中温太阳能集热器的参数数据库搭建

何飞宇, 詹 松, 刘学文, 巴 鑫, 郑 维

(湖北省产品质量监督检验研究院,湖北 鄂州 436000)

0 引言

目前,人类使用的能源主要是非可再生能源,其约占能源总消费量的90%。 我国是能源消费大国之一,在使用能源方面同样也以煤炭、石油和天然气为主。 煤炭、石油和天然气均是工业生产的主要能量来源,此类能源的90%通常都用作燃料而燃烧殆尽[1]。此外传统化石能源的使用亦会造成碳排放过量以及环境污染问题。 我国幅员辽阔,有着十分丰富的太阳能资源,绝大部分地区都适于太阳能利用的开展。 太阳能作为一种清洁的可再生能源,近年来被广泛应用于各个领域。 结合近年的市场发展情况,热水工程是未来太阳能光热利用市场主要增长方向之一,而中温太阳能集热器因其技术特点,十分适合在各热水工程中使用。

根据《中温太阳能集热器》(NB/T 34045—017)中的定义[2],中温太阳能集热器是指工作温度范围在100～250 ℃的太阳能集热器。 目前,中温太阳能集热技术发展迅速,相较于低温太阳能集热器,其应用场景更加广泛,包括了太阳能供热系统、太阳能空调、海水淡化、有机朗肯循环(ORC)发电、泵送灌溉水等。由文献[3]可知,现有的太阳能集热器按设计概念、尺寸和材料的不同,可分为抛物线槽式集热器、线性菲涅耳集热器、抛物面聚光集热器、超高真空平板集热器、固定镜面太阳能集热器等。 双轴跟踪的槽式及塔式等适用于热发电的太阳能集热器不在本文讨论的范围内[4]。 图1 为上文提到的几种太阳能集热器的实拍图。

图1 太阳能集热器实拍

对于种类繁多的中温太阳能集热器,到目前为止仍然没有一套方案能够对集热器组件的各项参数进行标准化整理。 为了方便从业人员和广大用户,亟需创建一个涵盖中温太阳能集热器各项参数的数据库,作为市场中可用产品的信息参考。

1 集热器主要参数及其定义

在中温太阳能集热器的参数数据库中,每个集热器将根据型号、类型、制造商信息(包括名称、地址和官网)进行标识,并就其技术参数进行特征描述。 图2 和图3 分别为平板型太阳能集热器和槽式集热器的截面结构图。

图2 平板型太阳能集热器截面结构

图3 槽式集热器截面结构

从图2 和图3 中可知,不同类型的集热器在结构上有很大区别,即使是同一作用的结构,在不同类型集热器中的形式也很不同,为了统一描述各种型制不同的集热器,数据库对中温太阳能集热器主要参数做了归纳,可分为8 大类共19 项参数,具体分类如表1 所示。

表1 中温太阳能集热器主要参数分类

表1 中各项技术参数的详细定义如下。

(1)固定/跟踪。

当集热器没有运动系统时,数据库将其描述为“固定”类型,而当集热器具有实时跟踪太阳方向的运动系统时,数据库将其描述为“跟踪”类型。

(2)跟踪系统。

跟踪系统是集热器用于跟踪太阳的元件,能够改变集热器的朝向使其一直跟随日射方向。 按跟踪原理可分为:辐照(光电)传感器型、太阳位置算法型(基于日期/时间、开环系统)和混合型(光电传感器和基于日期/时间的组合)太阳跟踪器;按跟踪方向可分为东西向跟踪(EW)、南北向跟踪(NS)和东西+南北向跟踪(EW+NS)。

