适用于严寒地区的碟式太阳能供暖锅炉设计

山东省昌乐市第二中学 ■ 蒋博文

山东章丘强将阳光新能源设备厂 ■ 蒋强*

适用于严寒地区的碟式太阳能供暖锅炉设计

山东省昌乐市第二中学 ■ 蒋博文

山东章丘强将阳光新能源设备厂 ■ 蒋强*

提出一种适用于严寒地区的碟式太阳能供暖锅炉设计方法。首先将碟式太阳能供暖锅炉与其他类型结构进行对比，提出了碟式太阳能供暖锅炉结构及15个相关技术参数的说明及计算方法；其次，将两种设备在不同环境温度下的功率和热效率变化曲线进行了对比；最后，以新疆富蕴县冬季蔬菜大棚实验基地为研究对象，设计了36 m2碟式太阳能供暖锅炉，并给出了设计方法和技术参数。应用于富蕴县蔬菜大棚太阳能供暖项目的成功，充分验证了碟式太阳能供暖锅炉在高寒地区供暖的可靠性和高效率。

碟式太阳能供暖锅炉；严寒；采光面积

0 引言

雾霾天气是一种大气污染状态。化石能源的消耗量急剧攀升，增加了二氧化碳和各种有害气体的排放量，加剧了雾霾天气对地球生态环境的破坏。遍布城乡的燃煤锅炉和取暖煤炉是造成我国大面积雾霾污染的重要因素之一。在采暖区，城郊、小城镇和农村建筑在全社会建筑中所占比重超过70%，全年供热水和冬季采暖约占整年能源消耗的70%。据调查，北京农村家庭平均年用煤3 t，仅冬季采暖用煤就达2.5 t，78%的家庭认为采暖负担重。全国政协调研组就建筑节能问题提交的调研数据显示，按目前的趋势发展，到2020年，我国的建筑能耗将达到10.9亿吨标准煤[1]。10.9亿吨标准煤相当于北京五大电厂煤炭合理库存的400倍。据估算，每吨标准煤按我国的发电成本进行折合，约为2700 kWh，那么，到2020年，我国的建筑能耗将达29430亿kWh，比三峡电站34年的发电量总和还要多[2]。因此，提供清洁、高保证率、高性价比的太阳能供热采暖系统，是顺应国家发展规划及调整我国能源结构和治理雾霾污染的有效途径之一。

我国的黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古，以及青海、新疆、西藏等省份，由于冬季气温低、天气寒冷且寒冷期较长，被称为严寒地区或高寒地区，是最需要供暖的地区，太阳能供暖在这些地区的市场潜力巨大。找到适合严寒地区使用条件的太阳能供暖设备，成为严寒或高寒地区供暖需要解决的关键问题。

目前的太阳能供暖工程中，真空管型太阳能集热器由于价格低廉而在我国长城以南地区得到应用。但在我国严寒地区，真空管型太阳能集热器的供暖效率会迅速降低，甚至会发生故障，无法继续向建筑物内供暖。本文提出一种适用于严寒地区的碟式太阳能供暖锅炉的设计方法，可解决严寒地区冬季真空管型太阳能集热器无法有效为建筑物供暖的难题。

1 碟式太阳能供暖锅炉结构及参数

太阳能供暖系统一般包括太阳能集热系统、循环系统、散热系统、储热系统和控制系统几部分。其中，太阳能集热器主要用于收集太阳能热量，在太阳能供暖工程中占有极其重要的地位，整个太阳能供暖工程的热量来源都是由集热器提供。

