海南热带环境下储热型太阳能利用系统

刘世豪，王 伟

(海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228)

海南热带环境下储热型太阳能利用系统

刘世豪，王 伟

(海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228)

针对海南省太阳能热利用成本高的问题，探索了一种符合海南省热带环境特点的太阳能利用系统。收集整理海南省代表性城市月平均太阳总辐射量，分析了海南省太阳辐射强度分布规律。采用储热材料和显热储热方式设计了太阳能利用系统。结合海南省太阳辐射强度分布规律，设计带有机械齿轮和发条装置的单面聚光器与“组合式”聚光器，有效降低了因太阳方位变化对透镜聚光效率的影响，提高了菲涅尔透镜的聚光效率，并对该系统的发条装置进行了结构优化，简化了系统设计过程。对比分析该储热型太阳能利用系统与普通家用电饭煲的能耗量，验证了系统结构设计的合理性。研究结果表明：所设计的储热型太阳能利用系统具有良好的节能环保效应。

热带环境；菲涅尔透镜；优化设计；储热材料；太阳辐射强度

0 引言

海南省地处中国热带地区，有着得天独厚的热带环境资源，四季阳光充沛，太阳能资源相当丰富。目前，海南省在热带环境资源利用方面主要体现在太阳能的热利用上，但普及率不高。在太阳能发电、太阳能海水淡化等方面，近些年虽有所发展，但使用成本较高，导致其在推广上存在一定的局限性[1]。对于长期从事捕鱼作业的海南渔民而言，有效地利用太阳能可解决他们在海上生活的能源问题，丰富海南省太阳能热利用的门类。尤其是海南省三沙市刚成立不久，生活基础设施还不够齐全，三沙市渔民和官兵的日常生活能源主要靠外来补给，然而，三沙市所在区域的日照较为充足，这为将太阳能用于日常生活提供了有利的条件。考虑到海南省丰富的热带环境资源与其开发利用上的不对称性，探索一种既经济又实用的太阳能热利用系统是十分必要的。

近年来，国内外相关学者对储热型太阳能利用技术进行了广泛的研究。文献[2-3]认为，目前太阳能的热储存主要分为3种形式：利用物质升(降)温时吸(放)热特性的显热储热方式；利用物质发生相变时的吸放热特性的潜热储热方式；利用可逆化学吸放热反应特性的化学反应热储热方式。这3种储热方式中，显热储热方式的原理最简单、材料来源最丰富、成本最低廉；潜热储热方式相比于显热储热方式，虽具有单位体积储热密度大的优点，但材料在相变过程中具有高腐蚀性，价格也相对较高，这大大限制了其在实际中的应用。文献[4-5]对显热储热方式中的储热材料进行了研究，以熔融盐作为储热系统中的储热材料及传热介质，不仅可以提高热交换效率和导热温度，减少储能系统的质量，而且还能大大降低成本，减小对环境的危害。

针对当前太阳能热利用系统成本高、使用不便等问题，本文结合海南省热带环境的特点设计了一种储热型太阳能利用系统。通过对海南省尤其是三沙市的太阳实际辐射强度进行数据拟合及相关对比分析，证明该系统理论设计的可行性，并探究其实际应用价值，从而为海南省的太阳能热利用提供了新的思路。

1 海南省太阳辐射强度分布规律

根据文献[6]可知：海南省太阳能资源理论储量为1.71×1022J/年，年平均太阳能总辐射量为 4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照时数为2 166 h。表1是根据文献[7-8]整理得到的海南省代表性城市月平均太阳总辐射量。

表1 海南省代表性城市月平均太阳总辐射量 MJ/m2

表1中的数据经MATLAB软件分析后，拟合出海南省月平均太阳总辐射量Qm随月份变化的关系式：

Qm= -10.2t2+130.7t+156.6，

(1)

其中：Qm为海南省的月平均太阳总辐射量，MJ/m2；t为月份。由式(1)可以得出：海南省的月平均太阳总辐射量与月份间基本满足二次函数分布；在6～7月份，月平均太阳总辐射量达到最大。

2 储热型太阳能利用系统的构造

为了降低因太阳方位变化而对菲涅尔(Fresnel)透镜聚光效率的影响，根据海南省热带环境下太阳辐射强度分布规律，并从经济实用性考虑，本文针对该储热型太阳能利用系统中的聚光器，提出了两种改进方案。第1种是在传统的聚光器主支撑轴上安装机械齿轮及发条机构，通过人工上条操作，使聚光透镜的正聚光面能跟随太阳的移动而移动，从而增加太阳光垂直入射到聚光透镜上的概率[9-12]。第2种是将传统的单面聚光器改为多面“组合式”聚光器，即利用多块透镜组合在一起聚光，通过增加透镜的聚光面积来保证太阳光在任何时刻都能够有效地被“组合式”透镜的某一部分聚集到同一区域(焦点)，进而提高聚光效率。

