太陽能集熱在清潔能源供熱的應用

孫亞楠

摘要：隨著人們對于環境保護和能源開發呼聲的不斷高漲，太陽能作為一種清潔能源，其開發和利用也成為了人類尋求新能源的熱點，具有廣泛的發展前景。文中先對太陽能集熱的工作原理及清潔能源供熱基本內容進行分析，再結合實際案例，分析其在實際項目當中的應用情況，希望通過本次研究可以成為今后太陽能碟式供熱系統的推廣應用奠定基礎。

關鍵詞：太陽能集熱；碟式光熱供暖系統；項目應用

太陽能熱發電是利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，在這條線上安裝吸熱管，吸收太陽能并對傳熱工具進行加熱，再借助蒸汽的動力循環發電。槽式吸熱管是將太陽能轉變為熱能的核心部件，其熱性能和結構可靠性將直接決定整個槽式熱發電站的熱效率和經濟成本。從國際商業化的槽式太陽能熱發電站運行和維護的統計數據來看，吸熱管真空失效和破損是造成太陽能熱發電站經濟損失的最主要因素。吸熱管真空失效和破損需要及時更換，以免影響電站運行，會大幅提高電站的維護成本，降低整個電站的經濟性。

1集熱系統

1.1塔式集熱系統

平面鏡是塔式集熱系統的一個主要組成部分，一旦定日鏡的傳動不能連續進行，集熱器就不能接收到反射光線，因此定日鏡如何以恰當的方式進行遠距離跟蹤是該系統的一個技術突破點。這種鏡子具備獨立的太陽追蹤系統，雙軸單軸均有。當集熱塔接收太陽光后，該系統可對其進行開環或閉環控制。

接收器由預熱、蒸發和再熱器三大部分組成，主要作用是間接或直接地接收“鏡場”四周分布的熱量。聚焦點的溫度需控制在一定范圍內，以免光斑在風的作用下出現晃動時，溫度高低不定。受熱面在太陽能的作用下，溫度達到一定程度后，將自身的熱量向四周散發是間接接收器的主要工作原理。間接接收器的一個代表是管狀接收器，由于其加熱的溫度過高，光斑的位置常常不確定，加上其他不確定的因素，溫度也常常不夠穩定，常造成各種不良后果。當介質不夠或流動不暢時，接收器會開啟自身相關的保護功能，必要時及時改變鏡場的傾斜度，或采取一定的隔離措施，以減輕接收器溫度過高帶來的不良后果。

值得注意的是，集熱塔相關工作人員的操作應按照具體的工作流程實施，切勿在接收器高溫運行時登塔。

1.2槽式集熱系統

首先，與塔式集熱系統不同的是，槽式集熱系統主要組成部分是集熱管形成的拋物面，且大多串聯成槽型。其次，這個系統也帶有相應的追蹤太陽的系統。最后，恰當地設置傳動系統的具體參數以及采取一定的措施以減少風力對該系統的影響是該系統的一大技術突破點。

槽式集熱系統當然也有其自身的劣勢。當熱流分布多少不等時，周圍環境的冷熱也常常各不相同，這容易引起吸熱管不耐受，損壞以致不起作用；當集熱管中的高熱導體流失時，由于其溫度過高，常常容易引發嚴重的后果，比如火災；當沒有足夠的電力及時的供應本系統時，高溫傳導介質則容易變性而失去作用。

1.3其他集熱系統

首先，與塔式集熱系統和槽式集熱系統不同的是，碟式集熱系統主要組成部分是反射鏡，各鏡子之間的關聯性常常不大，但性能好，耗電低，聚光好，但是，因為這個系統具有存儲空間不足、高昂的價格以及溫度過高等劣勢，人們對其常望而卻步。

與碟式集熱系統不同的是，菲涅爾式集熱系統主要組成部分是鏡面和集熱管，這個系統的前身是拋物面式的槽式集熱系統，此系統以槽式集熱系統為基礎，在鏡面上，采用其特有的菲涅爾類型，從而優化了鏡面的內部結構。當熱流分布多少不等時，周圍環境的冷熱也常常各不相同，這容易引起吸熱管不耐受，損壞以致不起作用。

2太陽能集熱系統在清潔能源供熱項目中的應用

2.1碟式太陽能熱發電系統的應用

碟式太陽能熱發電系統如圖1所示，主要由聚光器、接收器、斯特林發動機、發電機組成。聚光器由拋物面反射鏡組成，聚焦點位于接收器的開口處。接收器將聚光器匯聚的光能轉化為熱能產生高溫，驅動斯特林發動機帶動發電機轉動，實現太陽能轉換為電能。該系統使用雙軸跟蹤太陽，晚上當輻照度變得太低而不能產生電力時，返回到起始收集位置。本系統的部件尺寸及其技術規格如表1所示。

2.2項目具體細節

以一套25kW碟式太陽能熱發電系統為研究對象，對系統的各個部件進行數學建模并計算在典型工作條件下各個部件的熱效率和效率，評估各個部件的性能。分析結果表明：

（1）聚光器自身光學性質及接收器內工質吸熱升溫的熵增造成損失，導致集熱子系統效率遠低于本身熱效率。

（2）斯特林發電機的能量損失和損失分別占了總能量損失和總損失的絕大部分。所以提高碟式太陽能熱發電系統效率的關鍵在于提高斯特林發電機的轉換效率。

系統的運行過程如下：（1）用戶進出水口、電鍋爐及太陽能供暖系統為共用，采用并聯的方式來進行連接；（2）進入到采暖期時需要對系統進行檢查和壓力測試，了解是否存在漏水現象；（3）供暖之前必須要經過預加熱工序，額定設計的進出水溫度分別為95度和70度。（4）有白天與夜晚供暖部分，白天為直接供暖，晚上需要使用白天儲存的水進行供暖。（5）具有智能化調節功能，不僅在室內溫度調節還表現在陰天或者日照不足時的調節。

3結語

本文梳理和總結了太陽能熱利用技術在我國溫室中的應用現狀與主要形式，并對該技術的發展提出了展望。未來，資源節約型和環境友好型的溫室生產方式將得到進一步的推廣和應用。

參考文獻：

[1]張述英，王向東.疏菜保護地高產高效栽培技術[M].北京：中國農業出版社，1997.

[2]農業部農業機械化管理司.全國農業機械化統計年報[R].農業部農業機械化管理司，2016.

[3]熊莉萍.充分利用太陽能資源，加快寧夏光伏發電開發閥[J].科技與企業，2011，（16）：83-85.

[4]王奉欽.太陽能集熱器輔助提高日光溫室低溫的應用研究[D].北京：中國農業大學，2014.

[5]李文，楊其長，張義，等.日光溫室主動蓄放熱系統應用效果研究[J].中國農業氣象，2013，34（5）：557-562.

[6]馬承偉，姜宜琛，程杰宇，等.日光溫室鋼管屋架管網水循環放熱系統的性能分析與實驗[J].農業工程學報，2016，21（32）：209-216.

（作者單位：唐山市熱力總公司）