跨季节太阳能采暖系统详细介绍
 2020年01月16日 |阅读次数:313

跨季节太阳能采暖系统详细介绍


引言:文中以跨季节太阳能采暖为科学研究目标,调查世界各国太阳能储热的发展趋势现况,设计方案了非采暖期太阳能超低温集热与工业生产超低温设备温度规模性储热系统。在采暖期,利用中温太阳能集热器与工业生产余热回收(130ºC)驱动器“吸收式热泵”热泵机组作获取存储的低品味热量对工程建筑采暖。该系统能够提升太阳能全年度利用率,具备营销推广使用价值。


1概述


现阶段,在我国的电力能源消費总产量已稳居全球第(di)二,约占全球电力能源消費总产量的11%。在当今全世界电力能源和气候问题危機这一背景图下,国务院办公厅明确提出了争得到2020年保持非化石燃料占一次能源消費比例超过15%上下的宏大发展战略。


跨季节太阳能采暖做为一种資源发展潜力极大的可再生资源,将在中国绿色能源发展战略中饰演至关重要的人物角色。虽然太阳能光热发电利用具备很大的发展潜力,但现阶段在技术性并不是完善。这根本原因是,太阳能是一种時间上非持续遍布的电力能源方式,要促使其能持续地为客户供货动能,储热是一个关键步骤。一般的中小型或是小规模纳税人太阳能开水系统,选用蓄热储水箱能够保持短期内蓄热。可是这类系统针对有太阳光辐照而且有热量要求的状况,可高效率开展太阳能热的搜集和利用,而在有太阳光辐照却沒有热要求的状况,系统终止运作,太阳能沒有获得合理的利用。看得见,这类系统对太阳能的搜集是周期性单独的,因此全年度的太阳能利用率较低。除此之外,因为一般夏天太阳能相对性产能过剩,热需要量小,而冬天太阳能相对性不够,热需要量大,太阳能資源展现“夏盈冬亏”的局势。当在在我国北方地区,夏天出示衣食住行开水,冬天出示衣食住行开水或集中供暖,集中供暖的热要求大大的高过衣食住行开水,在目前的集热技术性标准下,选用中小型或小规模纳税人的太阳能开水系统,要考虑冬天集中供暖要求,必然必须资金投入很多的集热器集热总面积,导致运营成本昂贵,系统项目投资在15~20年的应用周期时间以内无法收购。


以便充足利用太阳能資源,在沒有热量要求的那时候也应当开展太阳能的搜集,以提升太阳能的全年度利用率,太阳能长周期时间跨时节储热技术性是现阶段科学研究的网络热点。跨季节太阳能采暖技术性考虑到将夏天产能过剩的太阳能搜集并储存起来,在冬天再多方面释放出来和利用,充足利用非采暖季的太阳能热量,合理地摆脱了太阳能“夏盈冬亏”的不利因素。


现阶段,有关跨时节储热技术性,中国目前的科学研究并沒有很切实解决储热难题。中小型或是小规模纳税人的太阳能系统的蓄热设备,因为其热管散热总面积与蓄热体容积之较为大,用以跨时节储热时,热量大部分都散失到自然环境中,无法蓄居所搜集的热量。只能将储热体做大、产生一定经营规模,保证热管散热总面积与蓄热体容积比例远低于1时,蓄热体才可以实跨时节蓄热,保持非采暖期的太阳能資源的合理利用。


因而,必须进行跨季节太阳能采暖的开发设计,进行相对的示范性系统,为规模性的营销推广做技术性及工作经验贮备。


2世界各国发展趋势现况


跨季节太阳能采暖的关键方式包含显热储热、汽化热储热及化学变化储热。汽化热储热具备热相对密度大,溫度起伏小等优势,开发设计新式成本低的相变材料是现阶段理论与实践的一个关键网络热点;化学变化储热是利用可逆性化学变化开展储热和放热反应,这类方式储热相对密度高,在工作温度下可长期性存储,可是其循环系统高效率低,运作和维护费较高,有待开展各个方面提升和改善;显热储热对储热物质的规定较低,科学研究也相对性完善,特别是在是利用储水箱开展的显热储热应用比较普遍,并早已国外一些跨季蓄热建筑项目中获得了应用,可是其品质、容量很大,储热全过程随着很大的溫度转变,无法在规模性的工程项目中运用。


