太阳能集中供热水（精选7篇）
太阳能集中供热水 篇1
1 设计概况
太阳能资源丰富,但由于其能量密度较低,且因地而异、因时而变的特点,使得太阳能在整个综合能源体系中的应用受到一定限制。
辽宁营口地区属于太阳能资源的第三类地区,全年日照时间为2200～3000h。本文对辽宁营口地区新建6层4000m2楼宇的太阳能集中供应热水系统进行设计。该楼共有36户住户,每户使用面积111m2,依据每户每日使用50℃、300L热水计算,则整个楼宇每日需要10.8t热水。考虑到太阳辐射不足时仍需要热水的供应,电加热装置依据冬季最低室外温度下的自来水供水温度进行设计,采用80kW的电加热装置。文中取全年日照时间2400h进行计算。
2 工作原理
2.1 系统形式的确定
太阳能供热水系统如图1所示。自来水经电磁阀1进入储热水箱内,储热水箱内的冷水与太阳能集热器进行温差循环,使储热水箱内水温上升,升温后的储热水经电磁阀2进入恒温电加热水箱,另一管路自来水经电磁阀3进入恒温电加热水箱,进行恒温控制。经恒温控制的热水供应至各用户。
2.1.1 供水循环
储热水箱内的水来自自来水管,当水箱内水位低于设定水位时,控制柜控制供水管电磁阀增加阀门开度,使供水量增大,当水位达到水箱上限水位时,关闭电磁阀。
2.1.2 温差循环
太阳能集热器内的集热介质与储热水箱内的冷水在板式换热器处进行换热,当太阳能集热器出口处集热介质温度低于50℃,关闭循环水泵1,以使太阳能集热器充分集热;当储热水箱内水温高于70℃时,为防止循环水泵汽蚀,关闭循环水泵1、2,不再进行温差循环;当集热介质与储热水箱内温差大于8℃时,循环水泵1、2同时开启,使集热介质与储热水箱内冷水在换热器内充分换热,当温差小于2℃时,关闭循环水泵1、2,完成温差循环。
2.1.3 恒温控制
储热水箱内的预热水流经处于低位的恒温供水箱内,当太阳能集热器集热不足时,储热水箱内水温较低,为保证用户的热水用量及温度,在恒温供水箱内安装80kW电加热装置;当恒温水箱内水位低于设定水位时,增大电磁阀的开度,当水位达到设定水位时,关闭电磁阀2;当恒温水箱出口水温低于55℃时,开启电加热装置,达到55℃时停止加热;当储热水箱内水温高于55℃时,控制柜发出指令,减小电磁阀2的开度,且增加电磁阀3的开度,恒温水箱出口水温达到55℃时停止调节,且恒温水箱达到限定的水位上限时,关闭电磁阀2和3,完成恒温控制。
2.2 水箱尺寸的确定
集中供热水系统夜间使用时,由于生活用水量较大,且此时段只依靠电加热维持水温,投资成本较高。因此,若水箱设计过小,白天由利用太阳能制造的热量不能满足用户在夜间的热水需求,依靠电加热维持用热量,是不经济的。该设计在系统中加入8t集热水箱和4t恒温供水水箱。
2.3 太阳能集热器面积的确定
由于该楼宇设计建筑面积较小,且采用坡顶结构,致使可使用太阳能平板面积较小,低于350m2。营口地区北纬40°40′,故太阳能集热板按照当地纬度进行安装。根据江苏某太阳能集热器生产厂家提供的数据,利用建筑可布置集热器的有效面积,安装了94组该厂家生产的太阳能集热板(2.06 m×1.08 m),前后排间隔0.5m。依据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中公式,有:
式中:Ac—集热器总面积,取333.72m2;
Qw—日均用水量,L;
Cw—水的定压比热容,取4180kJ/(kg·℃);
f—太阳能保证率,取0.5;
te—储热水箱内水的设计温度,取50℃;
ti—自来水初始温度,取4.9℃;
JT—太阳能集热器的年平均日太阳辐照量,营口地区为15410kJ/m2;
ηL—贮水箱和管路的热损失率,取0.2;
ηcd—集热器的年平均采热效率,取0.4。
由上式计算可得,集热器总面积为206.44m2,由于单块集热板面积为2.2248m2,故布置94块太阳能集热板。
2.4 电加热器功率的确定
应考虑到恶劣气候条件下也能满足用户的热水需求,电加热器的功率即由最恶劣气候条件和用户最大用水量来确定,在不考虑太阳能集热的情况下,将恒温水箱内的4t水由5℃加热至50℃需要752400kJ的热量。采用80kW电加热装置,可将5℃的水经2.61h加热至50℃,满足用户需求。
3 太阳能集中供应热水系统的计算
3.1 集中式与分散式供应热水系统的能耗计算
