與“組合式”聚光器，有效降低了因太陽(yáng)方位變化對(duì)透鏡聚光效率的影響，提高了菲涅爾透鏡的聚光效率，并對(duì)該系統(tǒng)的發(fā)條裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)比分析該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)與普通家用電飯煲的能耗量，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。研究結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)具有良好的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)。

熱帶環(huán)境；菲涅爾透鏡；優(yōu)化設(shè)計(jì)；儲(chǔ)熱材料；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

0 引言

海南省地處中國(guó)熱帶地區(qū)，有著得天獨(dú)厚的熱帶環(huán)境資源，四季陽(yáng)光充沛，太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富。目前，海南省在熱帶環(huán)境資源利用方面主要體現(xiàn)在太陽(yáng)能的熱利用上，但普及率不高。在太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能海水淡化等方面，近些年雖有所發(fā)展，但使用成本較高，導(dǎo)致其在推廣上存在一定的局限性[1]。對(duì)于長(zhǎng)期從事捕魚作業(yè)的海南漁民而言，有效地利用太陽(yáng)能可解決他們?cè)诤Ｉ仙畹哪茉磫?wèn)題，豐富海南省太陽(yáng)能熱利用的門類。尤其是海南省三沙市剛成立不久，生活基礎(chǔ)設(shè)施還不夠齊全，三沙市漁民和官兵的日常生活能源主要靠外來(lái)補(bǔ)給，然而，三沙市所在區(qū)域的日照較為充足，這為將太陽(yáng)能用于日常生活提供了有利的條件?？紤]到海南省豐富的熱帶環(huán)境資源與其開(kāi)發(fā)利用上的不對(duì)稱性，探索一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)是十分必要的。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為，目前太陽(yáng)能的熱儲(chǔ)存主要分為3種形式：利用物質(zhì)升(降)溫時(shí)吸(放)熱特性的顯熱儲(chǔ)熱方式；利用物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)的吸放熱特性的潛熱儲(chǔ)熱方式；利用可逆化學(xué)吸放熱反應(yīng)特性的化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱方式。這3種儲(chǔ)熱方式中，顯熱儲(chǔ)熱方式的原理最簡(jiǎn)單、材料來(lái)源最豐富、成本最低廉；潛熱儲(chǔ)熱方式相比于顯熱儲(chǔ)熱方式，雖具有單位體積儲(chǔ)熱密度大的優(yōu)點(diǎn)，但材料在相變過(guò)程中具有高腐蝕性，價(jià)格也相對(duì)較高，這大大限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)顯熱儲(chǔ)熱方式中的儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了研究，以熔融鹽作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱材料及傳熱介質(zhì)，不僅可以提高熱交換效率和導(dǎo)熱溫度，減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的質(zhì)量，而且還能大大降低成本，減小對(duì)環(huán)境的危害。

針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)成本高、使用不便等問(wèn)題，本文結(jié)合海南省熱帶環(huán)境的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)海南省尤其是三沙市的太陽(yáng)實(shí)際輻射強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及相關(guān)對(duì)比分析，證明該系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的可行性，并探究其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，從而為海南省的太陽(yáng)能熱利用提供了新的思路。

1 海南省太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知：海南省太陽(yáng)能資源理論儲(chǔ)量為1.71×1022J/年，年平均太陽(yáng)能總輻射量為 4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照時(shí)數(shù)為2 166 h。表1是根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]整理得到的海南省代表性城市月平均太陽(yáng)總輻射量。

表1 海南省代表性城市月平均太陽(yáng)總輻射量 MJ/m2

表1中的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB軟件分析后，擬合出海南省月平均太陽(yáng)總輻射量Qm隨月份變化的關(guān)系式：

Qm= -10.2t2+130.7t+156.6，

(1)

其中：Qm為海南省的月平均太陽(yáng)總輻射量，MJ/m2；t為月份。由式(1)可以得出：海南省的月平均太陽(yáng)總輻射量與月份間基本滿足二次函數(shù)分布；在6～7月份，月平均太陽(yáng)總輻射量達(dá)到最大。