2.1海外发展趋势现况


存储热量获取和运输是太阳能跨时节蓄热所遭遇的另一个关键难题。因为跨时节蓄热的蓄热時间较长,超低温蓄热应用更加广泛,因而怎样提升低品味能源的获取和运输高效率极其重要。跨时节蓄热太阳能集中供暖系统(CSHPSS)是现阶段关键应用的一种储热热量利用系统,该系统多种形式,在其中以埋储水箱做为蓄热设备的CSHPSS系统因为基本原理简易、储热取热便捷和热损害小等优势,近些年发展趋势快速,早已在法国、荷兰和德国等欧洲各国基本建设了一部分精品工程。可是根据基础理论的科学研究远远地落伍于工程项目实践活动,有关参考文献非常少,特别是在是在产业化运用层面的预期效果很少有报导。与水源热泵系统协同运作是另一种存储热量获取运输的方法,现阶段也是一些有关该类系统热量存储和释放出来特点的数值模拟解析,明确提出了提升系统运作高效率的运作方法,可是尚沒有有关的试验科学研究結果,且这类方法在热量的获取全过程中必须耗费很多的高品质电力能源电磁能,不能满足太阳能采暖高保证率的基础规定。


依据1979年至2007年的全球太阳能交流会的资料显示,在欧州集热器总面积超出500㎡的太阳能供热站现有131座,见表1。绝大部分系统在设计方案时仅考虑到太阳能短期内蓄热,造成全年度太阳能保证率仅在15%上下;仅有20座选用了跨季节太阳能采暖开展夏热冬用,将存储的热量用以冬天工程建筑采暖,进而使太阳能保证率获得了大幅提高。而因为技术性科学研究的不够等缘故,早已有超出10%的工程项目迫不得已关掉。从系统经营规模看,现阶段欧州经营规模很大的一座跨季节太阳能采暖坐落于荷兰,始建1996年,该系统的太阳能集热器总面积超过了18300㎡选用了储水箱蓄热、含水层蓄热和煤矿水蓄热三种蓄热方法开展周期性蓄热。


表1欧州规模性太阳能供热站状况

欧州规模性太阳能供热站状况

从所述解析看来,太阳能规模性长周期时间储热技术性早已变成海外促进太阳能产业发展规划的受欢迎技术性,但现阶段的科研成果仍然存有下列好多个层面的匮乏:


(1)跨季节太阳能采暖的科学研究,除显热储热,别的的基础处在理论与实践环节,尚未具有工程项目运用的标准。而即便是显热储热,也限于一部分國家局部地区的精品工程,并未开展产业化营销推广。


(2)存储动能的获取和运输科学研究贫乏。因为现阶段跨季蓄热的储热难题的科学研究并未完善,进而限定了有关热量获取和运输的有关科学研究。另外,跨季蓄热工程项目所遭遇的储热损失量大,热量无法高效率获取和运输等难题也急需解决,且热量获取全过程中广泛必须耗费别的高品质动能,造成附加的能耗。


(3)因为热量获取全过程中,伴随溫度的转变,这将会对超低温工作状况下的跨季蓄热高效率导致很大的危害,因而必须开发设计出适用变工作状况低品味热原的可特性采暖系统,以提升热量利用高效率。


2.2中国目前技术性基本


跨季节太阳能采暖技术性,关键分成超低温跨季节太阳能采暖与立高溫太阳能储能技术蓄热。超低温太阳能储能技术蓄热技术性的运用关键反映在工程建筑采暖、太阳能电热水器开水系统、太阳能热泵机组和致冷等层面的运用;中高溫太阳能储能技术蓄热的运用关键反映在太阳能热电厂的运用中。


现阶段中国进行的有关科学研究关键集中化在对新式储热原材料的开发设计和特性科学研究上,比如清华和我国科技进步高校对判定相变材料早已开展了十余年的科学研究,在其中清华研发的相变材料现阶段早已应用于清华超节能型示范性工程建筑上。而上海交大融合太阳能集中供暖和中(zhong)央空调运用规定,研发了有机化学/无机物复合型储能技术原材料并运用于太阳能通风工程,促使太阳能中(zhong)央空调在晚间和阴雨天也可以合理运用。上海交大,同济大学等企业还对利用去湿水溶液将太阳能变化为空调除湿与供暖工作能力的太阳能能源蓄存方式开展了科学研究,利用浓水溶液蓄存中(zhong)央空调供暖工作能力找不到自然环境温度差热损害,有利于远距离运输,是保持密度高的蓄存太阳能能源的合理方式。


