聚光型光熱光伏一體機(jī)研究

路 靈

(山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034)

據(jù)估算，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1 018 kJ，全國各地太陽年輻射總量達(dá)335～837 kJ/cm2·a。設(shè)計了雙內(nèi)膽結(jié)構(gòu)800 L大容量太陽能熱水器，采用新型聚光型光熱光伏一體機(jī)，得熱量高，熱損低。蓄熱水箱和循環(huán)水箱集成一體，保溫層加厚，能保證連續(xù)陰雨3 d或10人使用熱水。聚光型真空管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，解決了高溫時的氣泡、沸騰、噴涌現(xiàn)象，集熱效率提高2%。集成離網(wǎng)光伏電站，光伏系統(tǒng)設(shè)計能滿足每天4 h 連續(xù)3個陰雨天的使用。

1 具體實施方案

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品由水箱、真空管組件、支架、光伏組件、LED燈帶等組成。水箱由上內(nèi)膽、下內(nèi)膽、支撐架、內(nèi)部骨架、外桶皮、保溫材料等組成，包括增壓泵、排氣管、外桶蓋、聯(lián)通管等部件。真空管組件包括導(dǎo)流管卡子、導(dǎo)流管、管口卡子、底部彈簧、真空玻璃管等。支架由上支腿、下支腿邊框等組成。水箱設(shè)有進(jìn)水口和出水口，上內(nèi)膽通過連通管與下內(nèi)膽連接，外桶皮套在內(nèi)部骨架上，支撐外桶皮，外桶皮和上內(nèi)膽及下內(nèi)膽之間填充有保溫材料。下內(nèi)膽設(shè)有一排真空管孔，連接真空管組件。支撐架設(shè)于上內(nèi)膽、下內(nèi)膽與外桶皮之間，是具有剛性的絕緣材料，將上內(nèi)膽、下內(nèi)膽和外桶皮支撐開，使水箱內(nèi)部形成空腔。水箱內(nèi)部集成光伏控制器組件，包括蓄電池和控制器。水箱的出水口連接增壓泵，真空管組件由真空管和導(dǎo)流管組成，水箱設(shè)有電池組件，安裝于支架上。進(jìn)水口與上內(nèi)膽連接，出水口與下內(nèi)膽連接，上內(nèi)膽的體積大于下內(nèi)膽的體積。

該技術(shù)高度集成化，把蓄熱水箱從室內(nèi)或室外獨立的空間搬到水箱內(nèi)膽中，與水箱一體，光伏板發(fā)電帶動電磁閥、循環(huán)泵及儀表，整個系統(tǒng)不用市電，同時帶動燈帶和燈箱等裝飾發(fā)光體。核心部件真空管采用導(dǎo)流管設(shè)計，冷熱水分層對流，系統(tǒng)集熱效果更好。

支架采用鍍鋅板加工，模具成型，通用性較強(qiáng)，適合不同的建筑屋面。光伏組件安裝在水箱上，離網(wǎng)控制系統(tǒng)帶動增壓泵、太陽能控制器、電磁閥等電控系統(tǒng)。LED燈帶安裝在水箱和支架周圍，起到美化和亮化的作用。

1.2 系統(tǒng)原理

聚光型光熱光伏一體機(jī)有2個系統(tǒng)，即光伏系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)分為集熱循環(huán)和蓄熱循環(huán)2個系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)除了電池板在水箱上面覆蓋，與水箱成為一體結(jié)構(gòu)，其他部件均設(shè)在水箱內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。太陽能熱水系統(tǒng)微循環(huán)系統(tǒng)，即上內(nèi)膽和下內(nèi)膽之間的循環(huán)通過直流泵來實現(xiàn)，其中上內(nèi)膽為儲熱水箱內(nèi)膽，下內(nèi)膽為集熱水箱內(nèi)膽。

熱水系統(tǒng)循環(huán)分為集熱器循環(huán)和用水末端管道循環(huán)兩部分，集熱循環(huán)在水箱內(nèi)部完成，管路循環(huán)保證一開即有熱水。光伏系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，控制器和蓄電池集成在水箱內(nèi)部。

