季节性太阳能储存

因此,这种努力便转向太阳热能利用,针对一些著名的、经过验证的系统实施能量贮存。如光伏系统,这种系统将捕集到的丰富的太阳能再转化入电网或贮存在组合蓄热装置里,于是,步入了越来越完善、越来越先进的新型产品领域,譬如,配内置可充电电池的太阳能电池板[1]

混合蓄热装置

太阳热能在这个受到限制的领域里完善开发出了几类蓄热模型,以求即使在坏天气场合也能将热水储存一至两天。晴天时,利用太阳能装置直接交替向室内供暖和向燃料发电机提供热力(图1),而对于长时间的提供热力来说,贮存太阳热能仍只是个概念而已。然而,正在寻求适用于24小时全程供暖及在与太阳辐照时间不相吻合的时间和工作日程内供暖的有效方案,譬如,对于夜晚开放的公共场所。

确实存在一些天然储存太阳能的案例,譬如,游泳池就可以起到大型蓄热装置的作用,但是,真正的夜间可以放热的蓄热装置当属 A 级建筑,特别是在环境内有着显著分量、具有传统高性能保温层的建筑物。除了简单的卫浴热水服务之外,建议不要将蓄热装置设置在使用场所的最高处,使用前蓄热需要相应地推迟使用,而这常常会使得太阳热能的收集无效。

可将取用贮存的太阳热能作为一种手段,同时应用所谓的多用途小发电机[2],准备接收来自太阳能集热器和化石燃料能源的能量:假如按照文献[2]那样处理,当各种要素交织在一起而想控制单个要素来满足多种条件和用途时,是不可能有效恢复居室供暖的。自动控制系统必然倾向于在太阳升起前就将被污染源充入蓄热装置,事实上阻碍了这种设想的实现。图2所示为两个在商业上取得了一些成功的回路简图,尽管应用时受限于假设不常出现辅助锅炉预防性熄火和完全熄火。 实际上,在太阳升起前,需要将蓄热装置完全排入熄了火的锅炉。因此,只要不与天气预报系统相连接,就不会发生自动控制了。

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蓄热装置设置在使用场所最低处

对于居室供暖服务来说,将蓄热装置设置在使用场所最低处可获得不一样的结果,能确实避免该蓄热装置与辅助系统供给的热量合并(图3)。传热液体直接与供暖回路热交换,并由太阳能和锅炉交替供热,后者首先供热并在太阳首次露头时暂时停止。这是一个很合理的过程,不会出现大的热惯性。在居室供暖切换之后,太阳能回路便将多余的热量转移给卫浴热水水箱,而当这些热量用完之后,这些水又流入承载传热液装置下游的大型蓄热水箱;此后再抽入高处,于是,便按照自然规律自动分层。

这种有益的分层现象随液体流向沿母线打孔或开槽的竖管时得到了最大化,就像图中的局部放大所示的那样,以连续变化温度流入蓄热水箱的液体将处于温度最接近自身的分层,流到密度相同的那一层。 蓄热水箱影响液体回流至太阳能集热器的情况发生在最低处,而此处分布着水箱中最冷的一层 。这样就可以在效率上达到最好的结果。只要太阳能集热器在可能的最低温度下运行,该系统就可以达到最高的效率,这对于供暖服务来说总是有益的。这个理念已于1973年公布并展示在美国注册的一份意大利专利作了详细说明[3]。该专利要求正确确定内部扩散管及相关钻孔或开槽尺寸,并使相关电动泵的多数流通截面能让液体以很受限制的流速确实地按层流方式通过。需要指出图3提出的系统至关重要,自动化装置与相关机构真是要这么连接。仅有一个装在总管上的切换阀负责白天蓄热和晚上放热的切换。

短时间蓄热的限制

鉴于对提供热水服务来说,蓄热是需要且必需的,故需要分析面对居室供暖需求采用蓄热的有效性。考虑采用图3所示符合上述目的回路图(不是图2所示的回路图 )可以区分3个特征阶段:

  • 对于冬季最冷阶段,如欲对蓄热装置充热,就有必要布置很大的集热面积,譬如,两倍必要的居室供暖计算量,若干个某日供暖需求量,后一日同样多的供暖需求量;最关键的是集热面应倾斜于垂直轴线,但是,如果后一天是好天则继续充热,不过这只够应付下一天是坏天气;众所周知,A 级楼宇晚上温度有轻微降低,因此,对于这种温度的轻微降低可考虑选择正常管理。
  • 当为隆冬时节安排特别充分的集热面积时,必然存在一些季节过渡阶段;于是,蓄热装置就可以应对夜间和清晨供暖,对此适用上述考量;如上所述,在天气一直很好的阶段里,蓄热装置仅扮演不重要的角色,然后再应付第一个坏天气。
  • 接下来就是夏季,彼时很少涉及依靠蓄热应对居室供暖,只是始终单单依赖蓄热供应热水;在该季节中,太阳能集热器也应保持对垂直轴线的倾斜,避免随着性能迅速老化及后继发生的其它故障,造成太阳能集热器出现热流停滞现象。

