摘要：作為世界上最大的太陽(yáng)能低溫?zé)崂卯a(chǎn)品生產(chǎn)和使用國(guó)，每年我國(guó)太陽(yáng)能低溫集熱器的制造量居世界之首。目前我國(guó)的太陽(yáng)能熱利用主要是熱水領(lǐng)域，集熱器以真空管及平板為主。真正達(dá)標(biāo)成功案例不足50%，原因是什么呢？系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用不合理。在未來(lái)?yè)碛袕V泛應(yīng)用潛力的工農(nóng)業(yè)太陽(yáng)能熱利用和低中溫領(lǐng)域市場(chǎng)需求日趨明顯，正向著太陽(yáng)能干燥、海水淡化、養(yǎng)殖、光熱低溫發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用需求也越來(lái)越廣。對(duì)真空管及平板太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化迫在眉睫，系統(tǒng)合理研發(fā)落實(shí)到實(shí)際有效應(yīng)用勢(shì)在必行。
0 現(xiàn)狀
目前，我國(guó)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要性能指標(biāo)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要性能指標(biāo)及熱水系統(tǒng)比較還存在一定差距，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，包括太陽(yáng)能集熱器、貯水箱、循環(huán)管道、輔助加熱設(shè)備、控制系統(tǒng)、熱交換器和水泵等設(shè)備和附件。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)特有的組成部分，是太陽(yáng)能合理利用的關(guān)鍵。熱水供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將集熱系統(tǒng)制成的熱水供給用戶使用。就中外同類(lèi)熱水系統(tǒng)分析比較各有千秋，我國(guó)多數(shù)采用的是開(kāi)式系統(tǒng)，國(guó)外多數(shù)采用的是閉式系統(tǒng)，單從系統(tǒng)效率上講，開(kāi)式系統(tǒng)直接熱交換，閉式系統(tǒng)間接熱交換，顯然開(kāi)式系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)的效率要高。單從系統(tǒng)運(yùn)行壓力上講，開(kāi)式系統(tǒng)為常壓，閉式系統(tǒng)為承壓，顯然閉式系統(tǒng)比開(kāi)式系統(tǒng)的承壓能力要強(qiáng)。從使用的角度上來(lái)說(shuō)，開(kāi)式系統(tǒng)的熱水壓力不能與冷水管網(wǎng)的壓力直接相匹配，使用舒適度差，閉式系統(tǒng)的熱水壓力能與冷水管網(wǎng)的壓力直接相匹配，但是閉式系統(tǒng)比開(kāi)式系統(tǒng)的投資成本要高。
這些系統(tǒng)雖廣泛應(yīng)用，但也存在諸多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、生產(chǎn)制造不達(dá)標(biāo)、安裝施工不規(guī)范、市場(chǎng)大打價(jià)格戰(zhàn)等方面，雖然每年增加很大部分的新能源，解決了一些溫室氣體排放，但是這些因素嚴(yán)重影響太陽(yáng)能光熱新能源的健康發(fā)展。
1 優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)比較
我國(guó)太陽(yáng)能光熱行業(yè)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)過(guò)多年的風(fēng)雨歷練，涌現(xiàn)出大批黑馬和品牌，研發(fā)優(yōu)化了多項(xiàng)具有世界先進(jìn)水平的光熱系統(tǒng)，待十三五期間快速推廣發(fā)展應(yīng)用。
1.1中小型太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)工程由過(guò)去的并聯(lián)系統(tǒng)向串聯(lián)系統(tǒng)過(guò)渡，體現(xiàn)在降低建設(shè)方投資成本，降低承接方施工成本，降低使用方運(yùn)營(yíng)成本上。
1.1.1 研發(fā)與應(yīng)用前為并聯(lián)系統(tǒng)
目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能90%系統(tǒng)采用坡面朝南并聯(lián)集熱器工程模塊，該系統(tǒng)所需循環(huán)管道長(zhǎng)，是集熱器寬度的3倍，系統(tǒng)循環(huán)管道熱損20%，系統(tǒng)運(yùn)行效率低，投資量、施工量偏大，節(jié)能效果不明顯，運(yùn)營(yíng)成本高。是今后安裝中小型太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)不可取的工程系統(tǒng)。系統(tǒng)基本原理如圖1所示。