一些企业如广东医学院、武汉理工大学、中科院电焊工研究室等企业竞相进行超低温改变蓄热原材料、低熔点合金、熔化盐热传导蓄热原材料、铝合金及瓷器类高溫储热原材料等各种改变储热技术性,尽管早已获得了一定有使用价值的科技成果,可是间距规模性具体运用也有很长的路要走。此外,中国很多企业在地区供暖系统设计方案及其热力管网提升等层面的科学研究,都具备了很多年的科学研究基本。能够进行中小规模纳税人的工程建筑集中供暖短期内蓄热要求,乃至跨时节长周期时间储热采暖工程新项目。


3跨季节太阳能采暖控制系统设计


3.1控制系统设计


将太阳能发电现有的超低温集热技术性(50ºC-60ºC)与工业生产超低温设备温度(<50ºC)运用紧密结合的方法,开展非采暖期规模性储热,运用“吸收式热泵”热源热泵做为取热及采暖的正中间技术性质粒载体,保持储热、取热和各采暖分系统的有机化学融合,并运用太阳能采暖季造成的中温发热量(130ºC)相互配合工业生产余热回收(130ºC)做为获取存储的低品味发热量的驱动器热原,在采暖期规模性取热开展工程建筑采暖的技术性方式,获得全部系统软件的最(zui)优化运作方式,保持替代传统式的电力工程驱动器式制冷压缩机以节约很多高品质电力能源电磁能的总体目标。

跨季节太阳能采暖控制系统设计电路原理图

图1跨季节太阳能采暖控制系统设计电路原理图


为了保证太阳能发电子系统可以单独运作操纵,太阳能发电集热系统软件与采暖大系统软件主干网中间选用板式热交换器开展发热量互换。太阳能发电子系统的冬天工况主干网侧传热進口水温度为72.9℃,非采暖期進口温度为77℃,相对的集热器工作中温度范畴在75℃~100℃,归属于中温集热器工作中温度范畴,因而采用U形管复合型抛物面(CPC)真空管太阳能发电集热器,可保证集热高效率较高。


控制系统设计的集热器铺设总面积(光照总面积)约7000㎡,可用以路面铺装集热器的4公亩工程施工场地设施约200m(朝南北方向)×200m(东面)。


箱头集热器正南方向安裝,安裝倾斜度约57.3°,7块集热器串连联接为一组集热控制模块,为防止前后左右邻近集热器的太阳挡住,前后左右邻近两控制模块中间的地面投影间隔为箱头集热器地面投影长短的1.25倍,即1.25×2m×cos(57.3°)=0.675m,每一个列阵包含48块集热控制模块,全部集热系统软件由9个列阵构成。


3.2工作中物质及管路、机器设备电机选型


(1)工作中物质


试点城市所属的赤峰地域归属于寒冷区,冬季温度最少达到零下30℃,务必考虑到集热系统软件的冬天的防寒,因而集热系统软件的循环系统工作中物质采用丙二醇汽车防冻液,选用容积配制为5:4的丙二醇与水混和水溶液,确保较低温度下可以运作。


(2)板式热交换器


依据非采暖期工况标准,选用顺流式多数温度差法,按对称性型BR系列产品板换的主要参数及有关规则关系式开展板换电机选型,并考虑到20%的传热总面积裕量,实际电机选型結果以下表:


表2板式热交换器设计方案主要参数

板式热交换器设计方案主要参数

(3)循环泵


循环水泵的水泵扬程由热交换器工作压力损害、集热器系统软件压及输运管路工作压力损害力损害三一部分构成:


(a)热交换器进出口贸易气体压力:依据板换电机选型,取汽车防冻液侧冬天压力降20.7kPa;


(b)集热器气体压力:箱头真空管太阳能发电集热器的U形管进出口贸易气体压力为0.3kPa,设计方案按7块串连测算,集热器的气体压力为2.1kPa;


(c)管路气体压力:集热器联接管路400m,考虑到热交换器的实际安裝部位,工程项目具体输运管路长短按2km计,企业管道比摩阻150Pa/m,摩阻360kPa。


因而,系统软件气体压力总工作压力损害约为382.8kPa。


考虑到20%的裕量,汽车防冻液循环水泵的电机选型主要参数为:


总流量326m3/h;水泵扬程46.8m(459.3kPa)。


(4)均匀罐


集热系统软件必须超过0.6MPa左右的承受压力,因而媒体开水输运管路必须承受压力运作,选用均匀罐开展管路运作全过程中的均匀(0.6MPa髙压)。


(5)短期内储热水箱


缓存水箱布局与太阳能发电集热器出入口以后,板式热交换器通道以前,其关键是缓存因太阳辐射强度大幅度转变而造成的集热系统软件出水量温度显著转变,有利于控制系统的可靠性。因为水箱具备一定的容积,当水箱通道温度转变时,注入水箱的流体力学必须与水箱内的剩水混和后再进到热交换器,在混和全过程中,流体力学的温度起伏被中合,操纵温度起伏的范畴。


