平板型太陽能集熱器在新疆日光溫室中的應用效果研究

姚亮　馬俊貴　呂全貴　陳青云　許紅軍　張振國　董蓬

摘要 評價平板型太陽能集熱器日光溫室應用的加溫效果，設計了3種集熱器（循環系統循環集熱方式不同），篩選出最大集熱量的循環方式。應用此循環方式供熱，這個供暖季平板型太陽能集熱器可為日光溫室實際生產節約煤2 236 kg。試驗結果表明，太陽能集熱器對日光溫室冬季生產供熱并不能完全替代燃煤鍋爐供熱，但是太陽能集熱器可以減少一部分煤炭的消耗量，達到保護環境、減少生產成本的作用。

關鍵詞 平板太陽能集熱器；日光溫室；集熱量；瞬時集熱效率

中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-365-03

新疆地處高寒地區，在嚴寒冬季使用日光溫室進行生產時，需要對日光溫室加溫來維持溫室內部的溫度，以滿足溫室內作物生長的需要。傳統的加溫方式有熱風爐、燃煤鍋爐、電熱器、電熱線加溫等，需要消耗大量的電能、化石燃料等。同時化石能源燃燒產生CO、SO2、NOx 等有害氣體，嚴重威脅人們日常生活。環境污染與化石能源危機已經成為限制新疆地區溫室發展的主要因素。太陽能資源作為可再生能源的一種，本身具有清潔性、儲存量巨大、分布廣泛等特點。對太陽能的開發利用，可以有效減少對化石能源的使用，對新能源的開發具有十分重要的意義。2005年增加到3萬hm2，2007年為4.17萬hm2，在2012年末以超過6.67萬hm2，并計劃在2020年種植面積達到13.34萬hm2的遠景目標。全疆種植面積的45%左右采用日光溫室進行生產作業。這為在新疆地區應用太陽能集熱器打下了良好的基礎。

太陽能集熱器可以對太陽能進行有效利用，太陽能集熱器是對太陽能的高效率集中收集，通過介質轉化成熱能再利用。太陽能集熱器主要有2種類型：平板型、真空管型集熱器。真空管型集熱器是在平板型集熱器的基礎上發展起來的[1]。真空管型集熱器熱效率可達94%[2]，防凍、保溫性好，但是不承壓、易爆裂。平板型集熱器結構簡單安裝方便、耐壓、不易結垢、吸收熱量面積大、壽命長等優點[3-4]。

該文主要研究平板型集熱器，將其投入到溫室生產中，制訂3種集熱系統循環策略并計算集熱量，實現使用太陽能集熱器為日光溫室提供熱能，減少煤炭的使用，達到保護環境、減少生產成本的目的。

1 基本結構和工作原理

1.1 平板集熱器的基本結構 試驗所用的平板集熱器結構，如圖1所示。集熱器面朝正南方向，與屋頂呈30°角擺放。平板太陽能集熱器總體結構尺寸為2 040 mm×835 mm×13.5 mm，有效集熱面積為2 000 mm×800 mm，主要包括：透明蓋板、集熱體、保溫層、殼體等5個部分。

1.2 平板集熱器工作原理 絕大部分太陽輻射透過蓋板被吸熱板吸收轉化成熱能并傳向流體通道，流體介質流經流體通道時，介質本身溫度迅速上升，熱能儲存在流體介質內，從流體通道的出口流出，太陽能以熱能的形式儲存在儲熱水箱中，轉變成了有用能量收益。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗設備與儀器 試驗日光溫室位于中國新疆維吾爾自治區烏魯木齊市達阪城區新疆農業大學達阪城試驗站，日光溫室坐北朝南，日光溫室長度為58 m，跨度為7 m，脊高3.2 m，后墻高1.4 m，后屋面長3.2 m，后墻和兩側墻體使用材料為紅磚并且表面涂刷一層水泥灰。溫室選用PVC長壽塑料薄膜、保溫被厚度為0.05 m，溫室內部種植辣椒。