2 實驗測試

2.1 真空管加導(dǎo)流管對比實驗

內(nèi)聚光膜式真空管較普通管的震動更為頻繁、劇烈，而冷熱沖擊及震動會使真空管內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微量變化，當(dāng)這種微量變化積累到一定程度后，就可能導(dǎo)致炸管。針對上述問題，M.Behnia等對真空集熱管流場進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，利用實驗裝置對傾斜放置的管子均勻加熱，觀察到在管子底部有一個明顯的停滯區(qū)，區(qū)域長度隨管壁溫度的升高而減少，對管子進(jìn)行分區(qū)加熱時發(fā)現(xiàn)，直徑方向當(dāng)上部溫度高于下部溫度時，管子底部沒有停滯區(qū)，當(dāng)上部溫度低于下部溫度時，管子底部有一個明顯的停滯區(qū)。停滯區(qū)的形成顯著降低了能量傳遞[1]。

根據(jù)氣液兩相流和沸騰傳熱原理，液體在高于其飽和溫度的壁面上的沸騰換熱過程屬于具有相變點的兩相流換熱，當(dāng)壁面溫度高于液體飽和溫度并達(dá)到一定值時，通常會在加熱表面的凹坑處產(chǎn)生汽化核心，形成氣泡。氣泡變大的過程會吸收大量的汽化潛熱，在脫離上升的過程中又會產(chǎn)生劇烈的擾動[2]。汽化核心的數(shù)量隨壁面過熱度的提高而增加，聚光型真空管的結(jié)構(gòu)與加熱流道類似，只要流道足夠長，入口為近飽和水，出口為單相蒸氣，隨著沿途含氣率的增大會依次發(fā)生各種流型，如單相液體、泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、彌散流、單相氣體流動等。由流型理論分析可知，聚光型真空管內(nèi)水柱沸騰時的狀態(tài)是泡狀流和彈狀流，在晴好天氣(輻照度大約在900 W/m2)，真空管中的水處于沸騰狀態(tài)，每個汽化核心處都會有汽泡，汽泡不斷吸收汽化潛熱并產(chǎn)生劇烈擾動，對真空管壁產(chǎn)生冷熱沖擊，將可能出現(xiàn)炸管問題[3]。

2.1.1 聚光產(chǎn)品加長導(dǎo)流管對比測試

實驗采用12支2.1 m內(nèi)聚光管太陽能熱水器2臺進(jìn)行對比測試，其中1臺為加裝導(dǎo)流管的內(nèi)聚光管熱水器，另1臺為普通內(nèi)聚光管熱水器。導(dǎo)流管材料為玻璃，選用φ30兩端開口的玻璃管，導(dǎo)流管和真空管之間用卡子定位，卡子和導(dǎo)流擴(kuò)片由不銹鋼薄板加工成形，具有一定的強(qiáng)度和彈性，抗腐蝕性強(qiáng)[4]。

導(dǎo)流管的設(shè)計目的是導(dǎo)出管內(nèi)積聚熱量，以解決高溫?zé)崃繜o法導(dǎo)出的問題。為驗證理論的可行性，取4個探頭分別置于導(dǎo)流管樣機(jī)水箱T2、管底T1、導(dǎo)流管管口和內(nèi)管管口，同時取兩探頭置于普通樣機(jī)水箱和內(nèi)管管底。記錄水箱溫度T4和管底溫度T3，取其差值，觀察差值變化，對比導(dǎo)流管樣機(jī)與普通樣機(jī)在管底積聚熱量排出的性能差異。

實驗結(jié)果表明，加裝導(dǎo)流管后的內(nèi)聚光管熱水器管底與水箱溫度差一般小于2.0℃，而普通內(nèi)聚光管熱水器管底與水箱溫度差一般在10℃左右，因此加裝導(dǎo)流裝置能有效地將管內(nèi)積聚的熱量導(dǎo)出。

2.1.2 短導(dǎo)流管對比測試

導(dǎo)流管改短，在普通真空管上作對比測試。對比小玻璃熱管和導(dǎo)流管性能差異，數(shù)據(jù)如表1所示。

3臺樣品均為20支2.1 m φ58真空管太陽能熱水器：樣品編號：RSQ210810022配置長1 mΦ37導(dǎo)流管；樣品編號：RSQ210810023配置Φ30小玻璃管；樣品編號：RSQ210810024配置長1 mΦ30導(dǎo)流管。

