智能太陽能熱水集熱系統研究應用

陳良飛 蔡華 呂小明（新疆油田公司采氣一廠）

太陽能作為清潔能源，具有能源量巨大，取之不盡、用之不竭等特點，因此太陽能的利用受到許多國家的重視，各國競相開發各種光電新技術和光電新型材料，以擴大太陽能利用的應用領域。特別是在近10多年來，在全球能源需求量持續高速增長和生態環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，太陽能作為清潔高效的能源，日益顯露出其優越性。從發電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應用十分廣泛[1]。本文從太陽能熱水裝置的利用出發，結合我國北方地區冬季氣候嚴寒的特征，提出智能太陽能熱水控制系統技術，使太陽能集熱系統在冬季也能安全平穩運行。

1 傳統太陽能熱水集熱系統

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應用發展中最具經濟價值、技術成熟且已商業化的一項應用產品。太陽能集熱器是系統中的集熱元件，其功能相當于電熱水器中的電加熱管，因利用的能源是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在有太陽照射的白晝，供熱系統還需配備輔助加熱設備，如鍋爐、電加熱器等。

傳統的太陽能熱水系統包括太陽能集熱器、保溫水箱、連接管路。系統以水為傳熱介質，冷水流過太陽能管與之換熱，水溫提高，通過連續的循環換熱過程使之成為滿足需求的熱水儲存在水箱中備用，在夏季和環境溫度較高的時候，該系統運行情況良好，白天可獨立供熱滿足熱水需求。北疆地區年平均氣溫僅為6.4℃，11月至次年4月夜間溫度低于0℃，最冷月平均氣溫達-23.8℃，白晝有太陽的時候，太陽能集熱系統的溫度仍然可升至60℃以上，系統可配合加熱爐供熱，但是夜間系統中的水易受環境溫度的影響而凍堵。為保證系統安全，在系統水溫低于5℃時，要求啟動電伴熱設備為管線保溫，電保溫將消耗額外的電能，節能效果大打折扣；當環境溫度低于-10℃時，電伴熱也無法有效保證系統保溫效果，系統運行的風險增大，只能放空連接管路中的水，停用太陽能熱水系統，全部依靠加熱爐運行提供公寓熱水。

2 智能太陽能熱水系統研究

基于新疆地區冬季氣候嚴寒，太陽能集熱系統直接使用水作為循環介質在冬季運行效果較差，往往還需要耗用電能來保溫的現狀，對原系統流程進行了工藝適應性改造，通過引進中間換熱介質和換熱器，使熱水換熱部分全部在室內實現，室外則采用凝點較低的中間介質（冰點低于-40℃）與太陽能換熱。系統優化后，中間介質流經太陽能集熱器被加熱后，通過熱交換器與冷水換熱，使水溫提高，冷卻后的中間介質通過循環泵組進入下一個循環，這樣熱水水箱的水溫就不斷被提升，形成滿足需求的熱水，系統流程見圖1。

2.1 高效的熱管式真空管太陽能集熱器

中低溫太陽能熱的主要利用部件有真空管、平板式太陽能熱水器、復合拋物面聚光器和低聚焦比槽式拋物面聚光器[2]。真空管式太陽能集熱器集熱效率高、熱損失小、耐低溫，但需采用管殼式換熱器作為儲水水箱，否則將無法承壓。平板式熱水器具有與真空管式熱水器相當的集熱效率、熱損失較大、能夠承壓等特點，但不能在較低環境溫度下使用。復合拋物面聚光器具有兩個對稱的拋物反射面，能夠有效聚集直射和散射光且不需要跟蹤太陽，但是聚光比較低。槽式拋物面聚光器能夠較高比率地聚焦太陽能，但是需要太陽追蹤系統且不能利用散射輻射。從技術經濟性角度綜合考慮，采用具有管殼式換熱器的真空管熱水器作為太陽能低溫熱利用部件最合適。

2.2 中間介質的選取

對篩選的導熱油和低溫防凍液性能對比分析（表1）表明：兩者冰點都能滿足要求，導熱油沸點高，但是其黏度較大，且隨溫度的降低而不斷增大，高溫導熱油在空氣中將加速氧化，系統還必須考慮氮封裝置；而低溫防凍液雖然沸點相對較低，但是黏度較低、不易被氧化等特點使其配套設施較易實現。所以最后選取冰點為-40℃的防凍液作為中間介質，在控制系統開發時增加防凍液高溫強制循環程序，防止防凍液氣化。

