國內(nèi)外太陽能熱力系統(tǒng)（火用分析）現(xiàn)狀和展望

摘要：太陽能憑借其環(huán)保性和廣泛性，目前已成為各國未來綠色可持續(xù)發(fā)展首選的能源之一。文章對太陽能系統(tǒng)在火用分析這個(gè)方面比較了各種類型的太陽能集熱器和太陽能熱力系統(tǒng)。太陽能集熱器是一種可持續(xù)性的重要技術(shù)，結(jié)合火用分析給出了更有代表性的效率評估，評估能量的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱力系統(tǒng)；火用分析；經(jīng)濟(jì)性；綠色能源 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK212 文章編號：1009-2374（2016）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.037

風(fēng)能、生物質(zhì)能、核能和太陽能等可再生能源的開發(fā)利用是節(jié)約化石能源和節(jié)約環(huán)境污染的重要途徑。目前太陽能技術(shù)在國內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，但由于我國現(xiàn)階段發(fā)電成本較高，大規(guī)模應(yīng)用還需國家的扶持。

能源的短缺促使人類意識到節(jié)能的重要性，但是要回答何謂節(jié)能其實(shí)并不簡單，只考慮能量平衡的熱力學(xué)第一定律并不能很好地回答這一問題，從能量的品位角度看，節(jié)能實(shí)質(zhì)上是對常規(guī)能源中的可用能“火用”的節(jié)約與利用。

1 太陽能集熱器

在眾多不同種類的太陽能集熱器的效率評估中都運(yùn)用了火用分析。許多工作者在平板太陽能集熱器領(lǐng)域已經(jīng)做了相關(guān)研究，并且光伏光熱太陽集熱器（PVT）領(lǐng)域中運(yùn)用火用分析也較為普遍。拋物線形槽式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器領(lǐng)域中可以運(yùn)用火用分析，但并不是常用分析評估方法。拋物線形蝶式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器有高火用效率，所以許多工作者也對這方面進(jìn)行了研究、分析和優(yōu)化。還有很多其他結(jié)構(gòu)的集熱器都運(yùn)用過火用分析，比如復(fù)合拋物線型太陽能集熱器、熱管太陽能集熱器、空腔集熱器。

1.1 平板太陽能集熱器

在平板太陽能集熱器領(lǐng)域中廣泛地運(yùn)用了火用分析。雖然在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了很長時(shí)間的研究，但是仍存在空白等待后人進(jìn)行研究和探索。前人已經(jīng)對使用常規(guī)流體（空氣和水）的集熱器做了充足的研究，但是當(dāng)使用非常規(guī)流體（例如二氧化碳和納米流體）的集熱器時(shí)，集熱器的火用分析還需更多工作者以后的投入和

努力。

Jafarkazemi等研究了平板集熱器的能量分析和火用分析算法。Fudholi對翅片雙向太陽能集熱器的火用效率進(jìn)行了評估。火用效率已經(jīng)被作為一個(gè)指標(biāo)評價(jià)了不同類型的集熱器性能。Oztop等對太陽能空氣加熱器的能量和火用性能做了一個(gè)詳細(xì)的綜述。Bayrak等運(yùn)用能和火用分析方法研究了內(nèi)嵌多孔擋板太陽能空氣加熱器。Bouadila等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來評估一種使用帶潛熱儲存系統(tǒng)的球形膠囊填充床的新型太陽能空氣加熱器。Golneshan運(yùn)用火用分析對未裝蓋板型太陽能集熱器進(jìn)行了研究，這種裝置適宜于在預(yù)熱外部空氣，主要用于預(yù)熱空氣通風(fēng)和對農(nóng)作物進(jìn)行干燥。作為傳熱元件，熱管最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的傳熱率。Kargarsharifabad等對結(jié)合了熱管的平板太陽能集熱器進(jìn)行了能量和火用分析。

1.2 光伏光熱一體化系統(tǒng)

光伏光熱一體化系統(tǒng)（PVT系統(tǒng)）的基本結(jié)構(gòu)是PVT集熱器和蓄水箱，輔助熱源為水箱提供能量，使水箱的熱水保持在負(fù)荷所需的某一最低溫度。PVT系統(tǒng)的原理簡單：集熱器吸收入射太陽輻射，一部分吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，而其余的能量轉(zhuǎn)化為集熱器的熱量，最終加熱流體；太陽能電池和流體之間的熱交換降低了電池的溫度，提高了電池效率；出口流體通過管道可以當(dāng)作熱水被利用，所以PVT系統(tǒng)是以把太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的綜合效率來評價(jià)的。