(3)滞止保护。

滞止保护,是避免因流体滞留而达到过高的滞止温度的方法。 在具有跟踪系统的集热器中,滞止保护的方式是使其偏离太阳直射方向。

(4)工作压力。

在正常工作状态下集热器内部的压力范围应不超过集热器的最大工作压力,中温太阳能集热器的最大工作压力应≥0.6 MPa。

(5)工作温度。

在正常工作状态下集热器内部的温度范围应在100～250 ℃。

(6)正常运行的天气条件。

集热器能够安全运行时的天气参数,包括风速、温度、湿度等。

(7)主反射器。

主反射器是将太阳能辐射集中到吸热体上的元件,主反射器将根据其材料、反射比、尺寸和其他参数进行描述。 典型材料包括:银玻璃(厚薄两种),铝(具有多种保护层)和聚合物薄膜。 如果已知主反射器的材料,还可进一步描述其指定材料型号和制造商。 反射比:根据《遥感导论》中的定义[5],反射比是指物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比。 尺寸包括:主反射器的宽度、长度和厚度,在某些情况下还包括聚光特性。

(8)次级反射器。

次级反射器是位于集热器周围的元件,可将主反射器反射的辐射重新集中在集热器上,次级反射器也将根据其材料、反射比、尺寸和其他参数进行描述,与主反射器相同。

(9)集热器盖层。

集热器盖层是某些集热器中位于采光平面上的元件,可以起到保护吸热体和反射器、减小热损的作用。 集热器盖层将根据其材料、透射比、尺寸和其他参数进行描述。 根据《太阳能热利用术语》(GB/T 12936—2007)中的定义[6],透射比是指材料传输的能量通量与材料上的入射辐射之比。 尺寸包括集热器盖层的宽度、长度。

(10)吸热体盖板。

吸热体盖板是太阳能集热器中位于吸热体周围的元件,用于保护吸热体并减少热损。

(11)吸热体。

吸热体是太阳能集热器中吸收辐射太阳能并将其以热量的形式传递到流体中的元件。 吸热器分为真空管吸热器和腔体式吸热器[7]。 从目前的应用来看, 真空集热管的热损失较小, 可大规模生产[8]。 腔体式吸热器集热效率高, 但工艺复杂, 有一定难度,目前不适合大规模生产[9]。 吸热体将根据材料,吸收比、发射率、入口直径、出口直径、是否真空等参数进行描述。 根据《太阳能热利用术语》(GB/T 12936—2007)中的定义[6],吸收比是表面元件吸收的能量通量对入射在其上的辐射的比。 发射率是材料在相同条件下从其表面发出的辐射能与黑体发出的辐射能之比。

(12)总面积。

根据《太阳能热利用术语》(GB/T 12936—2007)中的定义[6],集热器的总面积是指整个集热器的最大投影面积。 集热器的总面积中宽度对应于接受太阳辐射(投影平面)的平面的宽度,包括相邻反射器之间的间隙。 集热器的总面积中长度还包括组成集热单元的相邻反射器之间的间隙。

(13)焦距。

焦距是指抛物线顶点与焦点之间的距离。 在槽形抛物面集热器中,接收器位于焦点线上。

(14)几何聚光比。

根据《太阳能热利用术语》(GB/T 12936—2007)中的定义[6],几何聚光比是指聚光型集热器采光面积与吸热体面积之比。

(15)边缘角度。

边缘角度是指在槽形抛物面集热器中,光轴与焦点和反射器边缘(镜边)之间的线所夹的角度。

(16)采光角度。

采光角度是指在不移动位置的情况下,集热器能够接收到的所有或几乎所有光线的角度范围。

(17)集热器性能。

集热器性能主要指集热器效率。 根据《太阳能热利用术语》(GB/T 12936—2007)中的定义[6],集热器效率即在稳态(或准稳态)条件下,集热器传热工质在规定时段内输出的能量与同一时段内入射在集热器所规定的集热器面积(总面积、吸热体面积或采光面积)上的太阳辐照量的乘积之比。

(18)滞止温度。

滞止温度是指在传热工质停止流动,但集热器继续接收太阳辐射时,太阳能加热系统所达到的准稳态时的温度。

(19)认证情况。

认真情况为集热器完成的认证方案类型,例如欧洲常见的Solar KeyMark 认证和和美国常见的SRCC认证。

2 集热器的性能参数计算

根据《太阳能集热器性能试验方法》(GB/T 4271—2021)[10],需用公式(1)所示的集热器的瞬时效率η和温度的函数描述集热器的性能。

式中:η为集热器的瞬时效率;η0为峰值效率截距;tm为集热器进出口工质的平均温度;ta为环境温度;G为辐照度;a1为一次项系数;a2为二次项系数。

根据文献[5]中使用的测试方法,聚光集热器是在准动态条件(QDT)下进行的,集热器模型由公式(2)表示。 公式(2)中的3 个附加参数C3、C4和C6,在此方法中具备定义,但对于聚光集热器来说可以忽略。