2 儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的構(gòu)造

為了降低因太陽(yáng)方位變化而對(duì)菲涅爾(Fresnel)透鏡聚光效率的影響，根據(jù)海南省熱帶環(huán)境下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布規(guī)律，并從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性考慮，本文針對(duì)該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中的聚光器，提出了兩種改進(jìn)方案。第1種是在傳統(tǒng)的聚光器主支撐軸上安裝機(jī)械齒輪及發(fā)條機(jī)構(gòu)，通過(guò)人工上條操作，使聚光透鏡的正聚光面能跟隨太陽(yáng)的移動(dòng)而移動(dòng)，從而增加太陽(yáng)光垂直入射到聚光透鏡上的概率[9-12]。第2種是將傳統(tǒng)的單面聚光器改為多面“組合式”聚光器，即利用多塊透鏡組合在一起聚光，通過(guò)增加透鏡的聚光面積來(lái)保證太陽(yáng)光在任何時(shí)刻都能夠有效地被“組合式”透鏡的某一部分聚集到同一區(qū)域(焦點(diǎn))，進(jìn)而提高聚光效率。

圖1 條盒輪剖視圖

2.1 機(jī)械追蹤裝置彈簧發(fā)條機(jī)構(gòu)優(yōu)化建模

機(jī)械追蹤裝置主要由彈簧發(fā)條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速齒輪行星輪系、中心主轉(zhuǎn)動(dòng)軸、復(fù)位機(jī)構(gòu)、支架及基座6部分組成。彈簧發(fā)條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為整個(gè)裝置的核心，主要由裝有螺旋形發(fā)條彈簧的條盒輪和擒縱機(jī)構(gòu)組成，其中，條盒輪中發(fā)條彈簧的設(shè)計(jì)為整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。條盒輪的剖視圖如圖1所示。設(shè)計(jì)發(fā)條彈簧主要是按照設(shè)計(jì)手冊(cè)反復(fù)計(jì)算取最優(yōu)值，該方法繁瑣且工作量大，本文結(jié)合發(fā)條彈簧的功能及性質(zhì)，探索其約束條件，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，通過(guò)MATLAB等軟件快速且準(zhǔn)確地求出其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1.1 發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)

將發(fā)條彈簧的3個(gè)設(shè)計(jì)變量(厚度、寬度和工作長(zhǎng)度)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，依次設(shè)為x1、x2和x3。以標(biāo)準(zhǔn)帶盒發(fā)條的體積最小為目標(biāo)，得到發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為：

(2)

2.1.2 發(fā)條彈簧的約束條件

在發(fā)條的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般應(yīng)綜合考慮發(fā)條彈簧的輸出力矩、發(fā)條彈簧厚度、發(fā)條彈簧寬度、空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、力矩變動(dòng)率和延時(shí)走時(shí)等方面的問(wèn)題[13-17]，故針對(duì)這些問(wèn)題確定發(fā)條彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件如下：

(Ⅰ)輸出力矩約束

最終設(shè)計(jì)的發(fā)條彈簧的最大輸出力矩應(yīng)大于阻力矩[Mmax]，其約束不等式為：

(3)

(Ⅱ)發(fā)條彈簧厚度和寬度約束

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，發(fā)條彈簧的厚度和寬度分別在[0.5,4]、[5.0,80]內(nèi)取值，其約束等式為：

(4)

(Ⅲ)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)約束

發(fā)條彈簧的最大圈數(shù)nmax應(yīng)大于空圈數(shù)n0(n0=1.0～3.5圈)，其約束不等式為：

(5)

(Ⅳ)力矩變動(dòng)率約束

為保證發(fā)條彈簧力矩輸出的穩(wěn)定性，要求其力矩變動(dòng)率小于許用力矩變動(dòng)率[B]，其約束不等式為：

(6)

