温室用百叶窗槽式太阳能集热器的设计与研究*

马 静，曾建宁，吕怡秋

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750001）

1 背景和意义

宁夏地区越冬农作物、反季节蔬菜、水果几乎全部依靠温室大棚，冬季北极虾、鱼类等水产的养殖水塘也要加热，对水、电、煤等资源需求量大。传统的温室加温方式有燃煤锅炉、热风炉、电热器等，需要消耗大量的电能和化石燃料，同时产生有害气体，严重威胁人们身体健康，不仅污染了生态环境，而且增加了温室的运行费用和维护成本，不能满足大规模、高效率、高标准的生产需求。宁夏担负着国家能源战略储备及西部生态安全屏障的重任，实现碳达峰、碳中和是对宁夏经济社会发展的重大挑战和考验，在“十四五”关键期将采取更加有力的减排降碳措施，大力发展清洁能源和可再生能源。因此，研究绿色环保的新能源温室加热设备十分必要，太阳能作为一种分布广泛的清洁能源可以广泛用于对温棚供热、供电，显著降低非规模化建设的温棚能源消耗，大大推动了绿色农业的发展水平，提高了农业可持续发展能力[1]。

宁夏太阳能资源丰富，年太阳辐射总量5711MJ/m2～6 096 MJ/m2，一年中的日照时长为3 200 h～3 300 h，相当于225 kg～285 kg标准煤燃烧所发出的热量，宁夏大部分地区的太阳能资源属于稳定和较稳定资源，直接辐射平均比例大，十分有利于太阳能热利用和光热装置的使用。2010年，宁夏被国家财政部、住建部列为首批太阳能综合热利用的示范地区之一，经过十几年的发展，宁夏目前已经形成了太阳能光伏材料生产，太阳能光电系统应用生产，太阳能热水器生产、安装、服务，太阳灶生产推广的产业格局，被动式太阳房、

太阳能小型供热系统、太阳能干燥、太阳能光伏发电正在示范应用中[2]。根据目前太阳能技术发展水平、应用条件、地方经济能力，今后将在城镇重点推广太阳能集热器技术，示范推广太阳能光电照明系统；在农村重点发展被动式太阳房、太阳灶技术，示范推广小型太阳能热水集热器、太阳能干燥等技术。

基于此，课题组设计一款适于温棚安装使用的主动式太阳能集热器，主动追踪阳光并最大程度地接收太阳能，最高温度可以达到150℃，满足冬季温室要求。同时，在夏季日照强烈、热量过剩时，可自动调节百叶窗结构转动，减少太阳辐射强度，动态调节热量输出。

2 存在的问题

1）能量输送不精准。目前，普遍使用的板式集热器冬季供暖期供热量存在不足，太阳能作为辅助能源的贡献率不足40%，仍然需要消耗大量电能和化石燃料作为主要能源供给，节能减排效果甚微，投资回报率偏低，人们购买欲望低。在夏季太阳辐射时间长、强度较大的情况下，太阳能集热系统产生的大量过剩热量无处可去，造成系统过热严重。系统过热使得橡胶件、管道老化加速，真空管的真空度降低，集热效率降低，设备使用寿命减少，系统成本及运营管理费用增加。

2）安装方式单一。普通太阳能集热器主要竖立安装在硬墙面或建筑顶层斜面上，由于其重量大、占地空间大，无法使用在温棚软顶上，局限性较大。其次，集热器集热板固定结构，在遭遇特殊天气比如冰雹、雨雪时，集热器集热板结构易被破坏。

3）集热器集热技术有待改进。当前应用很广的太阳能热水器是液体集热器，它的传热媒介是水，制作技术较为成熟。但是，集热管与液体介质直接接触，在低温条件下很容易结冰，水结冰对阻碍其体积膨胀的器壁会产生巨大的力导致集热管破裂，造成整个接收系统内的液体泄漏[3]。另外，当玻璃管内液体受温度影响变化幅度很大时，也会造成液体与玻璃管的温差过大而产生爆管现象；集热管水质易冻易堵，结垢严重，会影响供暖效果。

3 主要结构及原理

课题组设计一款主动式太阳能接收器，集热器主动追踪阳光并最大程度地接收太阳能，温度最高可以达到150℃，白天通过接收太阳辐射能加热集热管内的储能材料，把热能储存起来，同时通过热交换器，加热循环水或空气，由泵通过管道输送到各个房间，夜间消耗储能器中的储能材料中的热能，继续向温室内提供热量。在夏季，集热器热量过剩，可以通过转动百叶窗槽式集热器结构，减少太阳辐射强度，动态调节热量输出，保护设备。

3.1 百叶窗槽式聚光结构

本结构主要由单体槽式集热器构成。单体集热器规格：长2 000 mm，宽400 mm，高200 mm。其由镜面槽式反射板、集热管、热量交换器、蜗轮蜗杆旋转装置、固定支撑架等组成，如图1所示。目前使用的集热器有平板式和槽式，平板式集热器只在太阳能低温利用领域，技术经济性能比槽式集热器好，为了提高效率，降低成本，以及满足特定的使用要求，本结构采用槽式结构来提高汇聚比。槽式集热器集热比可达1︰9，即9份面积的太阳光线汇聚到一份集热面的集热管上，温度是平板式集热器的9倍。该集热器可提高集热管内的温度为150℃左右，有利于储能效能，使采暖循环水达到60℃～80℃；也可加热通过热交换器的空气，提升空气温度为100℃以上，满足生产、生活需求。

