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低成本、免维护的户用聚光型一键通太阳能采暖技术方案
阳光能源网 2019-09-03 10:49:49 分享至: 阅读:416 评论:0
[摘要]该方案通过给真空管太阳能集热器加装一道“平面聚光镜”和“无(仪)表一键通”系统设计两项技术创新达到了一降成本(包括整机成本和运行成本),二易操作两大目的。可为收入水平、受教育水平双低的农村留守群体接受清洁能源采暖扫清障碍。

这里介绍一种比任何一种清洁能源都清洁的清洁能源采暖技术,名称叫做“户用聚光型一键通太阳能采暖技术方案”(系统结构原理参见附图1)。该方案通过给真空管太阳能集热器加装一道“平面聚光镜”和“无(仪)表一键通”系统设计两项技术创新达到了一降成本(包括整机成本和运行成本),二易操作两大目的。可为收入水平、受教育水平双低的农村留守群体接受清洁能源采暖扫清障碍。

附图一

聚光是此方案的第一特点,从原理图可以看到,横装真空管式太阳能集热器的集热面呈晒角度跟其它太阳能方案集热面尽量垂直朝着太阳来光方向、不是平铺就是仰装两种方式都不相同。它是面向南方俯式安装(前倾式)。同时,在其下前方固定安装了一条平面反光镜带。两者呈90°相交。通过阳光在镜面上的反射作用,使集热器受到的光辐射除太阳直接照射以外还得到了二次反射光。集热器从上到下每一根真空管柱面上的的受光量在最佳太阳入射角(即分角线)来光的情况下,从180°增为360°。从而近倍增加了集热器上的辐照强度。当然,由于反射镜是固定式安装,地球公转会使各地太阳高度角每天都在变化,夏至最高,冬至最低。这就造成从镜面反射出去的光线方向也是变化的。方向一变,集热器得到的反射光数量也会变,辐射增强的程度在不同季节也会有多有少。但这并不是一件坏事,因为作为采暖工程,我们本来就希望它只在冬天有巨大热量输出就够了。春、夏、秋三季热量太多反倒是麻烦。这正是我们需要的特性。只要恰当的设计集热器和反光镜的初始安装角度,就可以轻易做到镜面反射到集热器上的光线,在冬至时最大,夏至时最小。于此同时,太阳直投到集热器上的光线也会由于与集热器呈晒面偏斜度越来越大,热转化量也越来越小。两个作用叠加在一起,形成了一种系统热输出量和当地季节环境温度呈反向变化的一种独特年度走势。天气越冷的季节得热量会越大。天气越热季节,得热越小(参见附图2)。由此,用户再无需为夏天暴晒造成的一根接一根的集热管爆裂而烦恼,也不必为寒冬集热温度上不去而担忧了。

附图二
多少年来太阳能采暖市场不温不火,濒临消亡。甚至到了今天政府斥巨资大兴清洁采暖工程之际,仍然被工程繁杂、价格昂贵、又大量消纳气、电等常规能源的空气源热泵、燃气壁挂炉供暖方案挤出政府推广名单之外。不能不说是因为太阳能采暖系统一到最冷时段(比如零下25℃以下)就比不过空气源、壁挂炉可以供出的温度这一劣势有关了。现在,通过这种成本不高的固定式聚光作用,太阳能集热器做到了寒冬季节可以近倍增加幅照量,辐照量加大意味着能流密度的提升,必然带来温度品位的提升。北京数个如法安装的实际工程案例(附图3)记录数据已证实,即使在零下20℃的环温条件下,闷晒1小时,集热器就可进入到100℃沸腾状态。这已经对目前大行其道的空气源热泵的最高工质温度做到了大幅度反超。表明聚光太阳能适用的寒冷区域范围远比清洁供暖新贵“空气源”要广阔的多,有了极寒条件下稳定供出60~100℃中温热流的底气,国内已经找不到哪个地方不能正常使用了(欲了解此聚光技术细节,可参看作者ZL180202332发明专利说明书)。



附图三

再来介绍一种独特的“一键通”技术在此方案中所起到的作用。常言道“麻雀虽小,五脏俱全”。户用采暖系统和公共采暖系统相比规模虽小,但诸如集热泵循环、供热泵循环、自动补水停水、自动起停电加热器、防冻抗冻排空……等,这些基本功能却一个也不能少。需要配置一套包括各类传感器、执行部件和控制仪表来保障太阳能系统的正常运行。这要求用户要事先从仪表使用说明书上学会对水位、温度、温差、环温等各项工作点参数在仪表面板上通过各种功能键去进行一一设定的知识。虽然不要求有多高的专业水平,至少也要能读懂说明书才行。这会令一些家庭成员文化不高的农村用户视为畏途。为此,一些厂家开发了“一键通”太阳能控制仪表,目的是做到让用户只需对仪表面板上的室温键进行一次简单的手动设定。其它工作程序都已经被固化在控制器程序包内。无需用户操作,各执行部件的水泵、电磁阀、加热器等就能自动起停了。这种一键通虽然很容易学,但必要的传感器以及执行部件还是少不了的。出现故障也自然避免不了的。一旦出现故障还需要专业技术人员去进行排除。为了最大程度减少这类情况的发生。本技术方案推出了一种取消了仪表(自然也就没有传感器及执行部件)的“一键通”系统控制技术。在这里,太阳能循环水泵没有了,用自然循环(亦有称热虹吸)做了替代。上水电磁阀不见了,代之结构简单又不耗电的浮球阀来确保水箱永远处于满水状态。供热循环泵及电加热器虽然还在,操控也不再需通过控制仪表。一只简单的可调式温控器加上两只温度开关,通过在温控器上设定数值去接通或断开供热水泵和电加热器。同样可以做到对室内进行恒温控制。并保证优先使用太阳能。让用户真正享受到一次设定,全冬室内恒温的方便与舒适。这就是无(仪)表“一键通”技术的作用所在(可调温控器和温度开关外形见附图4)。