表1 兩種中間介質性能對比

2.3 系統工藝優化

防凍液在太陽能集熱管處吸熱，在換熱器內放熱，形成一個封閉的循環系統，其體積會因溫度的改變而變化，為使系統管路能夠承受液體的熱脹冷縮效應,在系統管路高點設置1個300 L高位膨脹罐，采用開式罐，旁設液位計，罐頂安裝補液接口和自動放氣裝置；同時考慮系統的檢修，在系統管路低點設置1 500 L檢修儲罐。根據-40～100℃防凍液體積變化為3‰，按系統中防凍液的總量為800 L計算，要求高位膨脹罐液位在罐1/3～2/3處時，可滿足補液和緩解系統中液體熱脹冷縮效應的需求。

2.4 智能控制系統研究

智能太陽能熱水系統與傳統太陽能熱水器的最大區別就是控制中心，新系統采用PLC（CPU 222）和臺達觸摸屏，控制中心負責整個系統的監控、運行、調節等。控制系統以維持水箱儲水溫度T1和太陽能集熱管內介質溫度T2為標準，PLC對現場采集的溫度數據進行運算并做邏輯處理，自動選取加熱方式，控制泵及閥門等執行機構的開停，HMI可顯示運行狀況和進行參數設置。控制系統具有以下特點：

1）實現3種狀態自動切換。通過控制系統與鍋爐遠程控制功能之間的組態，共設有3種狀態，即啟運待機狀態A、啟用太陽能狀態B和啟用鍋爐狀態C，如圖2。當水箱溫度T1下降至40℃或處于40℃以下時，系統首先判斷T2是否大于T1+5℃。如判定為是，系統選擇B狀態，啟動防凍劑循環泵和熱水循環泵，太陽能系統開始加熱水箱，當T1上升至60℃時，系統立即停止防凍劑循環泵和熱水循環泵運行；如判定為否，系統選擇C狀態，開啟通向鍋爐系統的電磁閥（設定為常閉），鍋爐系統開始加熱水箱，當T1上升至60℃時，系統選擇A狀態，停止防凍劑循環泵和熱水循環泵，關閉電磁閥，直至T1下降至40℃。

2）夜間模式。控制系統可設定夜間時間段，如：默認20點至次日06點之間為夜間，并在此期間完全執行A、C狀態，不再嘗試太陽能系統，以避免熱量和電量不必要的損失。

3）系統保護。控制系統監測太陽能系統防凍劑溫度T2，當T2低于-40℃時，啟動電伴熱，以保護太陽能系統不被損壞；當T2高于100℃時，防凍劑循環泵和熱水循環泵無視水箱溫度T1信號而啟動，防止防凍液氣化。在正常運行狀況下，系統自動運行，無需人員操作；在工況轉換、設備調試及檢修等特殊情況下，可切換手動操作。

3 節能效果分析

克拉美麗公寓智能太陽能集熱系統與傳統的太陽能集熱系統相比，系統一次性投資增加20萬元，但在近幾年天然氣市場活躍，民用天然氣需求大幅增加，冬季供氣壓力日趨緊張的形勢下，減少了天然氣消耗，實現了充分利用清潔能源，降低生產綜合能耗，創建綠色油氣田的目標。

1）受外界環境溫度的影響，傳統集熱系統從10月中旬至次年4月初處于停運狀態，設備年利用率不足52%，而智能太陽能熱水集熱系統可在冬季嚴寒的低溫氣候條件下連續運行，年運行時間增加170 d，設備利用率提高至95%以上。

2）改造后系統可全年運行，增加運行時間170 d，每天平均使用時間6 h（扣除化霜時間及無太陽時間），1440根SD1D-20型熱管式真空管按每根熱管0.1 kW熱效率的90%計算，太陽能系統冬季累計提供熱量為4.76×108kJ。

天然氣低位熱值為8 600 kcal/m3，設加熱爐的爐效為90%，智能太陽能控制系統在增加的使用時間內，減少天然氣耗量14 703.6m3，即年可節約燃氣1.47×104m3。年增加節能量19.55 t標準煤，新增投資的回收期為5.4年。

4 結論

1）通過引入低冰點中間介質優化b熱水加熱工藝，確保熱管式真空管太陽能集熱系統在冬季嚴寒氣候條件下也能正常使用，使系統的年使用時間從6個月提升至全年，冬季運行也不需外部能源進行保溫，產生了可觀的節能效果，該技術在中國北方地區具有一定的推廣價值。

2）利用控制系統的升級，實現了太陽能集熱系統和熱水鍋爐之間的有效聯動，使整個供熱水系統在待機狀態A、太陽能狀態B和鍋爐狀態C 3種狀態下自動切換，從而實現了公寓熱水供給全自動控制，有效降低了工作強度，提高了系統運行的安全穩定性。

[1]王君一,徐任.太陽能利用技術[M].北京:金盾出版社,2007.

[2]惠晶.新能源轉換與控制技術[M].北京:機械工業出版社,2008.