一種太陽能綜合完全供熱木材干燥系統的設計

李美玲，王喜明，劉小燕

(內蒙古農業大學材料科學與藝術設計學院，呼和浩特 010010)

0 引 言

太陽能作為一種環境友好型的新能源，是未來可持續利用的壽命最久的一種綠色能源，我國可有效利用的太陽能資源很富饒，數據顯示，我國約有2/3的國土年輻射時間超過2 200 h，年輻射總量為3 340～8 400 MJ/m2。

我國大陸表層每年接收的太陽輻射能在0.5×1 020 kJ左右，全國的太陽年輻射能總計可達3 400～8 400 MJ/m2·a，中間值大約為5 900 MJ/m2·a。而內蒙古能接收的太陽能輻射量很大，內蒙地區的日照時數在3 000～3 200/(h/a)范圍內,平均日照百分率為67%,年總輻射量5 852～6 680 MJ/m2·a[1]。

國內將木材干燥與太陽能利用結合的研究大多是單方面結合，比如太陽能一熱泵聯合干燥技術，該技術可以減少CO2及其它有害物質的排放，在節約能源和保護生態生物環境方面都有非常明顯的收益[2]，但在設備成本上有所增加并需要定額消耗一定的電力。還有一種集溫室型太陽能干燥室、太陽能發電及太陽能發電涉及的相關控制系統于一體的光電—光伏聯合木材太陽能干燥裝置，并進一步說明了該綜合裝置的光熱、光電性能及所用試材在設備中進行自然對流干燥和強制對流干燥時的一些特點[7-8]。但這些研究都只是將太陽能作為部分熱源，在干燥過程中還需要其他能源，且對干燥過程中產生的廢氣廢液等無后續的處理措施，而本研究將三種太陽能集熱方法綜合應用于木材干燥系統中：即利用太陽能空氣集熱技術加熱進入干燥室的空氣、利用太陽能光熱技術加熱水，利用太陽能光電技術為整個干燥系統供電，實現了木材干燥室的太陽能完全供熱，且對于廢氣廢液有回收利用措施，高效利用太陽能的同時，大大減輕了木材干燥過程中對環境的污染。

1 太陽能的應用

太陽輻射能的直接利用，基本上有四種方式，應用最多的是太陽能的光—熱轉換和太陽能的光—電轉換，其次還有太陽能的光—化學轉換和太陽能的光—生物質轉換。在本系統中的應用為太陽能光—熱轉換和太陽能光—電轉換。

平板型太陽能空氣集熱器是一種利用空氣為熱媒的太陽能加熱裝置，太陽能空氣集熱器結構簡單，安裝方便，制作及維修成本低，無腐蝕防凍等問題，在與建筑結合等方面具有顯著優勢，可應用于立面系統和屋面系統的安裝和使用。在風機運行的情況下，墻面損失的熱量被空氣集熱器再次吸收，經循環重新回到室內。

太陽能光伏發電利用的是太陽能電池的光生伏打效應，根據其應用的場合不同，可將光伏發電系統分為離網光伏發電系統和并網光伏發電系統，這兩種系統的主要區別在于是否接入國家電網，離網系統多建于偏遠地區，向獨立的區域用戶供電；并網系統具有對點額昂調峰、減少建設投入、靈活性強等優點。

2 太陽能綜合完全供熱木材干燥系統及其熱力計算

2.1 被干材種及干燥室干燥室尺寸

呼和浩特市某木材廠每年都要對鋸材進行干燥，被干木材為馬尾松整邊板，初含水率為60%，終含水率為10%，材堆的外形尺寸以及材堆數：l=4.0 m，b=1.8 m，h=2.6 m，m=2。干燥周期為172 h，干燥室的內部尺寸：l=9.5 m，b=2.8 m，h=4.3 m(風機間的高度為1 m)。裝風機數量為5個，功率為1.1 kW。

呼和浩特的年平均溫度為8 ℃，整年最冷月的平均溫度為-15 ℃，最低溫度為-41.5 ℃[參考文獻]。

2.2 太陽能空氣集熱器

太陽能集熱器采用平板型空氣集熱器，采用文獻[16]中集熱器面積為80 m2，空氣流速為2 m/s，空氣溫度為283 K，空氣流道厚度0.04 m，集熱面吸收率為 90%，集熱器效率0.646進行計算[16]。

Q1=G均×A×η=3.5×104kJ/h

2.3 木材干燥室內熱力計算

木材干燥室內熱力計算，見表1。

表1 熱力計算相關數據

2.4 儲水箱

根據太陽能干燥室系統的需要，增設一個尺寸為1×2×1(m3)，四面封閉，但頂部開有排氣孔的儲水箱。水箱以不銹鋼為基本框架，用酚醛泡沫與鍍鋅鋼板復合作為保溫材料層，形成一體化的保溫水箱[18]。在干燥室啟動前，水箱中通入足量的冷水，并保持與自來水管的聯通，以便可以隨時進行水量的補充，水箱中設有浮球閥，可自動控制自來水龍頭的開與關，在水箱中進水口及頂部放置有過濾吸附材料。

