太陽能地下跨季節儲熱實驗平臺

摘要介紹了一種用于太陽能地下跨季節長期蓄熱的實驗教學與研究平臺。該實驗平臺通過聚焦式同步跟蹤太陽能集熱器將采集到的太陽能熱蓄存到地下經防滲、保溫處理的混凝土蓄熱樁內，從而夏天（或白天）將太陽能存儲在地下，冬天（或夜晚）用于建筑供暖。實驗平臺配有蓄熱參數自動檢測系統，能實時檢測實驗平臺蓄熱系統的溫度、流量及壓力等參數，通過計算得出蓄熱量與蓄熱效率，并能實現數據、曲線實時同步顯示；自動繪制參數的變化曲線；建立數據庫，生成相應蓄熱過程的報表。該實驗平臺的創建既滿足了可再生能源開發利用的實驗教學要求，同時也為太陽能的應用研究提供了實驗條件。

關鍵詞 太陽能集熱 地下混凝土蓄熱 參數控制與檢測

中圖分類號：TK51文獻標志碼：A

Experiment Platform of Solar Underground Trans-seasonal Heat Storage

ZHAO Dajun， ZHAO Yan， FANG Xin

(Construction Engineering Department， Jilin University， Changchun， Jilin 130026)

AbstractThis paper introduced a long season for solar heat storage underground experimental cross-teaching and research platform. The experimental platform by focusing synchronous tracking solar collectors be collected by the solar thermal storaged underground seepage， thermal insulation inside the concrete heat storage pile to the summer (or day) to store solar energy in the ground in winter (or night) for building heating. Experimental platform is equipped with heat storage parameters automatic detection system， real-time detection of heat storage system testbed temperature， flow and pressure parameters， calculated by the build heat and heat storage efficiency， and to data， the curve shows real-time synchronization; Automatically draw the curve parameters; establishment of a database， generate reports regenerative process. The experimental platform created not only to meet the renewable energy development and utilization of experimental teaching requirements， but also for the application of solar energy research provides experimental conditions.

Key wordssolar collectors; underground concrete heat storage; parameter control and detection

0 引言

圖1實驗平臺總體構成示意圖

太陽能作為一種可再生能源，資源豐富，是我國后續能源的重要選擇之一。①但太陽能輻射的能量密度低、隨機性大、間歇性大，只有通過蓄熱調節才能有效地利用。②在太陽能的蓄熱方法中，太陽能地下熱存儲，被認為是跨季度長期大量蓄熱最有前途的方法之一。③太陽能地下跨季節蓄熱實驗平臺，是專門用于太陽能地下長期大量存儲的實驗教學與研究平臺。該平臺主要由聚焦式同步跟蹤太陽能集熱系統、地下混凝土蓄熱系統及蓄熱參數自動控制與檢測系統組成，實驗平臺總體構成如圖1所示。聚焦式太陽能集熱系統主要用于收集太陽能熱，地下混凝土蓄熱系統主要用于存儲太陽能熱，兩系統通過地面熱交換器進行換熱?？刂葡到y實現實驗平臺的自動運行，檢測系統用于實驗數據的自動檢測與記錄，并進行儲熱量的計算。

1 聚焦式同步跟蹤太陽能集熱系統

系統主要由聚焦式集熱板、太陽能同步跟蹤裝置、真空集熱管、循環管路、循環介質、循環泵等組成。聚焦式集熱板的形狀為橢圓型的圓柱面，真空集熱管安放在焦熱板的焦點上，循環介質可獲得較高的集熱溫度。同步跟蹤裝置實現同步跟蹤太陽運行規跡，使太陽光線始終垂直于集熱板的開口面。同步跟蹤裝置引入太陽視運行軌跡的概念，采用時鐘函數機構跟蹤太陽的視赤經（時角）運行軌跡，采用修正的正弦函數機構跟蹤太陽的視赤緯（緯角）運行軌跡，將時鐘函數機構和修正的正弦函數機構用線性傳動鏈聯結起來。用一個電動馬達驅動實現對太陽兩個運行軌跡的同步、連續、高精度的線性跟蹤。集熱系統的實物如圖2所示。其主要性能參數：集熱板有效面積17m2、焦距1500mm，集熱最高控制溫度100℃，輸出最大功率11.43kw，傳熱介質為乙二醇。