如果太阳能系统的规模更经济、使用更便利,譬如,对于二月中旬的平均供暖需求和太阳辐照情况来说,蓄热装置将在骤冷时段和该月中旬有效放热;这种情况仅在春分、秋分与冬至之间的半年时间之外有用。这就是每个项目启动数据中需要考虑的实际情况,以便确认在每种情况下性能良好的蓄热装置能否有效地供应卫浴热水。

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研发领域

能源问题的扩展得到了研究和设计的自动响应,于是,随着太阳能得到应用的同时,当前设计师、部件生产厂和设备安装公司的工作主要是满足生产卫浴热水的热能需求,但是居室供暖和工作供热的节能意义远大于此。这些应用技术的发展不仅没有界限,相反,最近将重点研究蓄热能力及热能转移能力作为最突出的元素。

最简单的蓄热元素无疑就是水,它的比热最高,不过,某些其它合适的物质可能具有在有限的空间内保存余热的能力。表1列出了为新理念建议可以试用作为蓄热要素的各种物质的性质和物理状态。

表1 -在标准条件下的某些物质的比热。固体在恒定体积一致与恒定压力下的比热

物质 状态 Cp (J/kg.K)

 

固体 880
不锈钢 固体 502
液体 4186
水(冰) 固体(0℃) 2090
二氧化碳 气体 838
空气(干) 气体 1005
空气(相对湿度100%) 气体 1030
固体 1824
气体 5190
乙醇 液体 2460
固体 444
甘油 液体 2260
石墨 固体 720
气体 14435
固体 3582
水银 液体 139
液体 ~ 2000
气体 920
黄铜 固体 377
固体 130
聚苯乙烯 固体 1450
固体 385
二氧化硅(烊化) 固体 703
二氧化硅 气体 2020
氧化物 固体 228
固体 388

随着分析的深入,需要考虑这些物质元素在状态改变时的热化学性能。譬如,列在表格上端的水在蒸发时需要大量能量,然后又回到冷凝状态,这是一个很有趣的情况,即使处在不太有利的热力状态,因为远不符合通常的太阳热能应用工况。但是,如果采用真空,状态变化时的热力工况就变得很有意义了。

无论如何仍需进行这种分析,检验可逆状态变换中的每一种物质或元素;是否是从液体转化为气体或从固体转化为液体,并有可能改变压力范围。

以冰和盐的混合物为例(H2O 的固体和 NaCl),冰在0℃时融化,盐在804℃时熔化成液体,但是两者的共晶混合物在21.3℃时就会融化。在共晶点存在两个固相(冰和 NaCl)和一个液相(溶液),处于同期平衡。这个例子不一定适合利用蓄热装置实现简单的太阳能室内供暖,然而这种迹象表明有可能建议创新并进一步研发。

地热的季节性蓄积                                

在大型蓄热装置领域已实践了几条路径。特别是在太阳光辐射强烈的几个夏季月份内加热蓄热装置本体,然后在冬季用热泵从中抽取热量。确有几个用作大型远程供暖系统的季节性蓄热装置案例,作此用途的蓄热装置本体就是地层,因其换热剖面中无含水层条件的物理特性能避免或至少限制了热损失而被选中。安装设备的现场受到垂直地层剖面中土壤性能的当地地质条件的限制,但是使用地点附近的地形图也起到一定作用。

在夏天,利用太阳能集热器阵列收集太阳热能,将太阳能传热液注入在地下钻出的一组深井而加热土层,而在随后的季节里回收热能,使传热液在井管里循环。参与换热的土层的总体积决定了蓄热容量。

除了太阳能集热器之外,系统中用于蓄热的关键部件就是热泵,它与燃料供能的热电联产机组并联并交替运行。整个系统还支持了日常管理用的大容量水箱,但是一年中供热的主角是钻有十个井的这块地,井距大约3米,如上所说,钻井深度须保证绝对不接触到地下水。譬如,钻井深度可以达到30米,而实测到的含水层深度约为35米。每口井里插有一根供液体循环用的双 U 形管,成对分组而串连,从而达到从蓄热本体中心起直至同一个本体的外周的温度递降的水平分层。于是,在夏季充热阶段传热液从中心辐射状向外周流动,而在冬季热量回收期间这样的流动正好反向,从外周流向中心,从极端的微温到最热。