設廢氣所帶熱量為正常室干的56%[17]，q廢=q干×56%=9.5×104kJ/h

將廢氣通入儲水池后，可將水加熱的溫度t2(按回收率100%，管道熱損失5%，熱量吸收率30%，冷水溫度10℃技計算)

2.5 太陽能熱水器

將水箱中的水繼續通入太陽能熱水器中，并持續加熱到50 ℃，采用36管XK型一體式太陽能熱水器。該熱水器采用的納米變頻管—是一款由特硬玻璃和新工藝鍍膜而成的高效真空管集熱管，規格為55×1 800 mm，保溫時間超過80 h，水箱結構上配有側溢流孔，側排氣，可集傳感、上水與排氣于一體，并配置電加熱孔，光照不充足時，可啟動電加熱輔助，在系統集熱平板出口處安裝測溫元件，通過對溫度環境的控制，可使水箱溫度保持恒定，結構如圖1所示，在本設計中，綜合考慮太陽能熱水器的使用壽命以及耗電情況，設定水箱溫度為50 ℃；支架材料為加厚加寬不銹鋼支架，厚度為14 mm，寬100 mm，反光傾角為41°。

圖1 定溫放水箱直流熱水系統

則需提供的熱量為：

Q需=ρ×c×V×(t2-t1)=5.6×104kJ

2.6 太陽能發電供熱鍋爐系統

常規干燥主要靠鍋爐供熱，根據需要為本干燥室配置一臺0.7 t/h(700 kg/h)的蒸汽鍋爐，其額定容量為1.0 t，額定蒸汽溫度可達119 ℃，熱效率可達98%。

將鍋爐中的水從50 ℃加熱到90 ℃所需要的熱量：

Q爐=cmΔt=1.18×105kJ

2.7 太陽能光伏供電系統

根據計算，一間干燥室裝配有五臺軸流式的通風機，每一臺風機需要的功率P1=1.1 kW,安裝功率為Pi=5.5 kW。鍋爐則采用功率為480 kW，蒸發量為0.7 t/h的電加熱鍋爐。

此次對于干燥室供電系統的設計主要針對鍋爐以及干燥室運作，所需功率要求大于等于480 kW，故設計500 kWp的光伏并網發電系統。

對于本太陽能光伏發電系統，采用分塊發電、集中并網的模式，將整個系統分割成兩個250 kW的光伏并網發電單元，每個光伏具有并網發電單元的遼闊電池組件采用串并聯結合使用的方式組成陣列，兩個光伏分系統是相互獨立運行的，這樣方便進行梯級層級控制，提高系統自動運行的效率[19]，太陽能光伏電池組件的峰值功率為165 Wp，具體計算步驟如下。

(1)250 kW并網逆變器最佳工作電壓點位DC560V的直流工作電壓正常范圍在DC450～880 V之間。

(2)太陽能光伏組件串聯的組件數量為：

NS=(560/23.5)±5=24塊

(3)考慮到溫度系數的變化，取十八塊光伏電池組合組件相串聯，單列的串聯功率為：

P=18×165(Wp)=2 970 W

(4)單臺250kw逆變器需要配置光伏電池組件關聯的數量為：

NP=250 000/2970≈85列

(5)根據內蒙古地區的日輻射量確定太陽能光伏陣列的安裝角度為41°。

(6)太陽能光伏陣列的布置

光伏電池組件陳列間距的計算，確定光伏組件陳列間距時要考慮陣列與陣列間的遮陰，用下式計算間距D:

D=0.707H/{tan[arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)]}

經計算得D=5.37 m，取光伏電池組件陣列間距為5.5 m。

即500 KWp光伏并網發電系統共需要3 060塊發電峰值功率為165 Wp的多晶硅光伏電池組件，每十八塊光伏電池組件組成一個串聯，共170列支路并聯。

3 結束語

本設計通過將木材干燥供水供熱供電環節，與太陽能熱水器及太陽能光伏發電技術進行結合，將干燥室內的水以及排出的濕蒸汽通入到儲水箱中進行熱量的傳遞，再經過太陽能熱水器加熱并且穩定在50 ℃，通過電加熱鍋爐直接加熱到干燥室所需的溫度供干燥室使用，形成一條完整的水循環系統，大大減少了水資源的消耗。雖然中間環節增多，但都有極其重要的作用，儲水箱不僅可以吸收干燥時排除熱氣所攜帶的熱量，還能吸收一部分干燥廢氣/廢液中所攜帶的有害物質；經過太陽能熱水器則是充分利用了太陽能資源，減小了電鍋爐從十幾度直接加熱到一百度左右所需的加熱功率，大大降低了能耗，且鍋爐供電采用的是太陽能光伏發電系統，不僅實現了資源的合理利用，也提高了資源的利用率，同時減少在干燥過程中對環境產生的污染，實現了真正的節能環保綠色干燥。