太陽灶耦合太陽能熱水的供熱梯級利用系統(tǒng)

0帶儲能箱的系統(tǒng)與熱性能的研究太陽灶是利用太陽能熱量的重要分支，在許多地區(qū)都可以使用。KlemensSchwarzer等對間接加熱式平板集熱器太陽灶的性能進(jìn)行了分析,系統(tǒng)不帶熱儲存罐,室內(nèi)外均可使用。MuthusivagamiRM等對帶儲能箱與不帶儲能箱的太陽灶系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析,指出帶儲能箱的系統(tǒng)具有更好的熱性能和穩(wěn)定性。MirdhaUS等對可調(diào)節(jié)后窗角度的箱式太陽灶進(jìn)行了研究,指出其可較長時間獲得較高的烹調(diào)溫度,可滿足每天兩餐的熱量需求。但現(xiàn)行太陽灶普遍存在使用環(huán)境惡劣、操作不便、系統(tǒng)單一、利用率較低等問題。WentzelaMarlett等也指出太陽灶擁有者中17%的用戶在烹調(diào)時并不使用太陽灶。真空管集熱器具有集熱效率高、熱損小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),為寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)太陽熱水器的主要集熱方式,其在夏季收集溫度較高,可考慮將其作為太陽灶的集熱端,提供烹飪所需能量。由于太陽熱量的收集受氣候條件影響較大,所以穩(wěn)定的能量供給需要能量儲存裝置。本文基于真空管集熱器建立了室內(nèi)太陽灶耦合太陽能熱水系統(tǒng),該系統(tǒng)是一種新型的太陽能中低溫?zé)崃刻菁壚孟到y(tǒng),可同時獲得穩(wěn)定的熱水和烹飪熱源。1系統(tǒng)設(shè)計1.1太陽灶和膨脹罐把控制板上的保護(hù)裝置打該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由同心套管式真空管集熱器、循環(huán)泵、管路、保溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、中高溫儲熱箱、熱水箱、灶等組成,循環(huán)介質(zhì)采用導(dǎo)熱油,保證高溫供給,如圖1所示。熱媒采用耐高溫(330℃)導(dǎo)熱油,管路系統(tǒng)內(nèi)側(cè)采用耐高溫的巖棉保溫,外側(cè)采用聚氨酯保溫,太陽灶為夾套形式,即保溫層與鍋體之間為熱媒。膨脹罐裝有膨脹管、溢流管、液位計等。膨脹罐正常工作時保持高液位,膨脹罐不采取保溫措施,以保證在需冷油置換時有足夠的導(dǎo)熱油來防止管內(nèi)導(dǎo)熱油的超溫過熱;膨脹罐的高液位也可避免停止循環(huán)時因?qū)嵊屠鋮s收縮而致空氣進(jìn)入系統(tǒng)。膨脹槽上的液位計裝有低液位報警功能,以防氣體進(jìn)入系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成,其一為太陽灶系統(tǒng),主要用來檢測太陽灶的性能,測試目的為驗(yàn)證該系統(tǒng)太陽灶的應(yīng)用特點(diǎn);另一部分為室內(nèi)太陽灶耦合太陽能熱水測試系統(tǒng),主要測試系統(tǒng)的熱水性能。1.2中溫集熱循環(huán)系統(tǒng)采用雙回路主動循環(huán),一是低溫循環(huán)(45~60℃),即集熱器和儲熱水箱內(nèi)的換熱器及循環(huán)泵構(gòu)成循環(huán)回路,利用管路中的熱媒,在循環(huán)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)下,通過換熱盤管,加熱水箱,其中儲熱水箱為封閉承壓式。為保證用戶使用過程的安全,采用定溫控制,當(dāng)水箱水溫接近上限值(一般為60℃)時,循環(huán)泵停止運(yùn)行;二是中溫集熱循環(huán),即集熱器、中溫儲能箱、灶及微型導(dǎo)熱油循環(huán)泵等構(gòu)成循環(huán)回路,依據(jù)集熱器出口溫度是否達(dá)到上限值(一般為90℃),來控制循環(huán)。