在太阳能供给不足时,需采用电加热器为用户提供热水,由于管网热损失过大的原因,分散式太阳能供应热水系统只适用于高层用户,文中设计的是6层高度的民用住宅,认为5、6层的用户可以使用分散的太阳能系统进行热水供应,而4层以下(含4层)用户需要使用电热水器进行热水供应,每户每日使用300L、50℃的热水。计算中应考虑到利用集中式太阳能供应热水系统时,会有日照不足的情况,日照时间系数为2400h/4380h=0.548,日照不足时,由电加热系统对用户所需热水进行供应。经计算,集中式和分散式太阳能供应热水系统日均能耗情况如表1所示。
3.2 具体应用及能耗对比
若使用户得到50℃生活用水,各月份所需能耗如图2所示。计算得知,在不计维护费用的情况下,太阳能集中供应热水系统比分散式供应热水系统年节电能37945.3kWh。若考虑分散式系统中冬季不利环境条件下,5、6层用户得到水温较低的情况,集中式系统的节能效果会更加明显。此外,集中式系统可以使1～6层的小区居民均可使用太阳能生活用热水,非常方便。
4 结语
综上,太阳能集中供应热水系统相对于分散式供应热水系统有具有如下优点:
(1)系统形式简单,便于安装,使用寿命长,用户室内无复杂部件。
(2)可在太阳能不足时,稳定地向用户供应热水;可以满足各个楼层用户的热水需求。
(3)节能效果明显,年均节约电能37945.3kWh。
参考文献
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[7]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2006.
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[9]孙光伟,蒋志坚,刘晓峰,等.建筑中太阳能的应用技术[J].低温建筑技术,2002,(2):69-70.
太阳能集中供热水 篇2
太阳能空调与高效供热装置及其应用项目经多年攻关，突破了太阳能空调和供热装置技术瓶颈，并在2010年度国家科学技术奖励大会上获得国家技术发明二等奖。
本项目的发明创新点如下：
1.突破了太阳能空调技术的瓶颈，发明了太阳能硅胶－水吸附制冷机和太阳能两级转轮式除湿空调，解决了利用集热器产生60℃～90℃热能实现稳定制冷空调过程的难题。针对太阳能热水系统夏季运行，独创了太阳能硅胶－水吸附式冷水机组，采用分离热管和毛细升膜蒸发原理以及回热回质循环方法，利用普通集热器所产生的60℃以上热水即可驱动空调制冷，实现了太阳能空调在夏季可以8小时以上连续供冷，技术指标居国际领先水平。针对太阳能空气集热器，发明了太阳能两级转轮式除湿空调，采用基于硅胶和卤素盐耦合吸湿机理的复合吸附剂，利用等温除湿和中间冷却原理提高除湿循环的热力学完善度，实现利用60℃～90℃热空气驱动空调除湿，热力COP达到1.0以上，能够把40％以上太阳辐射转变为空调能力输出。
2.发明了太阳能/空气源热泵装置。针对常规太阳能供热系统受太阳辐射低密度、间断性等因素影响大的难题，利用太阳能集热和热泵循环，有效吸收太阳辐射热以及环境中的热量，实现供热系统高效稳定工作。该技术已实现产业化，产品性能指标优于国内外同类产品，推动了行业的形成与发展。
3.集成创新了太阳能采暖、空调、自然通风与热水供应复合能量利用技术并获得规模应用。提出了太阳能结合建筑全年综合高效利用的新方法。夏季利用集热器产生60℃以上热水驱动太阳能空调，冬季利用太阳能采暖供热，过渡季节利用集热循环产生热压效应强化室内自然通风，同时太阳能产生的热水可满足建筑全年生活热水供应，国际上首次实现了太阳能全年高效利用，使建筑太阳能系统保证率达到60％以上。
本项目获发明专利授权17项，实用新型专利授权17项；制定2项太阳能标准；出版了专著《太阳能制冷》，发表论文63篇，SCI收录20篇。建筑结合太阳能供热、太阳能/空气源热泵技术形成产业，太阳能空调在江苏双良集团批量生产，太阳能除湿空调获得工程应用，项目成果入选Wisions国际可再生能源推广应用范例。发明成果在生态建筑、低温储粮、世博场馆以及皇明太阳能集团等多种场合应用，取得重大社会和经济效益。
太阳能集中供热水 篇3