表1 3種真空管對比測試數(shù)據(jù)Tab.1 Comparative test data of 3 kinds of vacuum tubes

結(jié)合36支φ58真空管的溫升情況，不加導(dǎo)流管、加Φ37導(dǎo)流管與加Φ30導(dǎo)流管的溫升差別不大，即是否加導(dǎo)流管對溫升無影響，但加Φ30小玻璃管的溫升稍微高些，主要原因是真空管內(nèi)水少。

1臺φ58真空管太陽能熱水器、2臺φ84聚光管太陽能熱水器：樣品編號：RSQ210810025為36支2.1 m φ58真空管太陽能熱水器；樣品編號：RSQ210810026為26支2.1 m，配置84-47聚內(nèi)真空管、1 m長Φ37導(dǎo)流管；樣品編號：RSQ210810027為26支2.1 m，配置84-37聚內(nèi)真空管、Φ30小玻璃熱管。

表2 聚光型真空管對比測試數(shù)據(jù)Tab.2 Comparative test data of concentrating vacuum tube

在低溫區(qū)，帶小玻璃熱管的金雙騰溫升較好，到高溫區(qū)后，帶導(dǎo)流管的金雙騰溫升較好，小玻璃熱管的效率受到影響。加裝導(dǎo)流管的產(chǎn)品對解決聚光管炸管問題和提高熱效率具有積極作用。

2.2 保溫材料性能測試

因聚光型光熱光伏一體機(jī)結(jié)構(gòu)具有特殊性，整體發(fā)泡需要大型的發(fā)泡工作，外觀不是圓形，用聚氨酯發(fā)泡，發(fā)泡劑HCFC-141b為含氟發(fā)泡劑，生產(chǎn)出來的聚氨酯對大氣臭氧層有耗散作用。雖然利用HCFC-Hlb替代CFC-11，大氣臭氧層耗散指數(shù)有所降低，但并不是最佳的解決辦法。采用環(huán)戊烷做無氟發(fā)泡劑，但生產(chǎn)的聚氨酯易燃；采用全水發(fā)泡，但生成的聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)大，全水材料的穩(wěn)定性差，高溫下發(fā)泡料容易收縮，導(dǎo)致水箱變形脫蓋出現(xiàn)售后問題，水箱保溫性能降低，平均熱損系數(shù)增加，能效系數(shù)增大，熱水器整機(jī)性能降低。而采用245發(fā)泡劑發(fā)泡料成本較高，不利用推廣。因此，開發(fā)使用新型保溫材料是提高熱水系統(tǒng)整機(jī)性能的重要工作。

以下是對新型保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定及其在高溫下的熱穩(wěn)定性情況。

表3 各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定值Tab.3 Measured values of thermal conductivity of various thermal insulation materials

表4 酚醛板在高溫下尺寸穩(wěn)定性Tab.4 Dimensional stability of phenolic board at high temperature

通過對比測試，考慮加工工藝可行性及經(jīng)濟(jì)性，選擇珍珠巖作為保溫材料進(jìn)行樣機(jī)試制，局部如水嘴管口部分用聚氨酯發(fā)泡成型。與聚氨酯發(fā)泡料相比，不易成型，因此設(shè)計了骨架在水箱內(nèi)膽和外皮之間做支撐。支撐材料考慮熱橋問題，采用絕緣材料，使用強(qiáng)度較好、導(dǎo)熱性能低的歐松板切割成型作為內(nèi)部支撐，保證整個產(chǎn)品的外觀造型。

3 結(jié)束語

光熱光伏一體機(jī)不僅實現(xiàn)了太陽能熱水器的全自動運行，還將光熱和光伏有機(jī)結(jié)合在一起。在太陽能熱水器上配置電池板和LED輪廓燈、logo燈箱，電池板為logo燈箱和LED輪廓燈提供能源，既省電又可美化環(huán)境[5]。聚光型光伏光熱一體機(jī)為太陽能光熱光伏一體機(jī)的升級產(chǎn)品，水箱容量加大，可為控制器、循環(huán)泵供電，實現(xiàn)系統(tǒng)零耗電。