1.1 碟式太阳能供暖锅炉结构图

本文提出的在严寒地区使用的碟式太阳能供暖锅炉，充分利用太阳能供暖，供暖锅炉结构图如图1所示。

图1 适用于严寒地区的碟式太阳能供暖锅炉结构图

1.2 碟式太阳能供暖锅炉结构的优势

1)碟式太阳能供暖锅炉安装有双轴自动跟踪太阳系统，热效率可比单轴跟踪太阳能集热器和固定式太阳能集热器提高30%～50%。

2)碟式太阳能供暖锅炉的聚焦比一般在500～2000，热效率受环境温度变化的影响很小。

3)碟式太阳能供暖锅炉的吸热器由锅炉钢板焊接而成，在严寒气温下，不会因热胀冷缩导致吸热器损坏。

4)碟式太阳能供暖锅炉可用水蒸气、防冻液、导热油作为传热介质，传热效率高，不会产生冻害。

1.3 碟式太阳能供暖锅炉与真空管型太阳能集热器的性能对比

目前，我国长城以南地区太阳能供暖工程中应用比较广泛的集热器是真空管型太阳能集热器。在国家颁布的真空管型太阳能集热器技术要求GB/T 17049-2005《全玻璃真空太阳集热管》和GB/19775-2005《玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管》的标准中，对真空管型太阳能集热器的热损系数规定为：无反射器的集热器总热损系数应不大于3 W/(m2•℃)[2,3]。由于真空管型太阳能集热器的每两条真空管之间有间距，无法将所有照射在集热器上的阳光吸收；另外，由于固定式真空管型太阳能集热器不能跟踪太阳，受太阳光线斜照造成的余弦效应的影响，集热器每m2采光面积的平均功率在300 W左右[2]。

碟式太阳能供暖锅炉的聚光镜可实现无缝隙反射吸收太阳光，一般采用反光率为95%的超白镀银玻璃镜片作为反光材料，当太阳辐照度为950 W/m2时，聚光镜反射聚焦到焦点位置的光斑功率为950×95%=902.5 W/m2；碟式太阳能供暖锅炉的吸热器吸热率一般在90%以上，则碟式太阳能供暖锅炉的功率为810 W/m2，为了保证太阳能供暖工程的供暖效果，一般按照750 W/m2进行理论计算。当环境温度为35 ℃时，真空管型太阳能集热器的功率是300 W/m2左右；当环境温度降至-40 ℃时，环境温度降低了75 ℃，真空管型太阳能集热器的功率降低了75×3=225 W/m2，于是真空管型太阳能集热器的功率就迅速降至75 W/m2。

由于碟式太阳能供暖锅炉的聚焦比一般在500～2000，理论上讲，碟式太阳能供暖锅炉的功率受外界环境温度降低而造成的热损只有真空管型太阳能集热器的1/2000～1/500，几乎可忽略不计。但碟式太阳能供暖锅炉的热量传输管道在低温环境下会增加热损[4-7]。

对不同环境温度下的碟式太阳能供暖锅炉烧水效率进行测试。在太阳辐照度为950 W/m2的条件下，碟式太阳能供暖锅炉在30 ℃时的功率是750 W/m2；当环境温度降低到-40 ℃时，碟式太阳能供暖锅炉的功率保持在约600 W/m2。将相同采光面积的真空管型太阳能集热器与碟式太阳能供暖锅炉在不同环境温度下的功率变化曲线进行对比，对比结果如图2所示。

图2 真空管型太阳能集热器与碟式太阳能供暖锅炉在不同环境温度下的功率变化

对两种设备在不同环境温度下热效率变化曲线进行对比，更能够发现两者的明显差异，对比结果如图3所示。

图3 真空管型太阳能集热器与碟式太阳能供暖锅炉在相同环境温度下的两个设备的热效率变化

2 碟式太阳能供暖锅炉结构参数及计算方法

1)采光面积。垂直于碟式太阳能供暖锅炉抛物面聚光镜的太阳光辐照面积S的计算公式为：

式中，r为抛物面开口半径。

2)聚焦比B为碟式太阳能供暖锅炉抛物面积与焦斑面积的比值，用式(2)计算：

式中，SP为碟式太阳能供暖锅炉采光面积，m2；Sj为焦斑面积，m2。

3)焦点晴天最高温度。晴天时，抛物面镜反射汇聚到焦点处的太阳光斑的最高温度，可用高温测温计测量。

4)额定功率。在规定的工况下，碟式太阳能供暖锅炉吸热器内的传热介质在单位时间内所获得的热量，可用碟式太阳能供暖锅炉单位时间内烧开水的方法获得。

碟式太阳能供暖锅炉的热效率η可由式(3)求得：

式中， m为水的重量，kg；c为水的比热容，kJ/(kg•℃)；Te为水的终止温度，℃；Ti为水的初始温度，℃；Q为单位面积累积太阳直接辐照量，kJ/m2；AC为采光面积，m2。