(Ⅴ)延時(shí)走時(shí)約束

發(fā)條彈簧的力矩輸出時(shí)間應(yīng)該大于設(shè)計(jì)所需時(shí)間[T]，其約束不等式為：

(Ⅵ)發(fā)條彈簧制造條件約束

發(fā)條彈簧的工作長(zhǎng)度應(yīng)該大于其最短長(zhǎng)度，其約束不等式為：

(8)

式(2)～式(8)中：K為彈簧剛度，N/mm；b為發(fā)條彈簧的厚度，mm；h為發(fā)條彈簧的寬度，mm；σb為抗拉強(qiáng)度，Pa；xi(i=1,2,3)為設(shè)計(jì)變量，mm；m為強(qiáng)度因數(shù)；E為彈性模量，Pa；Lg為彈簧的工作長(zhǎng)度，mm；Lmin為發(fā)條彈簧的最短長(zhǎng)度，mm。

2.1.3 發(fā)條彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

針對(duì)上述約束條件，發(fā)條彈簧的最大輸出力矩為Tsmax、最小輸出力矩為Tsmin和最大理論力矩為Tmax，可根據(jù)工作需要求出而作為已知量，故可得到發(fā)條彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化模型：

(9)

圖2 儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

根據(jù)上述優(yōu)化模型，通過(guò)MATLAB軟件采用優(yōu)化算法進(jìn)行編程，即可快速準(zhǔn)確地得到發(fā)條彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而減少設(shè)計(jì)工作量，并提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

2.2 儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)

本文采用熔融鹽(硝酸鹽)為儲(chǔ)熱材料，并以顯熱儲(chǔ)熱方式構(gòu)造一種新的太陽(yáng)能利用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。該系統(tǒng)采用前文提出的機(jī)械追蹤裝置彈簧發(fā)條機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)路線圖

3 太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

對(duì)式(1)進(jìn)行積分，得到海南省的年平均太陽(yáng)總輻射量Q1為：

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知：海南省年平均太陽(yáng)能總輻射量為4 600～5 800MJ/m2，而由式(1)積分所得的海南省年平均太陽(yáng)能總輻射量為5 195.85MJ/m2，與文獻(xiàn)[6]相符。所以從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度而言，以式(1)作為海南省年平均太陽(yáng)輻射量的計(jì)算關(guān)系式是較為準(zhǔn)確的，由此得來(lái)的相關(guān)平均值也有一定的參考價(jià)值。取1年為365d，得到海南省每天的平均太陽(yáng)能輻射量Q2為：

由于式(1)是在實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合而來(lái)的，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度而言，式(1)已計(jì)入相關(guān)環(huán)境因素對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響,故Q2的值可作為1 d內(nèi)單位面積的菲涅爾透鏡表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值。

為方便計(jì)算，設(shè)聚光器上菲涅爾透鏡的總面積為A,設(shè)其聚光比為k，則經(jīng)聚光器聚焦后，接收器(儲(chǔ)熱材料)上每天的理論太陽(yáng)能平均輻射量Q3為：

Q3=kAQ2。

(10)

又由文獻(xiàn)[18]得，儲(chǔ)熱介質(zhì)為硝酸鹽時(shí)的蘭金(Rankine)循環(huán)效率為40%，故儲(chǔ)熱材料全部吸收太陽(yáng)輻射能后的理論平均放熱量Q4為：

Q4=Q3×(1-40%)= 0.6kAQ2，

(11)

也即儲(chǔ)熱材料平均每天的理論儲(chǔ)存熱量為Q4。

3.2 能耗量對(duì)比分析

取3口人家庭普遍使用的1.5 L電飯煲作為參照，對(duì)比分析上述儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的熱能利用效益。電飯煲功率為700 W，大約20 min可將米飯煮熟。