系統(tǒng)主要弊端：
a.自來(lái)水直接進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱，造成熱水溫度不穩(wěn)定；四季晴天、陰天需要復(fù)合能源輔助，節(jié)能效果不明顯。
b.集熱系統(tǒng)單一溫差循環(huán)運(yùn)行模式，造成循環(huán)管道運(yùn)行溫度高、熱損大；當(dāng)用熱水的時(shí)候儲(chǔ)熱水箱水位下降，浮球閥同步補(bǔ)冷水，儲(chǔ)熱水箱的熱水用到一半就不能再用了，系統(tǒng)必須進(jìn)行輔助能源互補(bǔ)，由于該系統(tǒng)是并聯(lián)系統(tǒng)，同程管道長(zhǎng)，溫差循環(huán)的管道溫度基本在45℃以上，循環(huán)換熱管道溫?fù)p在20%以上。
c.冬季溫差循環(huán)系統(tǒng)基本上是以輔助能源為主，以太陽(yáng)能為輔,甚至在我國(guó)的北方冬季無(wú)法使用。
1.1.2 研發(fā)與應(yīng)用后串聯(lián)系統(tǒng)
本文所述的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用真空集熱管集中集熱萬(wàn)能角度工程模塊，串聯(lián)系統(tǒng)連接模式，該系統(tǒng)四季運(yùn)行光照無(wú)死角，每年4月至10月晴天無(wú)需復(fù)合能源互補(bǔ)，所需循環(huán)管道少、熱損小、系統(tǒng)效率高、運(yùn)營(yíng)成本低，是今后我國(guó)中小型太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)首選。系統(tǒng)基本原理如圖2所示。
系統(tǒng)優(yōu)化：由并聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化為串聯(lián)系統(tǒng)，晴天冷水源直接進(jìn)串聯(lián)集熱器系統(tǒng)進(jìn)口，通過(guò)集熱器定溫交換加熱，使符合用水條件的熱水進(jìn)入儲(chǔ)能水箱，午后儲(chǔ)能水箱到達(dá)儲(chǔ)能定溫高水位時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換溫差循環(huán)，對(duì)儲(chǔ)能水箱進(jìn)行二次加熱，在使用熱水時(shí)，集熱系統(tǒng)向儲(chǔ)能水箱補(bǔ)充的是集熱器的余熱，使太陽(yáng)能系統(tǒng)熱利用率得到更高獲取，最大化利用太陽(yáng)光能。
該研發(fā)的系統(tǒng)與目前國(guó)內(nèi)同行中任何一款應(yīng)用的熱水系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：
a.采用萬(wàn)能角度雙翼平鋪集熱器，全年候運(yùn)行光照無(wú)死角，使太陽(yáng)光能吸收最大化。
b.集熱采用串聯(lián)系統(tǒng)，集熱器與集熱器之間相串組合遞增加熱，具有循環(huán)管道用量少/熱損小、加熱速度快、運(yùn)行效率高。
c.系統(tǒng)采用獨(dú)特的運(yùn)行工藝：定溫循環(huán)+溫差循環(huán)+余熱回收+復(fù)合能源；晴天上午定溫循環(huán)集熱器光照2小時(shí)自來(lái)水直接進(jìn)集熱系統(tǒng)，出來(lái)達(dá)到45℃以上；下午系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入溫差循環(huán)，也就是給儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行二次加熱，日落前集熱器與儲(chǔ)熱水箱溫度可達(dá)65℃。晚上系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入余熱回收；由于真空管集熱器是高度保溫的，日落前集熱器溫度為65℃，日落后仍有65℃，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水位下降，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入余熱回收。
d.當(dāng)用水單位突然增加洗浴人員，原設(shè)計(jì)量呈現(xiàn)不足，儲(chǔ)熱水箱可能出現(xiàn)補(bǔ)水情況，此時(shí)集熱器仍有少量45℃以下的熱水備用，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫下降到45℃以下，水位在水箱三分一處時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)入復(fù)合能源互補(bǔ)模式；也就是說(shuō)復(fù)合能源使用的條件是當(dāng)太陽(yáng)能的能量即將用盡且儲(chǔ)熱水箱的水量只有三分一處時(shí)系統(tǒng)才能啟動(dòng)輔助能源。