图1 条盒轮剖视图

2.1 机械追踪装置弹簧发条机构优化建模

机械追踪装置主要由弹簧发条驱动机构、变速齿轮行星轮系、中心主转动轴、复位机构、支架及基座6部分组成。弹簧发条驱动机构为整个装置的核心，主要由装有螺旋形发条弹簧的条盒轮和擒纵机构组成，其中，条盒轮中发条弹簧的设计为整个驱动机构设计的关键。条盒轮的剖视图如图1所示。设计发条弹簧主要是按照设计手册反复计算取最优值，该方法繁琐且工作量大，本文结合发条弹簧的功能及性质，探索其约束条件，建立优化设计模型，通过MATLAB等软件快速且准确地求出其相关设计参数。

2.1.1 发条弹簧优化设计目标函数

将发条弹簧的3个设计变量(厚度、宽度和工作长度)作为优化设计参数，依次设为x1、x2和x3。以标准带盒发条的体积最小为目标，得到发条弹簧优化设计的目标函数为：

(2)

2.1.2 发条弹簧的约束条件

在发条的设计过程中，一般应综合考虑发条弹簧的输出力矩、发条弹簧厚度、发条弹簧宽度、空转转速、力矩变动率和延时走时等方面的问题[13-17]，故针对这些问题确定发条弹簧优化设计的约束条件如下：

(Ⅰ)输出力矩约束

最终设计的发条弹簧的最大输出力矩应大于阻力矩[Mmax]，其约束不等式为：

(3)

(Ⅱ)发条弹簧厚度和宽度约束

根据设计手册，发条弹簧的厚度和宽度分别在[0.5,4]、[5.0,80]内取值，其约束等式为：

(4)

(Ⅲ)空转转数约束

发条弹簧的最大圈数nmax应大于空圈数n0(n0=1.0～3.5圈)，其约束不等式为：

(5)

(Ⅳ)力矩变动率约束

为保证发条弹簧力矩输出的稳定性，要求其力矩变动率小于许用力矩变动率[B]，其约束不等式为：

(6)

(Ⅴ)延时走时约束

发条弹簧的力矩输出时间应该大于设计所需时间[T]，其约束不等式为：

(Ⅵ)发条弹簧制造条件约束

发条弹簧的工作长度应该大于其最短长度，其约束不等式为：

(8)

式(2)～式(8)中：K为弹簧刚度，N/mm；b为发条弹簧的厚度，mm；h为发条弹簧的宽度，mm；σb为抗拉强度，Pa；xi(i=1,2,3)为设计变量，mm；m为强度因数；E为弹性模量，Pa；Lg为弹簧的工作长度，mm；Lmin为发条弹簧的最短长度，mm。

2.1.3 发条弹簧设计优化模型

针对上述约束条件，发条弹簧的最大输出力矩为Tsmax、最小输出力矩为Tsmin和最大理论力矩为Tmax，可根据工作需要求出而作为已知量，故可得到发条弹簧设计优化模型：

(9)

图2 储热型太阳能利用系统结构设计原理图

根据上述优化模型，通过MATLAB软件采用优化算法进行编程，即可快速准确地得到发条弹簧的相关设计参数，从而减少设计工作量，并提高系统结构设计的科学性。

2.2 储热型太阳能利用系统

本文采用熔融盐(硝酸盐)为储热材料，并以显热储热方式构造一种新的太阳能利用系统，其结构设计原理如图2所示。该系统采用前文提出的机械追踪装置弹簧发条机构，系统应用的技术路线如图3所示。

图3 储热型太阳能利用系统应用的技术路线图

3 太阳能利用系统的应用分析

3.1 数据计算

对式(1)进行积分，得到海南省的年平均太阳总辐射量Q1为：

根据文献[6]可知：海南省年平均太阳能总辐射量为4 600～5 800MJ/m2，而由式(1)积分所得的海南省年平均太阳能总辐射量为5 195.85MJ/m2，与文献[6]相符。所以从统计学的角度而言，以式(1)作为海南省年平均太阳辐射量的计算关系式是较为准确的，由此得来的相关平均值也有一定的参考价值。取1年为365d，得到海南省每天的平均太阳能辐射量Q2为：