式中:η0,b为基于光束辐照度的光学效率;c1为热损系数;Kb为直接辐射的入射角修正系数;Kd为散辐射的入射角修正系数;c2为温度依赖性的热损失系数;c5为有效热容量。

为了比较稳态和准动态条件下的两种方法的结果,Solarenergy—solarthermalcollectors—testmethods(ISO 9806—2017)[11]中定义了如何计算参数并将其表示为热曲线图。 效率应根据公式(2)计算,使用G=1 000 W/m2的值和 15 % 的扩散分数,即Gb=150 W/m2。 参数dTm/dt设置为零。 入射角设置为0°,因此IAMKb设置为1。 准动态条件下的热损失系数(C1和C2) 等于稳态条件下的热损失系数(a1和a2)。

3 数据库的录入信息

在表1 对中温太阳能集热器主要参数归类的基础上,为了完整地描述数据库中的每个样本,需在系统中按照表2 中的录入项目进行录入。

表2 数据库录入信息

4 数据库的形式及应用模拟

数据库的原始数据是由集热器应用现场的相关厂家和专业人员提供,经系统维护人员核实后录入,后续则是以多方合作的模式进行维护和更新,具体流程如图4 所示。

图4 中温太阳能集热器的参数数据库信息流转流程

考虑到后续更新和使用的便利性,数据库拟制作为在线表格形式,以便技术供应商、研究人员、工程师以及用户共同维护。 此处以识别信息的数据录入页为例,如图5 所示。

假设根据制造商及现场专业人员提供的信息,维护人员已在数据库中录入了H 省全省的中温太阳能集热器数据,便可以通过查询页面调出相关信息,查询页面如图6 所示。

图6 集热器查询页面

如图6 所示,在查询页面里输入相应信息后,可调出H 省C 市全区域集热器占比扇形图页面,具体形式如图7 所示。 双击图7 中任意一个扇形区域,则可进一步查询到该类型集热器的细分信息,例如双击真空管集热器所属的扇形区域并选择跟踪类型这一信息,便可打开H 省C 市真空管集热器跟踪类型占比情况的扇形图,具体形式如图8 所示。

图7 各类型集热器占比

图8 集热器跟踪类型占比

根据图7 和图8 中的信息,专业人员可以对H 省C 市的中温集热器的使用情况提出两点推测:一是H省C 市可能常有云雾天气,或冬季较为漫长,故而多采用在此类情况下效果更好的真空管型集热器; 二是H 省C 市集热器安装空间较为紧张,或主要在建筑密集的市区应用,故而采用固定型的集热器。 有了推论之后,便可结合推测去查询天气和卫星地图等相关资料或者实地考察,验证推测是否属实,进而向数据库的维护人员进行反馈,经核实后对数据库进行更新。此举例只是整个系统的一部分,前文提到的中温集热器相关参数信息,都可以类似方式在系统中展开。

5 结语

目前,大数据在太阳能光电领域已经有了一定的应用规模,成效也非常显著,但在太阳能光热领域的应用还非常有限,如果将大数据应用到太阳能光热利用领域,未来产生的效益将会非常可观。 本文所提的中温太阳能集热器数据库,即是对大数据在太阳能光热利用领域运用的一种探索。 数据库对市面上纷繁的中温太阳能集热器进行了归纳,并提供了统一的性能计算方式,使现有集热器的详细数据参数能够被录入一个统一标准的数据库。 数据库以在线表格形式展现,能够及时且直观地向产品设计人员和用户提供有效信息。 制造商和技术人员在核实后可在数据库上对集热器的信息进行修订,用户亦能对数据库中的信息提出疑问和反馈。 中温太阳能集热器数据库若能搭建成功,不但可以方便从业人员和用户,更有助于推进行业发展。