e.該控制系統(tǒng)為行業(yè)獨(dú)特的專(zhuān)利系統(tǒng)，能在-25℃環(huán)境下正常產(chǎn)熱運(yùn)行，采用雙層保溫管道，使用超低溫微循環(huán)防凍模式，具有全自動(dòng)防凍解凍系統(tǒng)，確保四季正常供熱運(yùn)行，真正做到節(jié)能減排的目的。
2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)分析
2.1 工作原理
強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是在集熱器和貯水箱之間管路上設(shè)置水泵，作為系統(tǒng)中水的循環(huán)動(dòng)力；與此同時(shí)，集熱器的有用能量收益通過(guò)加熱水，不斷儲(chǔ)存在貯水箱內(nèi)。
系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)泵的啟動(dòng)和關(guān)閉必須要有控制，否則既浪費(fèi)電能又損失熱能。通常有溫差控制和光電控制兩種控制方法，其中溫差控制較為普及，可同時(shí)應(yīng)用溫差控制和光電控制。
溫差控制是利用集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差來(lái)控制循環(huán)泵的運(yùn)行，如圖4所示。
有光照后，集熱器內(nèi)的水受太陽(yáng)輻射能加熱，溫度逐步升高，一旦集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達(dá)到設(shè)定值(一般8～10℃)時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)泵，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行；遇到云遮日或下午日落前，太陽(yáng)輻照度降低，集熱器溫度逐步下降，一旦集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達(dá)到另一設(shè)定值(一般3～4℃)時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
光電控制是利用太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)控制循環(huán)泵的運(yùn)行。日出后，太陽(yáng)輻照度逐漸增加，一旦太陽(yáng)輻照度達(dá)到設(shè)定的閾值(一般150W／m2左右)時(shí)，光電溫差控制器給出信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)泵，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行；遇到云遮日或下午日落前，太陽(yáng)輻照度逐漸降低，一旦太陽(yáng)輻照度低于閾值時(shí)，光電溫差控制器給出信號(hào)，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
用熱水時(shí)，同樣有兩種取熱水的方法：頂水法和落水法。
頂水法是向貯水箱底部補(bǔ)充冷水（自來(lái)水），將貯水箱上層熱水頂出使用；落水法是依靠熱水本身重力從貯水箱底部落下使用。在強(qiáng)制循環(huán)條件下，由于貯水箱內(nèi)的水得到充分的混合，不出現(xiàn)明顯的溫度分層，所以頂水法和落水法都可以取到熱水。頂水法與落水法相比，其優(yōu)點(diǎn)是熱水在壓力下的噴淋可提高使用者的舒適度，而且不必考慮向貯水箱補(bǔ)水的問(wèn)題；缺點(diǎn)也是從貯水箱底部進(jìn)入的冷水會(huì)與貯水箱內(nèi)的熱水摻混。落水法的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有冷熱水的摻混，但缺點(diǎn)是熱水靠重力落下而影響使用者的舒適度，必須每天考慮向貯水箱補(bǔ)水的問(wèn)題。
在雙回路的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，換熱器既可以是置于貯水箱內(nèi)的浸沒(méi)式換熱器，也可以是置于貯水箱外的板式換熱器。板式換熱器與浸沒(méi)式換熱器相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：其一，板式換熱器的換熱面積大，傳熱溫差小，對(duì)系統(tǒng)效率影響少；其二，板式換熱器設(shè)置在系統(tǒng)管路之中，靈活性較大，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置；其三，板式換熱器已商品化、標(biāo)準(zhǔn)化，質(zhì)量容易保證，可靠性好。強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)可適用于大、中、小型各種規(guī)模的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。