在回路中安裝吸收式膨脹罐,用以吸收或補(bǔ)充由于循環(huán)回路中的熱媒溫度升高或降低而引起的熱媒體積膨脹或縮小以及管道容積內(nèi)超出或減少部分的熱媒體積的變化,從而保證熱水器循環(huán)回路管道安全。1.3系統(tǒng)運(yùn)行工況1)系統(tǒng)采用定溫循環(huán),自動探測集熱器出口、水箱、中高溫儲熱罐和灶的溫度,根據(jù)控制優(yōu)先級,啟動控制相應(yīng)的循環(huán);2)系統(tǒng)承壓運(yùn)行,工作壓力≥0.1MPa;3)實(shí)際運(yùn)行時,熱水系統(tǒng)配有恒溫閥,以保證熱水的舒適溫度;太陽灶系統(tǒng)配有溫度顯示,手動控制閥門,可調(diào)大小,來達(dá)到烹煮需求。詳細(xì)控制回路,如表1。1.4集熱器存儲的熱量qloss根據(jù)太陽輻射量及系統(tǒng)的優(yōu)先級循環(huán),即:低溫循環(huán)具有最優(yōu)級,中溫循環(huán)次之,儲熱循環(huán)最低(當(dāng)熱水箱溫度達(dá)到使用要求,集熱量不是很高的情況下,將熱量存儲在中溫箱內(nèi),用于再次加熱熱水和為烹調(diào)積蓄基礎(chǔ)溫度)。依據(jù)能量守恒原理,系統(tǒng)能效最高原則,分析太陽能熱水耦合太陽灶系統(tǒng)的總體性能。式中,Q0———集熱器日得熱量,MJ/d;Q1———低溫?zé)崴浯鎯Φ臒崃?MJ/d;Q2———太陽灶循環(huán)消耗的熱量,MJ/d;Q3———中溫儲能罐存儲的熱量,MJ/d;Qloss———傳輸過程中損失的熱量,MJ/d。真空管集熱器所吸收的總熱量:式中,It———太陽輻照度,MJ/(m2·d);ηA———集熱器效率,%;η1———真空管熱損失系數(shù),%;S———集熱器面積,m2。真空管集熱效率:式中,η0A———集熱器在環(huán)境溫度和熱媒溫度相同時的效率,取0.841;Ta———環(huán)境溫度,℃;Tm———熱媒溫度,℃;Jt———輻照度,W/m2;a1———基于吸熱體面積的系數(shù)常量,取1.047W/(m2·℃);a2———基于吸熱體面積的系數(shù)常量,取0.0102W/(m2·℃)。存儲的熱量計算公式,Q1與Q3計算公式相同。式中,c1———水的比熱容,kJ/(kg·℃);m1———水的質(zhì)量,kg;Δt1———每天水的溫升,℃/d。此外,Q2與Qloss與灶體和管道的保溫性能、環(huán)境情況等因素密切相關(guān)。2系統(tǒng)太陽灶性能測試2.1太陽灶基礎(chǔ)簡介室內(nèi)太陽灶性能測試裝置系統(tǒng)如圖2所示。集熱部分由8支2.0m×0.1m的同心套管式真空管組成。儲熱罐容量為20L,采用3cm厚的巖棉保溫,外側(cè)由1cm厚的聚氨酯保溫。太陽灶以半球型的不銹鋼封頭為基礎(chǔ)形成夾套形式,外層為保溫,中間層為熱媒,內(nèi)層為鍋的形式。熱媒通過不銹鋼直接與被加熱物接觸,增強(qiáng)導(dǎo)熱效果,獲得較大的接觸傳熱面積,同時直接在熱媒外側(cè)保溫,減少了熱損失。初始階段,導(dǎo)熱油粘度高、阻力大、系統(tǒng)流量小等因素,選用了上海金港液壓設(shè)備有限公司YG220/4824Z-VGB系列耐高溫微型導(dǎo)熱油泵。采用PT100鉑電阻,OLD-7412智能溫控表采集溫度數(shù)據(jù),溫度點(diǎn)布置,如圖1所示,根據(jù)系統(tǒng)檢測溫度,切換系統(tǒng)環(huán)路,檢測太陽灶的運(yùn)行效果。2.2測試結(jié)果與討論2.2.1集熱器出口溫度與儲熱箱溫度關(guān)系2010年5月19~21日,對系統(tǒng)進(jìn)行夏季工況測試,系統(tǒng)的調(diào)整過程如表2所示。系統(tǒng)流量較導(dǎo)熱油粘度較對應(yīng)檢測的溫度曲線如圖3所示。