在北欧地区实现的几宗应用例中,蓄热装置本体保温层表面之下铺嵌着一层贝壳,这种做法既很经济,保温性能又符合要求,且能耐受高湿度和高表面温度,因为,夏天该表面温度会达到80℃。

在游泳池内的季节性蓄热

不同的小规模季节性蓄热假设能被应用于有游泳池的地方。在夏日的几个月里,地中海地区能够充分享受不需要点燃锅炉或使用其他热源的好处,通过计算或直接体验便可确认这一点。实际上,从六月至八月底单靠太阳辐射就能自然加热水池。然而,通过利用太阳能设备能进一步很好地应用这种方式,池温保持舒适的温度,既能满足坏天气时期的需要,又能在五月和九月里池温太低时长久地留住游泳者。于是,在寻觅一个恰如太阳能集热器场那样的新的大型产热手段时,自然而然地想到了利用游泳池作为整个泳池停止开放阶段中可使用的大型蓄热装置。此处推出了这样的假设,考虑将水体转换成拥有游泳池的建筑物的太阳能供暖系统的一个有效部件,以此思路可以处理一幢住宅或其它人居建筑结构。

太阳能集热面需要按理想的倾角安装,避免在盛夏因热量流动停滞而出现有害的过热现象,彼时除了没有卫浴热水淋浴的低需求供热服务,没有热负荷,也无法利用供热能力。在这方面,有必要按照季节的需要,通过垂直安装或利用可发挥遮阳功能的方法,保护受太阳光线辐照的集热板。如果以阵列方式安装太阳能集热板场(图4),每一列集热板应避开以冬至时分为特征的、阳光以倾角 α 射下的阴影角。正午太阳高度的计算公式如下:

α = 90° – (φ + δ)

此处 φ 为计算地点的纬度,δ 为地球中轴线的倾角。罗马地区:α=90°-(41°53’+23°27’)=24°40’

因此,太阳能集热器的最佳倾角与夏季的过热保护有关,并须考虑太阳能传热液的最高温度自动限制;因在集热板垂直安装场合,证实集热板的温度达到了90℃,但是,若阳光呈与垂直线而倾斜入射,则温度会上升到150℃。同时,之所以选择这个倾角是为了在隆冬和春秋季实现最佳集热。

图4所示为针对与游泳池、辐射供暖回路和加热水箱直接热交换的太阳热能收集和输送示意图。有专用软件在冬季和春秋两季中有效管理和运行这些设施,在电动循环泵P1运行时,可逆流循环的电动循环泵P2因内置限制器的作用而停转。池水由P3保持循环。于是,按这种方式接受太阳热能,如有故障,电动循环泵P4自动停止。同时,P5循环而P6停止。该系统属于辐射供热的自给自足类型,根据需要自动调整、自动计量。水体一直处于充热状态,即这种情况在每个季节里始终发生,只要池温低于太阳能传热液的温度。就是说,一旦太阳暗了下来,系统通过自动关闭阀门V1而停止P1,随即启动P2,同时启动P4,通过运行热泵利用蓄积在泳池里的热量,通过温控使辐射供暖达到正确的温度。P4运转,便停止P3和P5,后者由P6取代,提供辐射供暖。

该循环程序与所寻求的功能相对应,即:

-在享受游泳阶段与热水供应服务阶段相吻合期间,收集夏季和春秋两季的太阳能,以保持适当的池温;

-收集春秋两季和冬季的太阳能,如果有效的话,将对作为蓄热装置并适当保温的泳池加热与对辐射供暖和卫浴热水供应服务整合起来。

-借助热泵回收蓄热后用于辐射供暖;热泵能够旁流,进而通过直接换热供给辐射供暖而不消耗电力。就是说在泳池蓄热之前,温度降至有效辐射温度之下;只有在此时才会利用电力启动热泵。

容量400m3的游泳池在气温40℃夏季结束时所蓄积的热量,能够直接供给一幢住宅含40天坏天气的10月和11月的供暖需求。不可接受的情况是太阳长时间昏暗,故需向太阳能系统反复供能。而作为替代方案,可以激活热泵,使之在较低的温度下运行,并考虑定期用太阳热能对泳池加热,即便是严冬时分。在每年年初几个月里,热泵应满负荷运行,大型蓄热装置将释放全部热能,直至温度低于10℃,然后等待好天气和春天的最终来临。

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