日光溫室頂部放置兩組平板型太陽能集熱器，每組12塊。集熱器的連接方式為并聯。集熱器平面與鉛垂面夾角大約為30°。保溫水箱的體積為2 m2，放置在溫室內部非種植區的地面上，保溫水箱外包裹一層3 cm厚度的橡塑泡沫，橡塑泡沫的外層裹一層塑料膜。集熱器熱循環系統示意圖，如圖2所示。

2.2 試驗方法 為了獲得最大集熱量，該試驗設計了3種方案：方案1，集熱器內空氣與水箱內水的溫度差為25 ℃時集熱系統自動開啟，待集熱器內水與保溫水箱內水溫差為6 ℃時，集熱系統自動停止循環；方案2，水在集熱器內被加熱30 min后，將集熱系統開啟5 min，使熱水儲存到保溫水箱中。達到5 min后，立即關閉系統，集熱器流體通道內已經充滿水，重復上一個循環；方案3，采用循環方式集熱，連續循環，循環時間為11：10至17：30。

3 3種集熱方案集熱量計算

集熱量Qi可用下式表達，

3.1 3種試驗方案的日集熱量測定 方案1：全天一共進行24次循環集熱，集熱量變化如圖3所示。

由圖3可知，第10次集熱量最高的為12.55 MJ；最低集熱量的為-1.15 MJ。第22次集熱量為1.23 MJ，集熱器中空氣溫度和保溫水箱水的溫度均達到最高。第22次低于第10次集熱量，相差11.31 MJ，原因是第10次集熱接收到的太陽輻射強度高；第10次集熱10 min、第22次集熱3 min，集時間相差7 min，熱量得不到有效積累，所以集熱量相差很大。

方案2：全天一共進行11次循環集熱，集熱量變化如圖4所示。

由圖4可知，最高集熱量為9.69 MJ；最低集熱量為2.19 MJ。2次集熱量相差7.49 MJ。集熱量整體趨勢是先增高又降低，這與太陽輻射的變化趨勢吻合，說明太陽輻射強，集熱量大。

方案3：連續循環，集熱系統全程開啟。

3.2 3種試驗方案日集熱量相應的標準煤量 1 kg標準煤熱值是29 300 950J，煤的燃燒效率為50%，中國在用燃煤工業鍋爐的平均熱效率偏低，僅為65%左右。所以，燃煤鍋爐燃燒1 kg煤放熱量為9.52 MJ。經計算，3種方案日集熱量為：89.37 MJ；方案2集熱量為72.80 MJ；方案3集熱量為205.28 MJ。

綜上所述，按集熱量大小可以得出，方案3優于方案1，方案1略好于方案2。所以選擇對試驗方案3作進一步研究。

4 連續循環方案的熱性能分析

試驗是在室外天氣晴朗，微風氣候環境條件下進行。試驗期間，水箱進出口水流量變化和集熱器吸熱板內水流量變化是均勻、穩定的。

4.1 集熱器瞬時效率方程 某一時刻的集熱效率即為瞬時集熱效率，瞬時集熱效率η等于集熱器獲得的有用能與投射到玻璃蓋板表面上的太陽輻射能之比[5，7]。平板型太陽能集熱器的瞬時效率的表達式為：

η=cm（Tf，o-Tf，i） /（AaI） （3）

式中：c為水比熱容，J/ kg· ℃；m為水流量， kg/s；Tf，o為集熱器出水口溫度， ℃；Tf，i為集熱器進水口溫度， ℃；Aa為集熱器有效集熱面積，m2；I為太陽輻射強度，W/m2。

4.2 集熱器進水口對集熱器瞬時效率的影響 集熱器進水口溫度與瞬時效率的關系，如圖5所示。

由圖5可知，進水口水溫初始溫度為17.2 ℃、終止溫度44.2 ℃，水溫升高27 ℃，試驗全過程中，集熱器進水口水溫持續升高。在13點34分15秒，瞬時效率達到最大值為31.98%。隨進水口水溫度增加，瞬時集熱效率先升高后降低。出現這種變化的原因為，當在試驗初始階段時，集熱器進水口溫度較低，集熱器的熱損失很小，保溫水箱溫度上升較快，保溫水箱進出水口水溫差加大，效率增加；隨著試驗的進行，集熱時間變長，集熱器進水口的水溫度持續上升并且吸熱板隨集熱時間的增長而造成吸熱板自身的溫度增加，吸熱板與外界環境溫差加大，造成集熱器向外界環境散熱加大，造成集熱效率降低。