當(dāng)輻照度為900~1000W/m2、集熱器出口溫度為105~110℃、儲熱箱溫度在80~90℃時,經(jīng)集熱器與中溫儲箱,太陽灶循環(huán)約20min,溫度可穩(wěn)定在105℃,基本滿足烹煮(100℃)的溫度需求。已知太陽輻射量為24.06MJ/(m2·d),集熱器集熱體面積為1.390m2,根據(jù)式(3),可求得集熱器出口溫度為97℃。實(shí)際運(yùn)行過程中,真空管出口溫度最高時為115℃,儲熱油溫度為100℃,均高于理論計算值97℃。這主要是由于系統(tǒng)為間斷運(yùn)行,達(dá)到集熱溫度才循環(huán),所以真空管出口溫度較高,此外,由于儲熱箱有初始溫度(40℃),所以儲熱油溫高于計算溫度。2.2.2系統(tǒng)最優(yōu)循環(huán)的確定從2010年1月5~24日對系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)測試,選取1月15日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。測試過程中,通過定溫控制,改變循環(huán)模式,如真空管-儲熱箱循環(huán)(集熱器出口溫度45~90℃),真空管-儲熱箱-太陽灶循環(huán)(集熱器出口溫度90~115℃),分析系統(tǒng)特性。09∶30~10∶10的上升曲線為最初的集熱循環(huán),即集熱器與儲熱箱的循環(huán);隨后10∶10~11∶44的上升曲線部分是儲存中溫?zé)岬难h(huán),即集熱器、儲熱箱上部高溫油與太陽灶的循環(huán);11∶44~14∶03升降呈峰谷曲線的為集熱器集熱與集熱器、儲熱箱上部高溫油、太陽灶的交替循環(huán);14∶03~14∶10為集熱器與儲熱箱的循環(huán),儲熱箱下部出口溫度與集熱器溫度相同;隨后14∶10~15∶00為集熱器集熱與集熱器、儲熱箱上部高溫油、太陽灶的交替循環(huán)。其中儲熱箱與集熱器出口溫度重合的部分,是系統(tǒng)最優(yōu)循環(huán),儲熱箱的中溫?zé)崦浇?jīng)真空管加熱到溫后進(jìn)太陽灶,熱損失較小。綜上所述,當(dāng)輻照度在400~500W/m2時,通過定溫控制循環(huán),集熱器出口溫度可達(dá)到100℃以上,基于30~40℃的儲熱箱溫度,太陽灶溫度可達(dá)93℃。在管路熱損失高,輻照度低的條件下,基于儲熱箱累積溫度,采用定溫循環(huán),太陽灶仍可獲得較高溫度(100℃)。3系統(tǒng)熱水性能試驗(yàn)3.1試驗(yàn)室及裝置用于室內(nèi)太陽灶耦合太陽能熱水系統(tǒng)中的熱水工況性能測試地點(diǎn)為西班牙馬德里,系統(tǒng)收集熱水用于提供太陽能十項全能競賽小屋所需,測試所用裝置及競賽小屋如圖5所示。裝置中有20支1.5m×0.1m的同心套管式真空管,集熱面積為2.85m2,恒溫水箱為100L,熱水箱為200L,導(dǎo)熱油箱為150L。熱水箱采用聚氨酯進(jìn)行保溫,導(dǎo)熱油箱采用礦棉保溫,管路系統(tǒng)采用3cm厚的巖棉復(fù)合保溫。3.2系統(tǒng)溫度出現(xiàn)較大波動測試時間為2010年6月18~25日,主要對該耦合系統(tǒng)的集熱和儲熱能力進(jìn)行測試。選取6月24日的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖6所示。上午09∶30,恒溫水箱測試放水約60L,所以100L恒溫水箱和200L熱水箱溫度整體下降,隨后集熱器開始為200L熱水箱加熱,考慮到寄生電耗的影響,系統(tǒng)是間歇式開啟,溫度較高時,開啟,釋放熱量,隨后停止運(yùn)行,如此交替循環(huán),因此集熱器出口溫度出現(xiàn)較大波動。系統(tǒng)停止運(yùn)行期間,集熱器出口溫度升幅較快,隨著熱量的累計儲存,真空管出口溫度可達(dá)到160℃,甚至更高。4系統(tǒng)總體性能分析室內(nèi)太陽灶耦