由于式(1)是在实际统计数据的基础上拟合而来的，从统计学的角度而言，式(1)已计入相关环境因素对太阳辐射强度的影响,故Q2的值可作为1 d内单位面积的菲涅尔透镜表面的太阳辐射强度值。

为方便计算，设聚光器上菲涅尔透镜的总面积为A,设其聚光比为k，则经聚光器聚焦后，接收器(储热材料)上每天的理论太阳能平均辐射量Q3为：

Q3=kAQ2。

(10)

又由文献[18]得，储热介质为硝酸盐时的兰金(Rankine)循环效率为40%，故储热材料全部吸收太阳辐射能后的理论平均放热量Q4为：

Q4=Q3×(1-40%)= 0.6kAQ2，

(11)

也即储热材料平均每天的理论储存热量为Q4。

3.2 能耗量对比分析

取3口人家庭普遍使用的1.5 L电饭煲作为参照，对比分析上述储热型太阳能利用系统的热能利用效益。电饭煲功率为700 W，大约20 min可将米饭煮熟。

根据热功的计算公式Q=Pt，得每煮1次米饭，上述电饭煲消耗的能量Q5为：

Q5=700 W×(20×60) s=8.40×105J，

此处暂不考虑电饭煲保温时的能耗。

根据菲涅尔透镜的实际参数情况，选取焦距为620 mm、聚光比为10、几何尺寸为 520 mm×520 mm的菲涅尔透镜(焦点处温度可达500 ℃)进行对比分析。因此，将A= 520×520 mm2= 0.27 m2、k=10,代入式(11)后可得：

Q4=(0.6×10×0.27) m2×14.24 MJ/m2= 2.31×107J，即经由菲涅尔透镜聚焦后，该储热型太阳能利用系统的储热材料平均每天理论储存热量为2.31×107J。

对比普通家用电饭煲的能耗量可得：该种储热型太阳能利用系统平均每天的储热量理论上可以煮熟 27.50 kg 米饭，可节约电能6.42 kW·h。文献[19]研究表明：在火力发电中，每1 kW·h电能需 0.4 kg 标准煤，每1 kg煤燃烧会产生0.68 kg粉尘、2.49 kg CO2、0.08 kg SO2和0.04 kg氮氧化物。依此类推，如果使用该储热型太阳能利用系统收集1 d的热量，平均每天可节省标准煤2.57 kg，还可减少CO2、SO2、氮氧化物及粉尘的排放。

通过以上比较分析可得：该储热型太阳能利用系统不仅具有较高的经济效益，而且还能在一定程度上减少大气污染物的排放，从而保护了环境。

3.3 三沙市太阳能利用系统储能分析

图4 三沙市月平均太阳总辐射量的变化曲线

针对三沙市特殊的地理位置及其在能源利用方面对新能源的迫切需求，由表1中的数据，拟合出三沙市月平均太阳总辐射量随月份的变化曲线图，如图4所示。

三沙市的月平均太阳总辐射量Q6随月份变化的关系式为：

Q6= -12.4t2+159.7t+170.2。

(12)

根据上述计算过程，同理可得：本文提出的储热型太阳能利用系统置于三沙市时，储热材料平均每天的理论储存热量为2.73×107J。由此类比得出，若该储热型太阳能利用系统用于三沙市的能源供应，平均每天可节约电能7.58kW·h，相当于平均每天可节约标准煤3.03kg，进而可减少CO2、SO2、氮氧化物及粉尘的排放。

4 结论

(1)对聚光器提出了两种改进方案，即安装机械齿轮发条机构的单面聚光器和“组合式”聚光器，有效降低了因太阳方位变化对透镜聚光效率的影响，提高了菲涅尔透镜的聚光效率，实现了在无追踪器的条件下达到有追踪器条件下透镜聚光的相似效果，从而降低了使用成本。

(2)本文建立的储热型太阳能利用系统以显热储热方式储热，以熔融盐作为储热材料及传热介质，在一定程度上提高了系统的热交换效率及材料的导热温度。该储热型太阳能利用系统平均每天可储存2.31×107J的热量，可节约电能6.42kW·h，相当于平均每天可节省标准煤2.57kg，可减少CO2、SO2、氮氧化物及粉尘排放。

(3)储热型太阳能利用系统能有效地利用热带环境优势，解决三沙市渔民和官兵日常生活的能源需求问题，也能为三沙市的环境保护作出积极贡献。

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国家自然科学基金项目(51405115)

刘世豪(1981-)，男，湖北天门人，副教授，博士，主要研究方向为环保设备设计.

2016-07-29

1672-6871(2017)02-0025-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.005

TK124

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