将式(3)计算所得数据代入式(4)，可计算出碟式太阳能供暖锅炉的额定功率P为：

5)自动跟踪太阳方式。碟式太阳能供暖锅炉采用自动跟踪太阳运行轨迹的方式。自动跟踪器首先通过GPS卫星定位系统确定碟式太阳能供暖锅炉所处的地理经度、纬度及实时时间，自动跟踪器内的单片机会根据地理经纬度和时间，通过内存的太阳天文运行轨迹参数，自动计算出该地点太阳的精确位置并发出指令，控制东、西、南、北驱动电机的启停，驱动碟式太阳能供暖锅炉对太阳进行实时跟踪。天文计算跟踪精度2°以内，在雨雪、大雾等无太阳光照的情况下对太阳进行闭环跟踪。晴天时，当碟式太阳能供暖锅炉通过GPS卫星定位和天文计算，跟踪精度进入5°以内时，自动跟踪器自动启动光控跟踪模式，实现对太阳的高精度开环跟踪。光控跟踪的最高精度可达到0.01°。

6)晴天最高跟踪精度。晴天时，测量两次跟踪调整频率内焦斑在吸热器上的位移距离L，然后测量出吸热器的旋转直径d，将数据代入式(5)即可计算出跟踪精度γ为：

7)自动跟踪系统每小时耗电量。自动跟踪器、东西跟踪电机、南北跟踪电机和自动跟踪系统继电器每小时的耗电量可用万用表或电表测量。

8)传热介质。吸热器吸收太阳焦斑热量后，把热量传输至建筑物内的载热体。一般情况下，适用于碟式太阳能供暖锅炉的传热介质有：防冻液、导热油、水蒸气等。

9)传热介质循环方式。传热介质在循环管道内的流动方式，一般有自然循环、强制循环和“自然＋强制”3种循环方式。所谓的自然循环，就是以冷热传热介质密度差而产生的压力差为动力，驱动管路里的传热介质流动；强制循环不是以传热介质密度差所形成的动力来循环流动，而是依靠泵作为动力来实现传热介质的循环流动；同时具备自然循环和强制循环功能的为“自然+强制”循环。

10)控温方式是指控制传热介质温度的方式。一般分为手动、自动、“手动＋自动”。

11)散热方式是指将太阳能热量输送到建筑物内，用来加热建筑物内的气温。常见的有：散热片散热、地暖盘管散热、风机散热等。

12)建筑物内温度是指被供暖建筑物内的温度，用温度计测量。

13)净重指碟式太阳能供暖锅炉未加注传热介质时的重量，用称重仪称量。

14)抗风级别。碟式太阳能供暖锅炉正常工作时可抵抗10级的大风，可用风速仪测量。

3 工程案例应用

3.1 案例环境条件概述

富蕴县位于号称“第二寒极”的新疆阿勒泰地区。富蕴县冬季蔬菜大棚实验基地位于88°10′E～91°31′E、45°00′N～48°03′N，冬季寒冷，气温差异大。富蕴县日照充足，年平均日照时数为2900 h，平均气温3 ℃，极端最高气温42.2 ℃，极端最低气温-51.5 ℃。

富蕴县冬季蔬菜大棚实验基地需要增加辅助供暖设备，实验基地缺乏电力和天然气供应，本文设计采用36 m2碟式太阳能供暖锅炉作为辅助能源。该实验蔬菜大棚东西长50 m，南北宽13 m，总体面积650 m2。地暖盘管埋深平均100 cm，间距100 cm。地暖盘管铺设情况如图4所示。

