太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器性能測試研究

沈燕金， 許 龍， 馮 坤， 唐國俊， 汪秋霖， 李潤濤， 王 剛

( 1.云南省煙草公司文山州公司,云南文山 663000； 2.文山州煙草公司丘北縣分公司,云南丘北 663200；3.英美煙草遠東煙葉有限公司，云南昆明 650011)

太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器性能測試研究

沈燕金1， 許 龍1， 馮 坤1， 唐國俊2， 汪秋霖2， 李潤濤3， 王 剛3

( 1.云南省煙草公司文山州公司,云南文山 663000； 2.文山州煙草公司丘北縣分公司,云南丘北 663200；3.英美煙草遠東煙葉有限公司，云南昆明 650011)

摘要太陽能輔助熱源密集烤房是在普通密集烤房屋頂加裝太陽能集熱器，直接高效地將太陽能轉化為空氣熱能，很好地起到節能減排的作用。對太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器進行了性能測試研究，測定了進出風口的溫度和風速以及太陽輻射等數據，計算出集熱器的瞬時效率和供熱系數，測試結果表明，采用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器平均瞬時效率和平均供熱最高，單層玻璃纖維陽光板次之，雙層玻璃纖維陽光板最低。

關鍵詞太陽能輔助熱源密集烤房；太陽能集熱器；性能測試

經過近十年的迅猛發展，今天中國的烤煙產量已經占到了世界產量的50%，已經成為世界上最大的烤煙生產國，密集烤房已成為我國烤煙烘烤設備的發展方向[1]。經過多年的研究總結,現在對煙葉烘烤已形成了一套完整的技術體系。但是，中國目前的烤煙烘烤都是建立在以傳統能源(煤)作燃料的基礎之上，以消耗大量的不可再生能源為條件。中國現在大約有一百萬座烤房，每烤1kg干煙需要1.5～2.0kg煤炭計，烘烤煙葉需要消耗煤炭225萬～300萬t[2]。太陽能烤房是在普通密集烤房屋頂加裝太陽能加熱室，直接高效地將太陽光能轉化為空氣熱能，能很好的起到節能減排的作用。為了減少煤炭資源消耗,降低煙葉烘烤過程中的溫室氣體排放量，增加煙農收入，實現煙葉生產的可持續發展，文山州煙草公司從2008年開始在文山進行“太陽能密集型烤房”的研究開發，2015年在文山州丘北縣推廣了50座太陽能烤房。玻璃板的透光性對太陽能烤房集熱器的效率供熱系數有一定的影響，為進一步篩選透光性好、使用壽命長的透光材料。選用了單層玻璃纖維陽光板、雙層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃等3種不同的透光材料進行對比試驗。

1太陽能供熱系統

1.1太陽能供熱系統的結構由圖1可知，太陽能集熱室長約8m、寬2m、高50cm,集熱室底部和四周采用彩鋼復合保溫板，厚度為50mm，彩鋼板厚度≥0.375mm，聚苯乙烯內襯密度≥12kg/m3。板與板之間使用鋁合金槽結構進行拼裝，安裝時保證彩鋼復合保溫板的連接處密封完好。拼裝完成后，在集熱室的內壁四周和底部采用橡塑保溫棉+石棉+鍍鋅鐵皮板進行保溫處理。

1.2太陽能集熱器的最佳傾角為了獲得最大的太陽能量，必須使集熱器的采光面正午時垂直于太陽光線，即

α+S=90°

(1)

式中：S—集熱器與地平面的傾角；α—太陽高度角(太陽光線與地平面的夾角)。

由圖2可知，當正午太陽在天頂以南時，即ψ>δ時，α<90°，且

α=90°-ψ+δ

(2)

式中：ψ—當地緯度；δ—不同時間太陽赤緯角，與月份有關；當正午太陽在天頂以北時，即ψ<δ時，α>90°，且

α=90°+ψ-δ

(3)

將(2)(3)分別代入(1)得 ：

S=ψ-δ

(4)

S=δ-ψ

(5)

這里，太陽赤緯δ可按烤煙季的平均值計算。故

S=|ψ-δ|

(6)

由以上計算可知，固定式集熱器的傾角以正午時太陽光線垂直地照射在集熱器的采光面上的原則來確定。但是，即使在同一個緯度上在不同的季節太陽的高度角也是不相同的。確定傾角時，只能根據整個使用期間的要求。若要得到最大的年日射量，集熱器應面朝赤道，其傾角近似等于當地緯度[3]；如果要求冬季獲得最大日射量，傾角應比當地緯度大10°如果要求夏季獲得最大日射量則傾角要比當地緯度小10°。丘北的緯度是北緯24°，考慮該集熱器只在烤煙季(7、8、9月份)使用，所以傾角14度為吸熱板的最佳安裝傾角。

1.3太陽能集熱器供熱原理由圖1可知，太陽能集熱器兩端通過管道與烤房相連，集熱器與烤房加熱室相連接的管道為前管道，裝煙室與集熱器相連接的管道為后管道，管道與集熱器之間安裝有電動風門，在烤房適當位置安裝循環風機。在集熱器出口處和裝煙室中部安裝感溫探頭，當溫差大于設定值時，循環風機和電動風門同時開啟，通過前管道向烤房內部輸送熱空氣，同時烤房內的冷空氣通過后管道輸送至太陽能集熱室進行循環加熱。當溫差小于設定值時，循環風機和電動風門同時關閉，太陽能循環停止。