图1 单体太阳能接收器

每个单体集热器单元可以和其他单元体并联或串联任意组合，安装方式依据安装空间和安装位置决定，如图2所示。组装后的集热器可以像百叶窗一样旋转追踪光线，也可以在极端天气自动旋转，防止暴风、冰雹、暴雪等对设备的损伤。组装后的太阳能集热器既可以固定在温棚软顶，也可以固定在建筑外表面、房顶向阳斜坡面、建筑围墙等位置，适用于多种场合。

图2 单体组合成及安装效果

3.2 槽式集热系统

位于槽式结构聚光镜焦线处的真空集热管接收槽式抛物面聚光镜的聚焦能流，传热工质在真空集热管的吸热管中流动并吸收热量，吸热管表面镀有选择性涂层，以最大化吸收辐射能流、减少热损失。真空集热管由内金属管和外玻璃管组成，液体介质与玻璃集热管不直接接触，而是在其内部通入金属管道，内金属管与外玻璃管之间采用真空处理，同时为保证真空度，夹层内贴有吸气剂。集热器吸收的热量通过玻璃层传导到空气层，再传输到金属管内的液体介质，可以有效防止玻璃集热管与介质直接接触。即使集热管意外破裂，造成整个接收系统内的液体泄漏，也能避免液体与玻璃管的温差过大而造成爆管。通过控制系统主动追踪光线，使太阳光线加热集热管内的液体介质，温度达到80℃以上，通过水泵输送到储能罐，再通过管道把中温液体传输分配到温室各个角落的散热器，为温室提供热量，同时能够满足生活用热水等要求。

3.3 主动追踪系统

具有主动跟踪太阳光线功能，主要由光跟踪电路和减速机构组成，通过控制槽式反射板的转动让正面始终正对太阳光，对准汇聚点的集热管。因此，设计集热器为单轴方向进行太阳跟踪，即早晨太阳从东方升起来、傍晚西边下落，每天根据太阳的轨迹进行跟踪，南、北方向太阳角度每天变化很小，在整个冬季整体最佳接收角度为与地面夹角40°左右的固定角度放置[4]，如图3所示。

图3 集热器追踪系统

槽式集热器接收端的智能控制电路为光跟踪电路，主动追踪太阳光线方位，通过控制电机驱动蜗轮蜗杆旋转机构转动带动镜面槽式反射板对准太阳，使太阳光线汇聚到集热管，最大可能地接收太阳热辐射能，加热集热管内部的储热材料。温度高的液体储热材料上升到顶部的热量交换器内，与通过交换器内小通道内的循环水或空气进行交换热量，通过管道输送到总管道，由控制系统根据各个温棚种植区的温度信号和红外线信号，自动控制调节温棚供热温度，达到精准输送的目的。网络终端服务器还可以实现远距离对设备运行的实时监测、设备温度控制、设备维护提醒等功能，无须人值守，缺水时自动报警，大风、冰雹时自动保护。

4 性能分析

太阳能辐照强度受到地理纬度、海拔高度、季节与日夜变换等条件的影响，表现为分散性、间断性，能流密度不稳定、不连续现象[5]。因此，利用太阳能光热供暖需要与电力、燃气、生物质燃料等常规能源或其他可再生、可再利用能源组成互补系统，将太阳能设计为主要热源，全采暖期统算贡献率不低于60%，其他补充热源不超过40%，从而形成全天候、稳定的、不间断的、环保节能的互补供热系统。

供热面积和集热面积相互关系的理论计算：

新疆、青海、甘肃北部、宁夏、内蒙古都属于太阳能比较丰富地区，宁夏冬季1、2、10、11、12月份最高热辐射量为1 000 W/m2，上午10点辐射功率500 W/m2，下午5点半辐射功率500 W/m2，平均约为700 W/m2，照射时间7.5 h，太阳能槽式反光聚光式集热系统的集热效率为60%，S为集热面积，因此，系统吸收的热量为：

温室温度对植物的生长、发育以及产量的提高都有十分重要的意义。温度既可以影响到植物的呼吸、光合、蒸腾等生理代谢过程，又影响植物体内有机物的合成运输及外部水肥的吸收。每种作物在不同生长发育阶段对温度的要求都不太一致，包括最适温度、最高温度和最低温度的温度“三基点”。根据实践，温室温度一般控制在20℃～25℃最适宜植物生长，单位面积需要热功率为55 W/m2～70 W/m2，以60 W/m2计算如下：

为保持60 m2的温室供暖面积，24 h保持适当温度，需要27.43 m2的太阳能集热面积，如果以太阳能集热板每平方米价格660元的市价进行计算，总销售价格约17 820元，使用寿命10年以上，月运行费用86元，设备折旧费1 782元左右，年平均费用2 212元左右。根据市场调查，同样供暖面积，冬季使用燃煤锅炉进行温棚供暖的年平均费用是2 600元，使用电能进行加热的成本就更高了。因此，使用本项目设计的百叶窗槽式太阳能集热器作为主要能源完全可以满足温室供暖要求，降低了成本，满足了绿色环保要求。

5 结论

综上所述，采用百叶窗槽式太阳能集热技术，在日照充足的时间内可以成为温室供暖来源，同时，富余的能量通过储能设备可以在夜间或者日照差时为温室提供预热，减少电力、燃气、生物质燃料等常规能源的使用，大大降低了供暖成本。随着技术的突破和新型材料的诞生，太阳能技术的利用也将会更加经济和成熟，在生活、生产中势必得到更多的应用和推广。