图4 富蕴县蔬菜大棚地暖盘管铺设示意图

3.2 富蕴县冬季蔬菜大棚实验基地碟式太阳能供暖锅炉结构参数

富蕴县冬季蔬菜大棚实验基地36 m2碟式太阳能供暖锅炉的技术参数如表1所示。

表1 采光面积36 m2碟式太阳能供暖锅炉的技术参数

3.3 效果验证

由于富蕴县冬季非常寒冷，冬季蔬菜大棚种植没有成功的先例，冬季蔬菜全部靠外部供给，所以没有其他辅助供暖数据供参考。该实验大棚在2016年1月初建成，未安装太阳能供暖锅炉以前，白天晴天时，棚内中午温度可升至30 ℃左右，但到了夜间，棚外气温降低到-30 ℃左右，棚内温度逐渐降低，到黎明时，棚温已经降到0℃以下，低温对棚内种植的蔬菜造成很大伤害。36 m2碟式太阳能供暖锅炉在2016年1月中旬安装完毕开始运行，经过实际测温，晚间大棚内的气温以每天0.2 ℃的速度逐步升高，经过两个月的连续运行，大棚内早晨的最低气温已升至10 ℃以上，全天平均棚温从最初的14 ℃升至20 ℃，完全满足蔬菜种植的要求。大棚内温度升高情况如图3所示。

图5 配备和未配备碟式太阳能供暖锅炉的蔬菜大棚棚温升高曲线图

4 结论

本文提出的碟式太阳能供暖锅炉结构设计方法，可依据碟式太阳能供暖锅炉结构参数计算方法设计应用于不同环境和能源需求的结构。应用于新疆富蕴县蔬菜大棚太阳能供暖项目的成功，充分验证了碟式太阳能供暖锅炉在高寒地区供暖的可靠性和高效率，为高寒地区太阳能供暖探索出了一条可行之道，对我国的节能减排和雾霾治理具有积极的推动作用。

[1] 吴玉金. 浅谈我国建筑节能存在的问题与对策[J]. 山西建筑, 2011, 37(26): 206－208

[2] 贾英洲, 李根华, 刘伟, 等.太阳能供暖系统设计与安装[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3] 王君一，徐任学, 孙喆, 等.农村太阳能实用技术[M].北京：总后金盾出版社, 2004.

[4] 何坚. 碟式斯特林太阳能热发电系统的模型构建和优化研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2011．

[5] Fraas L M . Path to affordable solar electric power & the 35% efficient solar cell [M]. America: JX Crystals lnc, 2004.

[6] Archer M D，Green M. Clean Electricity from photovoltaic [M]. London: Imperial College Press, 2001.

[7] Yoshihiro Hamakawa. Recent advances in solar photovoltaic technology and its new roles to the 21st century’s civilization life[A]. Technical digest of the international PVSEC-14. [C], Bangkok, Thailand, 2004.

光伏信息

2020年亚太地区将促使全球分布式变压器市场超过166亿美元

研究与咨询公司GlobalData表示，全球分布式变压器市场预计将由2015年的137.4亿美元增至2020年的166.7亿美元，年复合增长率为5%。

该公司的研究报告指出，为服务于日益增长的电力需求，需要扩大和升级现有的分布式基础设施，这将在可预见的未来促使分布式变压器市场积极增长。在亚太地区的新兴经济区和中东地区，大量的电站容量增加、经济增长，以及电力的改善都促使并网量的增加和分布式逆变器市场的增长。

GlobalData的分析师Swati Gupta表示，北美市场新的分布式变压器安装量相对较低，该市场的增长主要体现在替换市场，也就是将使用年限超过25年的旧变压器替换为新的。

同样地，许多欧洲发达国家，如英国和德国，它们的并网系统日益老化，需要对分布式基础设施进行升级，这就为分布式变压器市场的发展提供了契机。在发展中国家，预计分布式变压器市场将经历巨大增长。以亚太地区为例，随着各国产业化和乡村电气化进程的日益加剧，并网负荷加大，该地区2020年分布式变压器市场将达76.6亿美元。

Swati Gupta说道：“由于低成本的优势，许多公司对一些新兴市场，如中国、印度和拉丁美洲，对于其活动开始重新定位。同样，由于这些地区对电力的高需求，也为分布式变压器市场的发展创造了可能性。”

2016-08-02

蒋强(1970—)，男，主要从事碟式太阳能聚光器的聚光精度和自动跟踪太阳精度，以及碟式太阳能锅炉方面的研究。qwfyang2010@163.com