附图四

显然,一种好用的供暖设备,单单操作简单还不行。必须具有让系统运行长期稳定,可以防范灾害、消除隐患的多种安全保证举措。以应对各类外部不利条件对系统部件和运行过程的干扰和破坏。最常见的损害就是冰冻,室外设备抵抗高寒最薄弱的环节就是管路。为确保管路不冻,人们通常会使用排空、伴热或强制循环等主动式手段进行应对。但这无疑会造成热量或水量的无谓消耗。本方案的防冻方式是被动式无功耗的。在采热回路,依靠室外储水箱和真空管集热器两大热库持续不断的对上下循环管的水的热对流和置换,可确保在任何寒冷条件下,管路中的水都进入不了结冰温度。而在供暖回路中,防冻则依靠的是供暖循环本身。显然,天气越冷,供暖循环一定启动的越频繁,(夜里尤其如此)自然就保证了管路永远不会被冻裂。至于自来水上水管的防冻,只要把它和热供管置于同一保温套内,就可以顺利解决。除冰冻外,对太阳能采暖系统伤害很深的还有降雪。单是下雪过程没有日照影响还比较轻微。怕的是较厚积雪对集热器的覆盖,可能压坏玻璃集热管造成系统瘫痪。积雪的长期不融化,会使集热器十天半月得不到阳光照射,再好的阳光也发挥不出供暖作用(太阳能功能雪眠),供暖完全借助常规能源。使运行费用激增,令用户叫苦不迭。好在本方案不会出现这样的情况。因为集热器是前倾式摆放的。再大的雪也落不到集热器采光面上。太阳一出采热就可正常进行。同样的道理,也可让玻璃管免受冰雹的轰击。一场冰雹过后,集热场上满地真空管碎玻璃碴的场面在这里不会重演。至于提高系统的抗风能力,做起来也很简单,只要把原来安装屋顶的这些设备,移到院子里安装,有了房屋的遮挡,抗风问题就自然而然解决了。这也减少了设备对屋顶承重和防水层的破坏。坡屋顶无法安装集热器的难题也迎刃而解。
最后谈谈“低成本”问题。和目前一般的户用太阳能采暖系统方案相比,所用材料成本有明显压缩。从集热面积来说,这种聚光式集热器比一般平装或低角度斜装集热器在采暖季截获阳光的数量更多,所以只需原来1/3的集热器面积加上等面积反光镜,就能保证得到相同的辐照量(参见附图5)。控制方面省掉一套控制仪表和配套循环泵电磁阀。水箱内无盘管,外管路无伴热。直接传热,无换热器……以上举措都可减少不小成本开销。在现场安装工作量上,室外设备(主要是三大件,反射镜、集热器、水箱)现场组装好后只需和室内热供、热回、自来水三条管路接口一一做好对接就一切就绪。节省了不少安装工时和管件。上述因素加在一起,同样供热负荷条件下,大约降低了1/3~1/4的总成本。以一个可供暖两个房间(一室一厅)的系统为例,市场价位大约在5000元上下就可保证太阳能企业合理利润。而目前供暖能力相当的“太阳能+”系统市场招标价为6500~7500元。降低幅度十分明显。从运行费用上看,自然循环的集热方式使其全年无论供暖还是供热水,都不需要用动力来从太阳辐照获取热能(等同于COP值无穷大)。可为用户节约不少电费。低温度品位造成的太阳能系统“冷眠”和积雪覆盖造成的系统“雪眠”现象统统消除,对提高太阳能贡献率起到重要支撑作用,保守估算太阳能保证率可达75%以上。用户承担全冬取暖费用在无补贴条件下可控制在500~700元之间。比烧煤还便宜一半以上。再把它和空气源热泵及空气源热风系统做一番比较。(查阅有关资料,同样满足两个房间供暖的空气源热泵3匹机招标价19000元,两室空气源热风机招标价8000元。均大额度高于本方案。而且本方案和热泵类产品相比具有无噪声、无除霜、操作更简单,无需根据天气冷暖对系统工作条件进行更改的优势。因为结构简单,即使出现故障也不需要打电话请专业人员来检查排除,自己就可动手解决。无非就是关闭检修阀门,更换一两根真空管这类简单操作。不比原来家用太阳能热水器维修难度更大。由于太阳能系统供水温度能够达到60℃以上,所以不需要将原来煤炉供暖的暖气片更换为温度要求更低的地暖,而可以直接使用,就又节约一笔费用。安装对现场条件要求也很低,只要求有(市)电有(自来)水就可以安装使用。系统电负荷最大不超2kw,水扬程5米即够用。这条件对中国农村来说,包括边远地区都不成问题。但这样的条件,对于各类热泵和壁挂炉采暖来说却难以满足基本的前提条件,需政府投入巨量资金对供电、供气基础设施进行改造,每户平均4~5万元。运行后还要多年承担用户的电、气费用补贴,给地方政府带来巨大财政压力。现在,“低成本、免维护”户用太阳能供暖方案的出现,前期改造后期补贴统统可以名正言顺取消。一定会对加快清洁采暖工作产生促进作用,让来自太阳的能量温暖千家万户。

附图五

责编:张建苹

作者:李穆然 张愈聪


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