2三種透光材料集熱器的供熱系統性能測試對比

2.1性能分析原理太陽能供熱系統的性能可用集熱器熱效率ηT和系統供熱系數COPT來表示[4]。前者反映太陽輻射能轉變為熱能的效率；后者等于集熱器內空氣實際得熱與太陽能供熱系統風機能耗的比值，它反映了系統的供熱效率。

(7)

(8)

2.2性能測試

2.2.1試驗材料。太陽能輔助熱源密集烤房3座，太陽能集熱器分別采用單層玻璃纖維陽光板、雙層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃，吸熱板采用蘭鉻鍍層的波浪型鋁板。集熱器總采光面積為16m2,風機功率0.37 kW，雙層玻璃纖維陽光板、單層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃的透過率分別為85%、89%、93%。

2.2.2觀察記載項目。開啟太陽能風機和循環風機，從上午9：00至下午16:00，每一個小時記錄一次裝煙室溫度、環境溫度、集熱器進口溫度、集熱器出口溫度、集熱器出口風速、太陽輻射強度。

2.2.3結果與分析。集熱器進口溫度、集熱器出口溫度、集熱器出口風速、太陽輻射強度直接記錄得到，集熱器的瞬時效率和供熱系數由公式(7)、(8)計算得到。表1、2、3分別列出了太陽能供熱系統透光材料采用低鐵布紋鋼化玻璃、單層玻璃纖維陽光板和雙層玻璃纖維陽光板的測試數據。從表1、2、3可以看出其中透光材料使用低鐵布紋鋼化玻璃集熱器的平均瞬時效率和平均供熱系數最高，分別為44.0%和13.7，該效率接近國際同類集熱器的效率，供熱系數也達13.7，即太陽能供熱系統風機耗1kW電能,可獲得13.7kW的熱能。透光材料使用單層玻璃纖維陽光板集熱器的平均瞬時效率和平均供熱系數比使用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器低2.8%和0.8，透光材料使用雙層玻璃纖維陽光板集熱器的平均瞬時效率和平均供熱系數是三者中最低的，比使用低鐵布紋鋼化玻璃的集熱器低3.5%和1.2。通過比較雙層玻璃纖維陽光板、單層玻璃纖維陽光板和低鐵布紋鋼化玻璃的透過率。故可進一步得出結論，太陽能輔助熱源密集烤房集熱器所使用透光材料對集熱器性能有一定的影響，透過率越高，集熱器的瞬時效率和供熱系數就越高，供熱性能就越好。

表1　低鐵布紋鋼化玻璃材料集熱器的效果

注:t0為環境溫度；t1為集熱器進口溫度；t2為集熱器出口溫度；△t為進出口溫差；I為輻射強度；ηT為瞬時熱效率；G為送風量；Q為有效得熱量(下表同)。

表2　單層玻璃纖維陽光板集熱器的效果

表3　雙層玻璃纖維陽光板集熱器的效果

3結論

傾角14度為太陽能輔助熱源密集烤房集熱器吸熱板的最佳安裝傾角；透光材料使用低鐵布紋鋼化玻璃集熱器的平均瞬時效率可達44.0%，該效率接近國際同類集熱器的效率，平均供熱系數為13.7，即太陽能供熱系統風機耗1 kW電能,可獲得13.7 kW的熱能。太陽能輔助熱源密集烤房集熱器所使用透光材料對集熱器性能有一定的影響，透過率越高，集熱器的瞬時效率和供熱系數就越高，供熱性能就越好。

參考文獻

[1] 徐秀紅，孫福山，王永，等．我國密集烤房研究應用現狀及發展方向探討[J]．中國煙草科學，2008，29(4)：54-56.

[2] 王文超，賀帆，徐成龍，等．煙葉烘烤節能技術研究進展[J]．南方農業學報，2011，42(10)：1267-1270.

[3] 張小電，王改成．太陽能熱水器集熱器安裝位置、方向和傾角的確定[J]．新能源，1999，21(9)：24-26.

[4] 張璧光．太陽能熱泵聯合干燥木材的實驗研究[J]．太陽能學報，2007，28(8)：870-873.

中圖分類號S214.3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)30-390-03

基金項目云南省煙草公司科技計劃項目(2013YN34)。

作者簡介沈燕金(1983- )，男，云南陸良人，碩士,助理農藝師，從事煙葉生產技術工作。

收稿日期2015-09-28

TheTestingResearchonPerformanceofSolarThermalCollectorInstalledinSolarEnergyAuxiliaryHeatSourceBulkCuringBarn

SHENGYan-jin,XULong,FENGKunetal(WenshanBranchofYunnanTobaccoCompany,Wenshan,Yunnan663000)

AbstractSolar energy auxiliary heat source bulk curing barn is the curing barn whose roof is installed solar thermal collector, which can directly and efficiently convert solar energy into heat energy and have the effect of energy conservation and emission reduction. The performance of solar energy auxiliary heat source bulk curing barn using different glazing material is studied, the temperature and wind speed of import and export and solar radiation are tested, the instantaneous efficiency and heat coefficient of solar thermal collector are calculate. The results prove that: the low iron tempered glass cloth has the highest average instantaneous efficiency and average heat coefficient, sunlight single-layer glass fiber board next, double deck glass fiber board has the lowest average instantaneous efficiency and average heat coefficient .

Key wordsSolar energy auxiliary heat source bulk curing barn; Solar thermal collector; Performance test