可是,水箱的容积不可以很小,不然因为存水流量不够,针对温度起伏的操纵较差;而高溫承受压力水箱的价钱较高,约8000元/m3,因而出自于经济实用的考虑到,也并不是越大就越好。因此必须充分考虑左右要素明确缓存水箱的容积。


危害缓存水箱缓存工作能力的主要参数是水箱容积,但缓存工作能力的尺寸还与系统软件总流量和操纵時间的危害。真实立即水箱温度起伏的要素是真实立即水箱温度起伏的要素,Q是循环系统总流量,dt是操纵時间,V是水箱容积。以便明确集热系统软件水箱容积,取了北京市2011年4月28日评测的气候主要参数(水箱容积的明确与地区关联较小,关键考虑到辐射强度的突然变化),在设计方案的集热系统软件内(循环系统总流量为6kg/s)测算了水箱的温度起伏状况,当水箱容积得到3m3时,在太阳辐射强度忽然转变后的6分鐘内,温度起伏范畴基础可操纵在无缓存水箱状况下的一半。因而,缓存水箱容积取名为3m3。


(6)管路有关阀门配件


为为了确保在闷晒工况或忽然出现异常不可以循环系统时的管路排尽,必须在集热器串连控制模块进出口贸易管路处安裝自动排气阀,便于开展管路的排尽。


3.3控制系统方式


(1)系统软件运作情况


跨季节太阳能采暖系统软件的基础运作工况分成3种:


工况1:终止工况——集热系统软件的循环水泵终止运作,包含闷晒情况(有太阳光辐照、但真空管太阳能发电集热器沒有起停的工况)、无太阳光辐照情况(晚间、下雨天没有太阳辐照时);集热器未工作中。


工况2:自循环系统工况——集热系统软件的循环水泵运作,发热量蓄存至储热水箱,但不根据板式热交换器与主干网中间传热。


工况3:传热工况——短期内储热水箱的温度超过设计方案温度时,根据板式热交换器与主干网的水开展传热。


(2)控制系统方法和对策


集热系统软件的运作选用选用温度差操纵循环系统。


根据二种操纵方式保持上述情况3种运作工况的操纵:


1)循环水泵起停操纵


集热系统软件晚间关掉,当早上太阳升起有光照时,集热器出入口的检测温度Tc,out超出水箱温度△T1=7℃(该温度必须根据对集热系统软件高效率的危害解析来明确)时,打开循环水泵开展集热。系统软件一旦刚开始集热,当集热器出入口温度小于水箱温度时终止集热。


2)板式热交换器传热侧操纵


当水箱温度超出主干网温度△T2=5℃时刚开始传热,传热工况时、不管有没有太阳光辐照,集热循环水泵均需打开,以确保传热一切正常开展。


3)操纵時间步长△τ=6min


为防止三种工况的转换过度经常,需特定二种运作操纵方式的实际操作頻率,即双模式间隔时间(或数据监测、操纵运作起停间距)。


当自循环系统工况转换到传热工况时,在短期内储热水箱设计方案时其容积早已考虑到△τ=6min的储热工作能力,在气温突然变化或是到中午四五点之后等太阳光光照强度较差情况,集热器的出水量温度达不上水箱规定,必须历经一段时间的储热,以确保传热工况方式下可以不断运作一段时间,进而不容易由于板换个热以后水箱温度迅速减少至小于其退出温度。


4跨季节太阳能采暖供热系统的难题及提议


(1)跨季节太阳能采暖供热系统必须产业化运用,初项目投资较高,因而必须國家一定的现行政策及资产帮扶,单纯性借助产品化营销推广存有很大难度系数。


(2)跨季节太阳能采暖供热系统—地底土壤层储热方式占有一定总面积的农田,必须融合本地土壤类型、农田供求平衡情况、农田开发利用状况等开展。


(3)现阶段跨季节太阳能采暖供热系统产业化运用的示范性系统软件偏少,缺乏可参照的设计方案主要参数、运作主要参数,工程项目早期从整体规划、设计方案到工程施工存有较高的技术水平,工程项目的运作调整监控器都必须较强的系统化专业技术人员操纵。因而系统软件总体对技术性的规定高,规模性营销推广还比较艰难,以示范性运用主导。

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