2 地下混凝土蓄熱系統

系統主要由地下蓄熱混凝土樁、地下換熱器、防滲保溫裝置、循環管路及循環泵組成。

2.1 蓄熱混凝土樁

根據中低溫太陽能熱存儲的技術要求，選用鋁酸鹽水泥、④⑤玄武巖碎石骨料、石英砂等制備蓄熱混凝土，其最高耐熱溫度可達1300℃，其中加入石墨和活性炭骨料增大混凝土的導熱系數和比熱容，加量分別為4%和6%。

地下混凝土蓄熱樁的結構參數：樁直徑2m、高度2.5 m、混凝土密度2320 kg/m3、比熱容3700 J/（kg·℃）、導熱系數2.2 W/（m·℃）。根據顯熱儲熱原理，⑥儲熱樁儲存的熱量可用下面公式計算：

Q = C p T

式中：Q—每單位體積的蓄熱量，KJ/m3；

T —蓄熱前后混凝土樁的溫差，℃；

Cp—蓄熱體的比熱，J/（Kg·℃）；

—蓄熱體的比重，Kg/m3。

2.2 地下換熱器

地下換熱器采用直徑25mm的鍍鋅鐵管，單U形式。循環泵選用LRS25-6三級流量屏蔽式增壓泵，最大功率100W、工作溫度0~150℃、最大流量60 L/min。

2.3 防滲保溫裝置

地下混凝土蓄熱效率的高低，與混凝土樁的防滲、保溫性密切相關。聚氨酯的導熱系數小于0.025w/m.k，保溫及防滲效果良好，而且施工方便，因此選用聚氨酯泡沫作為防滲保溫材料。根據GB8175-87《設備及管道保溫設計導則》確定保溫層經濟厚度為20cm。在混凝土樁外設置兩層鋼筒，在鋼筒的環狀間隙內澆注聚氨酯發泡劑，形成保溫層。

3 蓄熱過程自動控制與參數檢測系統

3.1 蓄熱過程自動控制系統

圖3太陽能集熱系統自動控制原理圖

自動控制原理如圖3所示?？刂葡到y主要是保證系統中同步跟蹤裝置和循環水泵能夠根據不同的日照條件和管路內介質的溫度，自動切換運行狀態。XMC615智能溫差變送儀根據溫度傳感器T1檢測到的真空集熱管內循環介質的溫度控制同步跟蹤裝置和太陽能循環泵的運行狀態；根據溫度傳感器T2檢測的循環水箱內的溫度，控制換熱循環泵的運行狀態。

控制系統主要功能如下：

（1）手動控制同步跟蹤裝置和循環水泵的運行狀態。

（2）根據兩個溫度傳感器的測溫數據，判斷日照條件，實現有陽光時太陽能循環泵自動啟動，無陽光時循環泵自動關閉。

（3）根據循環水箱的溫度，自動控制換熱循環泵的運行狀態。

（4）當由于循環水泵故障或氣體原因造成循環管路溫度過高（大于100℃）時，控制系統自動切換同步跟蹤裝置的運行狀態，使真空集熱管避開聚焦光斑，停止接受太陽能熱。

為實現整個實驗平臺的自動運行，并能夠方便的分別對太陽能集熱系統和地下混凝土蓄熱系統進行不同運行狀態的切換，分別為兩個子系統配備了相對獨立的控制臺，如圖4所示。

3.2 蓄熱參數檢測系統

實驗平臺蓄熱參數檢測系統將采集到的循環介質的溫度、流量及壓力等參數經由信號處理單元送到檢測計算存儲核心，通過計算得出蓄熱量、蓄熱功率等。

3.2.1 信號采集

采用溫度傳感器、流量傳感器及壓力傳感器分別采集循環介質的溫度、流量和壓力。

（1）溫度檢測。實驗平臺需要檢測循環介質溫度、蓄熱混凝土樁內混凝土和樁外土壤的溫度，傳感器需長時間處于潮濕和有地下水的環境中，因此采用特殊加工全鎧裝的PT100鉑電阻溫度傳感器。傳感器探頭和導線經過整體鎧裝、防水處理后，有效的降低了外界因素對傳感器的影響和延長傳感器的使用壽命。⑦⑧傳感器的測溫范圍為0~150℃，測量精度為0.2%，輸出電流信號為4mA。地下蓄熱混凝土樁及周圍土壤布置有多個測溫點，分別為：循環介質在進樁和出樁處的溫度，蓄熱樁中心、樁邊緣、保溫層邊緣以及保溫層外土壤不同位置的溫度，測溫點布置參見圖1所示。

