摘要：作為世界上最大的太陽能低溫熱利用產(chǎn)品生產(chǎn)和使用國，每年我國太陽能低溫集熱器的制造量居世界之首。目前我國的太陽能熱利用主要是熱水領(lǐng)域，集熱器以真空管及平板為主。真正達標成功案例不足50%，原因是什么呢？系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用不合理。在未來擁有廣泛應(yīng)用潛力的工農(nóng)業(yè)太陽能熱利用和低中溫領(lǐng)域市場需求日趨明顯，正向著太陽能干燥、海水淡化、養(yǎng)殖、光熱低溫發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用需求也越來越廣。對真空管及平板太陽能集熱系統(tǒng)的升級與優(yōu)化迫在眉睫，系統(tǒng)合理研發(fā)落實到實際有效應(yīng)用勢在必行。
0 現(xiàn)狀
目前，我國太陽能熱水系統(tǒng)主要性能指標與國外發(fā)達國家太陽能熱水系統(tǒng)主要性能指標及熱水系統(tǒng)比較還存在一定差距，太陽能熱水系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，包括太陽能集熱器、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。太陽能集熱系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)特有的組成部分，是太陽能合理利用的關(guān)鍵。熱水供應(yīng)系統(tǒng)負責將集熱系統(tǒng)制成的熱水供給用戶使用。就中外同類熱水系統(tǒng)分析比較各有千秋，我國多數(shù)采用的是開式系統(tǒng)，國外多數(shù)采用的是閉式系統(tǒng)，單從系統(tǒng)效率上講，開式系統(tǒng)直接熱交換，閉式系統(tǒng)間接熱交換，顯然開式系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)的效率要高。單從系統(tǒng)運行壓力上講，開式系統(tǒng)為常壓，閉式系統(tǒng)為承壓，顯然閉式系統(tǒng)比開式系統(tǒng)的承壓能力要強。從使用的角度上來說，開式系統(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，但也存在諸多問題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計不合理、生產(chǎn)制造不達標、安裝施工不規(guī)范、市場大打價格戰(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，但是這些因素嚴重影響太陽能光熱新能源的健康發(fā)展。
1 優(yōu)勢和劣勢比較
我國太陽能光熱行業(yè)的團隊已經(jīng)過多年的風(fēng)雨歷練，涌現(xiàn)出大批黑馬和品牌，研發(fā)優(yōu)化了多項具有世界先進水平的光熱系統(tǒng)，待十三五期間快速推廣發(fā)展應(yīng)用。
1.1中小型太陽能光熱系統(tǒng)工程由過去的并聯(lián)系統(tǒng)向串聯(lián)系統(tǒng)過渡，體現(xiàn)在降低建設(shè)方投資成本，降低承接方施工成本，降低使用方運營成本上。
1.1.1 研發(fā)與應(yīng)用前為并聯(lián)系統(tǒng)
目前國內(nèi)太陽能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，是集熱器寬度的3倍，系統(tǒng)循環(huán)管道熱損20%，系統(tǒng)運行效率低，投資量、施工量偏大，節(jié)能效果不明顯，運營成本高。是今后安裝中小型太陽能光熱系統(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.自來水直接進入儲熱水箱，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)運行模式，造成循環(huán)管道運行溫度高、熱損大；當用熱水的時候儲熱水箱水位下降，浮球閥同步補冷水，儲熱水箱的熱水用到一半就不能再用了，系統(tǒng)必須進行輔助能源互補，由于該系統(tǒng)是并聯(lián)系統(tǒng)，同程管道長，溫差循環(huán)的管道溫度基本在45℃以上，循環(huán)換熱管道溫損在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，以太陽能為輔,甚至在我國的北方冬季無法使用。
1.1.2 研發(fā)與應(yīng)用后串聯(lián)系統(tǒng)
本文所述的太陽能熱水系統(tǒng)采用真空集熱管集中集熱萬能角度工程模塊，串聯(lián)系統(tǒng)連接模式，該系統(tǒng)四季運行光照無死角，每年4月至10月晴天無需復(fù)合能源互補，所需循環(huán)管道少、熱損小、系統(tǒng)效率高、運營成本低，是今后我國中小型太陽能熱水工程系統(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)，晴天冷水源直接進串聯(lián)集熱器系統(tǒng)進口，通過集熱器定溫交換加熱，使符合用水條件的熱水進入儲能水箱，午后儲能水箱到達儲能定溫高水位時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換溫差循環(huán)，對儲能水箱進行二次加熱，在使用熱水時，集熱系統(tǒng)向儲能水箱補充的是集熱器的余熱，使太陽能系統(tǒng)熱利用率得到更高獲取，最大化利用太陽光能。
