重启创新的太阳热能技术

尽管太阳热能比太阳光伏能有着较大的优势和较高的效率(后者的成本/能量产出之比是前者的6倍),不过欧盟内部的太阳热能市场仍连续两年处于停滞状态。然而,经济危机时期激活了新的资源,迫使人们深入考虑尚未表露的可能性。
创新是投资籍以摆脱危机的杠杆。在太阳热能领域内,众多企业正遵循若干指导方针,努力扩大太阳热能的有效利用。实际上,在欧洲仍然流行只将太阳热能用于生产卫浴热水;特别是意大利,几乎将80%的太阳热能设备用于生产热水,而只有18%的太阳热能设备整合进了供暖系统,2%的设备用于游泳池水的加温。
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混合型太阳能集热器
混合太阳能模块(PVT 集热器)概念的引入源自发现太阳辐射对电力的转换率与太阳能电池的温度有关,并在这个过程中随着该温度的提高而降低。对于普通的晶体硅太阳能电池,该转换率指标仅为12-18%,因此80%以上的太阳辐射能转换成了显热。这个过程决定了随着太阳能电池的发热而损失了效率(譬如,对于多晶硅电池来说,损失率为0.47%/℃)。因此,标准效率为15%的光伏模块在气温较高的几个月份内只能按12%的效率工作,而恰恰在这个阶段太阳辐射最强烈,应用潜力也最大。
通过使冷却液(典型的为水或乙二醇)在光伏电池下部循环,可以除去由太阳辐射直接产生的和电流散发的多余热量,降低系统工作温度。
就基本理论来说,PVT 模块就是太阳能集热板,其中集热器或集热板就是由光伏电池构成的。除了控制光伏电池的温度和提高光电转换效率外,冷却液还提供了低温热量,可用于相应热级的用途。
实际上,采用 PVT 模块的设备的性能能够得到优化,故有利于热能或电力生产。在第一种场合,倾向于使光伏电池尽量保持最低温度,以求优化光电转换过程的效率,冷却液循环后的温度降低得较多(25–30℃),较少直接用于普通家庭供暖服务。反之,若是提高了设备热效率后,则可提供温度理想的传热液体,以满足民用和第三产业的供热需求,但是就得牺牲光电转换效率。
为进一步说明,采用一次逼近,混合系统的总效率 htot 可以表征为各单项即光伏效率 hph 和热效率 hth 之和:
htot = hph + hth
即便采用混合太阳能集热器如上构成的系统的总效率取决于设备结构,取决于当地的气候条件,但直观觉得这种配置的效率通常会超过40%,而在条件有利的情况下,效率会达到50–60%。
采用这些装置实现太阳能热电联产的不利之处,尤其在于光伏元件的工作温度及其所受到的较大的热应力,以及在一年内天气较热的几个月份内热能生产会导致发生问题。实际上,假定证实环境温度特别高,就无论如何需要除去混合模块的热量,以保护光伏电池的功能:尺寸设计正确的设备系统在任何场合都能限制这种不希望的多余热量。
低温太阳能热力集热板
多年前市场上已有制造商推出利用热力原理生产卫浴热水的产品了,但是近来对系统的组成作出了综合改进,提高了效率。将热泵技术与太阳能集热器整合在一起的设备,用于生产50–60°C的热水。全部元件纳入非玻璃材质的由黑色铝板构成的外部集热板框中,该结构作为系统的蒸发部分。这种设计的特点在于两侧能够利用获得的热能,不单是太阳辐射,而且还包括了风雨和外部空气。
配有蛇形管换热器的蓄热水箱承担了冷凝器和加热箱内冷水的作用。蒸发器和冷凝器是制冷循环的部件,通过铜管回路连接压缩机和节流阀(即所谓的热力模块),管路中循环流动着制冷流体,目前一般是134a–407c混合气体,以保证对环境影响很小。
良好的太阳能热力系统的运行区间是在外部气温超过-5℃的场合:就像所有直接向空气蒸发的热泵一样,气温超过+5℃时的运行性能较佳。有必要提醒的是,随着外部气温的下降和太阳辐射的短缺,系统的效率会逐渐降低;另外,当外部气温达到-5℃时,会激活一自动模块。
在压缩阶段,传热气体会达到110–120℃:于是,通过蓄热水箱内的蛇形管换热器,将水温提高到50-60℃。现已证实,与普通的直接蒸发式热泵相比,这种热力系统的集热板不需要借助风机就能实现换热,可间断地减少电力消耗。
正如传统的太阳热能技术一样,这项技术也适用于以下应用范围:
–  制备卫浴热水;
–  对室内低温供暖;
–  大量水的加热(游泳池、蓄热水箱等)。
这种复合系统的特点是效率高、适应性强,具有很多优点:能在极端条件下工作,集热板重量很轻,经久耐用,尺寸小(两侧都是集热面),不需要特殊维护。COP 的范围相当宽,可以在2~6.5的区间内变动;不过,根据辐射强度和集热板数目,可以超出上限。
将单块太阳能热力集热板与传统的太阳能集热板比较是没有意义的,因为必须针对每个用户,根据尺寸计算和优化考量,将热力集热板组合成一个完整的系统。若不考虑税收优惠政策,这些设备的平均折旧时间大约为7~8年。
I.S.C. 系统(积分停滞控制)
在太阳热能设备领域内,众所周知存在着停滞问题:在太阳辐照强烈而用户没有取用热能的时段,集热器的温度会一直上升到“停滞”的特征温度,相应的是输入的太阳能和向环境散失的热能之间达到了平衡状态,于是就不产出有效热量。在这种情况下,传热流体不再带走热量,这些热量全部蓄积在集热板里,对于平板式集热器来说,集热板内的蓄积温度可达180~200℃。
假如使用了防冻液,这种现象的负面效应相当明显(几乎所有的太阳能设备都可能会发生这种现象),因为热裂解作用有可能产生腐蚀性有机酸。此外,更因传热流体的蒸发和膨胀,可能造成密封性能劣化和材料提前老化。
解决方案有好几种,可以考虑下述控制停滞方案(集热板的遮阳,排水回流措施,二次回路解决多余热量的发散等)
I.S.C. 方法是一种被动技术。它克服了停滞现象,可防止设备遭受过热产生的热应力,既不需要安装顶棚,也不需要采用价格昂贵的元器件,而是直接排除了问题的根源,即直接在集热器上解决问题。
该方案采用一根尺寸适当的风道,藉此在接近停滞的条件下,让外部环境空气向集热器的太阳能集热板下自然对流,于是控制了温度。
这个过程有一个热激活阀门控制,该阀门在正常工作条件下是关闭的,于是,可让太阳能集热器发挥其典型的功能:实际上,在这种情况下,风道内的静止空气起到了隔热作用。这种装置既简单又高效,只要尺寸适当,能够方便地整合到市场上现在销售的太阳能集热器中,不需要改动集热器的尺寸,而且美观好看。这种机构是自动调整的,不需要用电或人工操作。
使集热板下方通风,可以避免盖板玻璃积灰积垢。另外,还明显地减少了结露的风险。很容易想到,为了确保有足够的空气流动,以便带走停滞状态下的多余热量,应当仔细估计风道的尺寸和几何形状。
根据计算机模拟和在实验室和真实条件下的试验,已得出风道的壁厚在15-20mm之间最合适;但是,风道内壁应当涂覆一层高辐射率的材料,以增强兼为集热板背面的风道上壁与其余三个壁面之间的辐射热交换。
 

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