（2）流量檢測。在地下蓄熱系統的循環管路中安裝流量傳感器，傳感器選用北京普瑞薩思測控有限公司生產的PS-F2-HXLDE-25-113-1.6-2型電磁流量計。流量值可實時顯示，也可傳輸到工控機中存儲。流量計的性能參數：測試精度0.2級，流量范圍0~3.5 m3/h ，被測介質的溫度范圍可達-30 ~ +100℃，最大工作壓力2.5 MPa。

（3）壓力檢測。為保證系統運行安全，需監測循環系統壓力。壓力測量選用JYB-KO-HAG-T壓力變送器，壓力測量范圍為0~5MPa，輸出信號為4~20mADC電流信號，抗干擾能力強，不衰減，不受導線長度限制，檢測精度0.5%，工作溫度-20~+150℃。

3.2.2 信號處理單元

傳感器將各參數采集之后送到信號處理單元進行信號調理、A/D轉換。采集的信號均為標準直流信號，信號調理電路只需將電流信號轉換為電壓信號并進行濾波便可以送A/D轉換。A/D轉換采用工控設備，接口標準，抗干擾能力強，通過485串口轉換接口直接與檢測計算存儲核心通信，性能穩定可靠。

3.2.3檢測計算存儲核心

對于電子儀器來講，地下蓄熱環境條件較惡劣，該檢測計算存儲核心采用工業控制計算機，簡稱工控機。工控機的特點是抗震性能好，對供電系統、電機等設備產生的電磁干擾抑制能力強，對于信號檢測極為有利；工控機安裝多種組態軟件，可以實現檢測、控制、數據存儲、輸出等多種功能。結合組態軟件，可以實時監測參數變化情況，繪制實時、歷史曲線圖，并生成數據報表、存檔。

4 結論

該實驗平臺是結合同步跟蹤太陽能集熱技術、地下混凝土儲熱技術、自動控制技術、數據檢測與處理技術而建立起來的，可滿足太陽能開發利用的實驗教學與科學研究。通過該實驗平臺，學生可完成四個方面的實驗教學和科學研究：（1）太陽能集熱系統的熱轉換效率的實驗與研究；（2）地下混凝土儲熱樁的儲熱速度、儲熱量、長期儲熱的效率等實驗；（3）太陽能跨季節地下混凝土儲熱系統取熱規律的實驗；（4）地下混凝土儲熱樁保溫效果及保溫結構的實驗。

項目支撐：吉林大學高水平研究生課程體系建設項目，編號(20101035)

注釋

①趙慶波，單葆國.世界能源需求現狀及展望[J].中國能源，2002(2).

②高峰，孫成權，劉全根.太陽能開發利用的現狀兒發展趨勢[J].世界科技研究與發展，2001(4).

③朱家玲.地熱熱儲工程技術的發展[J].太陽能，1998(1):28-29.

④李仕群，胡佳山.鋁酸鹽水泥耐高溫性能的初步研究[J].鋁酸鹽通報，2001(4).

⑤張炳.太陽能熱發電用無機復合儲熱材料的制備及其性能研究[I].武漢理工大學碩士學位論文，2007.

⑥中華人民共和國城鎮建設行業標準CJ 128—2000中熱量計算標準.中華人民共和國建設部，2001-06-01.

⑦HUANG Feng， NI Chun-zhen， CHEN Li-gong， ZHOU Xiao-wei， Data collection system based on industrial personal computer (Periodical style—accepted for publication) (Chinese). AUTOMOBILE TECHNOLOGY MATERIAL， 2000 No.2 Page 38-41.

⑧ZHANG Shu-hong， TAO Zi-chun， Kingview-based monitoring system of sensor testing bed (Periodical style—accepted for publication) (Chinese). PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.29 No.5 May.2008.