該研發(fā)的系統(tǒng)與目前國內(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)勢特點：
a.采用萬能角度雙翼平鋪集熱器，全年候運行光照無死角，使太陽光能吸收最大化。
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、運行效率高。
c.系統(tǒng)采用獨特的運行工藝：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小時自來水直接進集熱系統(tǒng)，出來達到45℃以上；下午系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入溫差循環(huán)，也就是給儲熱水箱進行二次加熱，日落前集熱器與儲熱水箱溫度可達65℃。晚上系統(tǒng)自動轉(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℃，當儲熱水箱內(nèi)水位下降，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入余熱回收。
d.當用水單位突然增加洗浴人員，原設(shè)計量呈現(xiàn)不足，儲熱水箱可能出現(xiàn)補水情況，此時集熱器仍有少量45℃以下的熱水備用，當儲熱水箱水溫下降到45℃以下，水位在水箱三分一處時，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)入復(fù)合能源互補模式；也就是說復(fù)合能源使用的條件是當太陽能的能量即將用盡且儲熱水箱的水量只有三分一處時系統(tǒng)才能啟動輔助能源。
e.該控制系統(tǒng)為行業(yè)獨特的專利系統(tǒng)，能在-25℃環(huán)境下正常產(chǎn)熱運行，采用雙層保溫管道，使用超低溫微循環(huán)防凍模式，具有全自動防凍解凍系統(tǒng)，確保四季正常供熱運行，真正做到節(jié)能減排的目的。
2 太陽能集熱系統(tǒng)強制循環(huán)分析
2.1 工作原理
強制循環(huán)太陽能熱水系統(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)動力；與此同時，集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲存在貯水箱內(nèi)。
系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)泵的啟動和關(guān)閉必須要有控制，否則既浪費電能又損失熱能。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控制循環(huán)泵的運行，如圖4所示。
有光照后，集熱器內(nèi)的水受太陽輻射能加熱，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到設(shè)定值(一般8～10℃)時，溫差控制器給出信號，啟動循環(huán)泵，系統(tǒng)開始運行；遇到云遮日或下午日落前，太陽輻照度降低，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到另一設(shè)定值(一般3～4℃)時，溫差控制器給出信號，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運行。
光電控制是利用太陽能電池所產(chǎn)生的電信號來控制循環(huán)泵的運行。日出后，太陽輻照度逐漸增加，一旦太陽輻照度達到設(shè)定的閾值(一般150W／m2左右)時，光電溫差控制器給出信號，啟動循環(huán)泵，系統(tǒng)開始運行；遇到云遮日或下午日落前，太陽輻照度逐漸降低，一旦太陽輻照度低于閾值時，光電溫差控制器給出信號，關(guān)閉循環(huán)泵，系統(tǒng)停止運行。
用熱水時，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充冷水（自來水），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水的問題；缺點也是從貯水箱底部進入的冷水會與貯水箱內(nèi)的熱水摻混。落水法的優(yōu)點是沒有冷熱水的摻混，但缺點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水的問題。
在雙回路的強制循環(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。板式換熱器與浸沒式換熱器相比，有許多優(yōu)點：其一，板式換熱器的換熱面積大，傳熱溫差小，對系統(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)計布置；其三，板式換熱器已商品化、標準化，質(zhì)量容易保證，可靠性好。強制循環(huán)系統(tǒng)可適用于大、中、小型各種規(guī)模的太陽能熱水系統(tǒng)。