Ooshaksaraei等利用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律研究了PVT系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性。Marletta和Evola運(yùn)用熱力學(xué)第二定律對一種水冷PVT系統(tǒng)進(jìn)行了研究。他們得出了如下結(jié)論：當(dāng)運(yùn)用光伏電池的情況下，在較低溫度時(shí)，系統(tǒng)相對能輸出更多的電能；而在較高溫度時(shí)，系統(tǒng)相對能輸出更多的熱能。所以研究的重點(diǎn)是如何定義PVT系統(tǒng)的總火用并使其最大化。Dupeyrat等發(fā)表了關(guān)于一種平板PVT系統(tǒng)的能量和火用性能。Buker等研究了一種在光伏電池底部使用循環(huán)聚乙烯熱交換PVT系統(tǒng)的能量和火用性能。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為屋頂?shù)囊徊糠郑c周圍恰當(dāng)融合，并成為房屋的一部分熱源，輔助房屋的制熱和制冷。Gholampour和Ameri從能量和火用的角度研究了一些參數(shù)（填料因子、翅片數(shù)量、翅片高度、環(huán)境和空間參數(shù)）對PVT系統(tǒng)的影響。

余長富分析太陽能光伏光熱一體化（PVT）系統(tǒng)熱效率、電效率和火用效率等性能的影響因素，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了PVT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，得到PVT系統(tǒng)集熱器熱效率與太陽能電池覆蓋率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，PVT系統(tǒng)集熱器電效率與太陽能電池覆蓋率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。楊天麒通過建立太陽能熱電裝置的火用分析模型，在效率分析的基礎(chǔ)上對裝置的火用效率進(jìn)行了分析。

1.3 拋物面形碟式集熱器

Madadi等對一種拋物面形碟式集熱器在能量和火用性能方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論上的研究。Liu等研究了一種帶半空腔接收器的太陽能碟式集熱器，其中包括了對該模組的火用分析。Shanmugan等構(gòu)造了一種低成本的拋物面太陽能集熱器，該集熱器利用由碲化鉍組成的熱電模塊在其焦平面上發(fā)電，并對其進(jìn)行了測試，評估了能量效率和火用效率。

1.4 其他集熱器種類

Nishi和Qi在最大火用效率的條件下，提出了一種熱模型，并對三維復(fù)合拋物面聚光集熱器進(jìn)行了優(yōu)化。Nixon等提出了三種基于線性菲涅爾反射器新型太陽能集熱器概念。

2 應(yīng)用

目前太陽輻射能量已被廣泛應(yīng)用于生活實(shí)踐。太陽能通過向熱能的轉(zhuǎn)化，直接對空間、水和其他物質(zhì)加熱；太陽能利用相變材料的潛熱儲存能量；太陽能還可用于建筑的制熱和制冷中；太陽能還能轉(zhuǎn)化為電能被人類所利用，人類通過光伏系統(tǒng)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這些產(chǎn)生的電能可以直接連接電網(wǎng)供電，可以供應(yīng)熱泵運(yùn)行，也可用于其他目的，比如用于電解水制造氫氣。

周燕等基于熱力學(xué)第二定律的火用分析方法，提出建筑能源的轉(zhuǎn)換；屠長環(huán)通過計(jì)算分析系統(tǒng)各設(shè)備的火用損失及火用利用效率，對組合能量系統(tǒng)不同類型之間的統(tǒng)一性和一致性進(jìn)行了深入研究；遠(yuǎn)義忠把火用分析方法引入到集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析中，建立了工程中最常用的一二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冬夏兩種設(shè)計(jì)工況下的擁分析模型，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算了兩種空調(diào)系統(tǒng)冬夏兩種設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的傭效率以及各設(shè)備的擁損失；梁明姍通過介紹低火用理論，展示在空調(diào)采暖系統(tǒng)中運(yùn)用低火用能源所能產(chǎn)生的巨大節(jié)能效益，同時(shí)就幾項(xiàng)常見的低火用技術(shù)，提出其各自的優(yōu)越性和限制條件，針對以電為能源的供暖方式，計(jì)算了一次能源效率和火用效率。

3 結(jié)語

本文基于近兩年來國內(nèi)外刊發(fā)的文獻(xiàn)，對太陽能熱力系統(tǒng)中所使用的火用分析方法進(jìn)行了綜述，歸納了各種類型的太陽能集熱器熱力系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。火用分析作為太陽能集熱器可持續(xù)性設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，是一種更有代表性的性能評估。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，無論是對于單獨(dú)的太陽能集熱器還是整體系統(tǒng)，使用該分析方法能較好地評價(jià)能量的品位。

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作者簡介：艾譯文（1993-），男，湖北武漢人，海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：熱科學(xué)與技術(shù)。

（責(zé)任編輯：王 波）