4.3 日光溫室室外環境溫度對集熱器瞬時效率的影響 集熱器在集熱過程中，集熱器本身相當于一個發熱體，而熱量的傳遞又是從高溫向低溫傳遞，所以在集熱過程中，集熱器本身會向外界環境散熱。室外環境溫度與集熱器瞬時效率變化關系如圖6所示。

由圖6可知，室外環境最高溫度為-0.9 ℃、最低溫度為-9.5 ℃、平均氣溫為-2.8 ℃。試驗初始階段，瞬時集熱效率隨環境溫度的升高而增加。這種現象的出現主要是因為在試驗初始階段，溫室外界環境溫度上升速度快，吸熱板溫度與環境溫度之差逐漸減小，集熱器熱損失減小，集熱效率增加。但一段時間后，集熱效率隨環境溫度的升高而降低。當系統循環一段時間后，保溫水箱中水的溫差逐漸減小，集熱效率降低。

4.4 日光溫室室外太陽輻射強度對集熱器瞬時效率的影響 太陽輻射強度與集熱器瞬時集熱效率變化關系如圖7所示。

由圖7可知，一天中太陽輻射強度變化先升高后降低，最小太陽輻射強度出現在11：10分為365 W/m2，最大太陽輻射強度出現在15：01分為942 W/m2；太陽輻射強度曲線在15：01分之前持續上升，集熱器瞬時效率隨太陽輻射強度的增強而增加。這是因為太陽輻射增強，集熱器有用能增加較快，集熱器熱損失較小，集熱效率增加。

4.5 可行性分析 傳統的溫室加溫方法消耗大量的化石能源。煤炭燃燒熱值低，燃燒產物易污染環境。一個供暖季，大約有70 d為晴天、有45 d為陰晴天、有15 d為陰天。陰天，太陽輻射強度弱，達不到集熱系統運行條件，集熱系統不工作。集熱器內部溫度低，沒有溫度上升。手動開啟集熱系統，水在吸熱板內停留30 min后循環到保溫水箱中，水箱中水的溫度降低。說明陰天條件下，吸熱板的吸熱能力差，很難將水加熱；保溫水箱中水的溫度降低說明水箱在放熱，平板集熱器成為散熱體。

日光溫室使用平板太陽能集熱器集熱系統為連續循環模式，晴天1 d集熱量為205.28 MJ相當于21.56 kg煤；陰晴天1 d的集熱量為153.82 MJ相當于16.15 kg煤燃燒放出的熱量。一個供暖季中，晴天一共可以節約煤1 510 kg，陰晴天節約煤727 kg，那么一個供暖季平板太陽能集熱系統一共節約煤2 236 kg。

太陽能雖是諸多學者重點研究的新能源之一，但仍是處于起步階段，新疆地區集熱器應用于日光溫室正處于初級階段。該文針對平板太陽能集熱系統應用于日光溫室實際生產可行性進行了論證，并提出了提高集熱量的集熱系統循環方法，起到了一定的指導及借鑒作用。

5 結論

平板太陽能集熱器應用于日光溫室實際生產，集熱系統最佳集熱方式為白天連續循環集熱，可獲得最大集熱量為205.28 MJ。

一個供暖季，平板型太陽能集熱器可為日光溫室實際生產節約煤2 236 kg。

太陽能集熱器單獨作為溫室供熱系統尚難以實現，但可以作為補充。溫室供熱可以采用多元化的采暖方式，盡量使用無害能源，減少煤炭的消耗量，降低生產成本，因此在實際生產應用中仍具有重要意義。

參考文獻

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