根據(jù)熱功的計(jì)算公式Q=Pt，得每煮1次米飯，上述電飯煲消耗的能量Q5為：

Q5=700 W×(20×60) s=8.40×105J，

此處暫不考慮電飯煲保溫時(shí)的能耗。

根據(jù)菲涅爾透鏡的實(shí)際參數(shù)情況，選取焦距為620 mm、聚光比為10、幾何尺寸為 520 mm×520 mm的菲涅爾透鏡(焦點(diǎn)處溫度可達(dá)500 ℃)進(jìn)行對(duì)比分析。因此，將A= 520×520 mm2= 0.27 m2、k=10,代入式(11)后可得：

Q4=(0.6×10×0.27) m2×14.24 MJ/m2= 2.31×107J，即經(jīng)由菲涅爾透鏡聚焦后，該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的儲(chǔ)熱材料平均每天理論儲(chǔ)存熱量為2.31×107J。

對(duì)比普通家用電飯煲的能耗量可得：該種儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)平均每天的儲(chǔ)熱量理論上可以煮熟 27.50 kg 米飯，可節(jié)約電能6.42 kW·h。文獻(xiàn)[19]研究表明：在火力發(fā)電中，每1 kW·h電能需 0.4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，每1 kg煤燃燒會(huì)產(chǎn)生0.68 kg粉塵、2.49 kg CO2、0.08 kg SO2和0.04 kg氮氧化物。依此類推，如果使用該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)收集1 d的熱量，平均每天可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2.57 kg，還可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵的排放。

通過(guò)以上比較分析可得：該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，而且還能在一定程度上減少大氣污染物的排放，從而保護(hù)了環(huán)境。

3.3 三沙市太陽(yáng)能利用系統(tǒng)儲(chǔ)能分析

圖4 三沙市月平均太陽(yáng)總輻射量的變化曲線

針對(duì)三沙市特殊的地理位置及其在能源利用方面對(duì)新能源的迫切需求，由表1中的數(shù)據(jù)，擬合出三沙市月平均太陽(yáng)總輻射量隨月份的變化曲線圖，如圖4所示。

三沙市的月平均太陽(yáng)總輻射量Q6隨月份變化的關(guān)系式為：

Q6= -12.4t2+159.7t+170.2。

(12)

根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程，同理可得：本文提出的儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)置于三沙市時(shí)，儲(chǔ)熱材料平均每天的理論儲(chǔ)存熱量為2.73×107J。由此類比得出，若該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)用于三沙市的能源供應(yīng)，平均每天可節(jié)約電能7.58kW·h，相當(dāng)于平均每天可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.03kg，進(jìn)而可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵的排放。

4 結(jié)論

(1)對(duì)聚光器提出了兩種改進(jìn)方案，即安裝機(jī)械齒輪發(fā)條機(jī)構(gòu)的單面聚光器和“組合式”聚光器，有效降低了因太陽(yáng)方位變化對(duì)透鏡聚光效率的影響，提高了菲涅爾透鏡的聚光效率，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)追蹤器的條件下達(dá)到有追蹤器條件下透鏡聚光的相似效果，從而降低了使用成本。

(2)本文建立的儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)以顯熱儲(chǔ)熱方式儲(chǔ)熱，以熔融鹽作為儲(chǔ)熱材料及傳熱介質(zhì)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的熱交換效率及材料的導(dǎo)熱溫度。該儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)平均每天可儲(chǔ)存2.31×107J的熱量，可節(jié)約電能6.42kW·h，相當(dāng)于平均每天可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2.57kg，可減少CO2、SO2、氮氧化物及粉塵排放。

(3)儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能利用系統(tǒng)能有效地利用熱帶環(huán)境優(yōu)勢(shì)，解決三沙市漁民和官兵日常生活的能源需求問(wèn)題，也能為三沙市的環(huán)境保護(hù)作出積極貢獻(xiàn)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405115)

劉世豪(1981-)，男，湖北天門人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì).

2016-07-29

1672-6871(2017)02-0025-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.005

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