化石能源供应不足、液体燃料短缺、化石能源利用造成的严重污染、CO2减排压力以及农村边远地区缺能等问题在中国愈益严重,积极开发和利用可再生能源已成为中国实现能源可持续发展的必然选择。中国太阳能资源极为丰富,开发潜力巨大,但太阳能能量密度低、分散性强、不稳定、不连续[1]。如何合理利用和储存太阳能,降低其利用成本,是全世界共同面临的重要问题。太阳能的大规模储存与利用在替代化石燃料、减少温室气体排放、实现全球能源可持续发展战略等方面将起到重要和关键的作用,特别是在人类迈入低碳氢能经济时代的进程中,太阳能将起到不可替代的作用。太阳能的利用形式多种多样,有光热转化、光电转化和光化学转化等。其中,太阳能热利用是较为成熟的形式,它可以实现高、中、低温太阳能的能量综合梯级利用,既能为不同参数的发电站提供能量,还可以为不同温度的热化学反应提供热量。但至今中国还未掌握高效、低成本、大规模直接太阳能热利用的有效技术。
生物质能是另外一种可再生能源,是由植物光合作用固定于地球上的太阳能,更是唯一的可再生碳源。目前生物质能消耗占世界总能耗的14%,仅次于石油、煤炭和天然气,位居第4位[2]。中国拥有丰富的生物质能,有超过3万种高等植物,这些植物每年产生约2×1010 t生物量,相当于2×108 t石油[3]。据测算,中国理论生物质能资源约5×109 t标准煤,是目前中国总能耗的2倍多。
与化石燃料相比,生物质能具有如下优点[2]:可再生性;低污染性,生物质的硫含量、氮含量低,燃烧过程中生成的SOx和NOx较少,由于生物质在生长过程中的光合作用,使得生物质在使用过程中可实现CO2的零排放;分布广泛,在缺乏煤炭的地域,可充分利用生物质能。开发、利用生物质能的途径主要有生物化学法和热化学法[4,5,6]。
生物化学法可将生物质转变为品质优良的气态、液态燃料。与热化学过程相比,其转化反应活化能低,产率高,可利用含水量高的生物质原料等。但是该类技术也有其固有的缺点:反应速度慢,操作复杂。据估计,生物质生物化学转化的运行成本是热化学转化的3倍。
热化学法包括直接燃烧、气化、热解、液化和碳化等技术路线。气化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式[6]。与其他方法相比,热化学法具有功耗少、转化率高、转化强度高、工业化实现容易等优点。目前,生物质的热化学转化技术已成为世界各国开发利用生物质能的重点研究方向。
但无论是生物质气化还是热解,都需要对生物质进行干燥,高耗能的干燥过程限制了其效率和经济性。此外,传统生物质气化的产物中含有大量的焦油、焦炭,制氢则需要复杂的提纯过程。近年来,太阳能化学与生物转化制氢的研究取得了较大的进展,而利用热化学方法分解水和生物质制取H2被公认为是目前最具工业化前景的技术。
氢能被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁。以氢为载体的能源体系有利于实现能源的多元化战略和可持续供给,在未来的能源体系中,氢能可以成为与电能并重且互补的二次能源,渗透并服务于社会经济生活的各个方面,为中国的能源安全和人类的环境保护作出重要贡献[7,8]。将太阳能直接转化为氢能或其他能源产品,既可解决太阳能利用的难题,又有利于建立可持续发展的可再生能源体系,具有重大的社会、经济效益和现实可行性[9]。在各种可能的途径中,直接太阳能驱动热化学分解水制氢和生物质制氢是在近期和中期最有可能实现工业化的制氢技术。要实现高效低成本的直接太阳能化学及生物转化与利用,必须重点解决太阳能高效聚集、传输、储存,以及利用热化学等途径高效转化过程中的一系列基础科学问题,具有明显的学科交叉特征。这既代表当今国际能源、化学、物理、材料及生物等学科的国际重大的基础科学前沿,又符合国家当前乃至未来的重大需求。
1太阳能热化学制氢研究现状和发展趋势
太阳能热化学制氢[10]大致有太阳能热化学直接分解水制氢、热化学循环分解水制氢、太阳能化石燃料脱碳制氢等3种方法。所有这些太阳能热化学制氢方法的共同点是都有一个通过聚焦太阳能加热的高温吸热反应。
1.1太阳能热化学直接分解水制氢方法
利用太阳能将水直接在高温下加热分解产生H2无疑是最简单的热化学制氢方法。在标准状态下(25 ℃,1 atm),水分解反应的热化学性质变化如下所示:
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式中:l表示液态;g表示气态;ΔH为焓差;ΔG为Gibbs自由能变化量;ΔS为熵值变化量。
由计算可知,只有温度上升到4 700 K左右时,水分解反应的Gibbs自由能才能为0[11]。Kogan等人的研究[12]表明,在温度高于2 500 K时,水的热分解才比较明显,温度越高,水的分解效率越高,如图1所示。
图1中:XH2O为水的摩尔分数;P为温度压力。然而在如此高温下,太阳能集热装置高温的获取、高温反应器、产物分离,以及采集器件的材料和反应器内部混合物的直接分离等问题都很难解决,因此,热化学直接分解水制氢方法目前在工程上不可行。
近年,大型太阳能聚光系统有了飞速发展,太阳能聚光比可以超过5 000个太阳。如此高的辐射热流可以提供1 200 ℃以上的高温热源,这为太阳能热化学制氢的发展提供了很好的条件。基于此,人们提出了金属氧化物循环、碳热还原金属氧化物等几种更高效的热化学循环分解水制氢的体系。
1.2太阳能热化学循环制氢方法
20世纪60年代初,Funk等人提出了多步骤热化学循环分解水制氢的方法[13]。该方案中,热量并不是在很高的温度下集中供给纯水使之单步分解,而是在不同阶段、不同温度下供给含有中间介质的水分解系统,使水沿着多步骤的反应过程最终分解为H2和O2。整个反应过程构成一个封闭的循环系统,在热化学反应过程中只消耗水和热,其余参与过程的物质在循环制氢过程中并不消耗,可以循环使用。
Funk的热化学循环制氢概念提出后,研究者们提出了上百种多步骤的热化学循环系统。根据反应物的不同,可以分为金属氧化物体系、含硫体系、卤化物体系、杂化循环等体系。比较典型的有美国GA公司提出硫碘(IS)循环[14]和日本东京大学提出的UT-3循环[15],均可在低于1 273 K的温度下分解水产生H2和O2,预测的制氢效率分别达52%和48%。但是,这些过程都比较复杂,且依然存在气体分离和材料腐蚀等方面的难题。
由于从原理上解决了反应产物气体的分离问题,因此,近年来以金属氧化物为介质的两步骤热化学循环法逐渐成为热化学循环法分解水制氢研究的热点,其原理是利用较活泼的金属与其氧化物之间的互相转换或者不同价态的金属氧化物之间进行氧化还原反应的两步循环实现水的分解。
目前对于金属氧化物热化学循环研究较多的体系包括铁氧化物[16]、锌氧化物[17]、锰氧化物[18],以及各种铁酸盐及其之间的混合物等[19,20]。
国际能源署(IEA)将太阳能热化学循环分解水制氢作为其SolarPACES计划的重要组成部分,德国、以色列、澳大利亚、荷兰、法国、瑞士等国参加了该计划并取得重要进展。尽管两步及多步循环法所需的反应温度比直接分解法降低了很多,但为了保证反应连续进行,对反应器材料的要求仍然很高,一般都要求能承受2 000 K以上的高温[21],而且存在连续操作困难、热效率低、产氢量小以及热源成本高等问题。所以目前热化学循环制氢方法的主要研究方向是寻找反应条件更为温和的循环体系以及如何实现低成本利用太阳能直接供热。
1.3太阳能—化石燃料脱碳制氢方法
由于目前存在的热化学循环制氢的方法距离工业应用的目标还比较远,因此,利用太阳能燃料完全替代化石燃料将是一个长远的目标。为此,众多学者提出了太阳能—化石燃料脱碳制氢的方法,包括太阳能甲烷热解制氢,天然气、油、煤的蒸汽重整制氢等。这被视为连接未来氢能经济与当今的化石燃料为主的能源经济的桥梁,是一种过渡性质的制氢方法。太阳能—化石燃料脱碳制氢技术包括太阳能热解、太阳能重整、太阳能气化等技术,目前多个P&D项目正在开展[22],包括:①太阳能—甲烷或天然气热解制氢技术[23];②太阳能天然气重整制氢技术[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27];③太阳能蒸汽气化技术[28,29];④太阳能生物质气化制氢技术[30,31]等。但由于它们毕竟需要消耗化石燃料,其体系本身不可持续,因此,寻找一种成本更低、更加清洁、具有可持续特性的热化学制氢方法就十分必要。迄今为止,综上所述的大部分太阳能反应装置都为1～10 kW的实验室规模,最大的中试装置的规模是500 kW[29]。与太阳能热发电技术相比,太阳能热化学制氢技术还属于实验研究阶段,还存在许多待解决的问题,从实验室到商业化的距离还较远。而中国在太阳能热化学制氢方面的研究起步更晚些,远远落后于欧美国家,但近年在某些方向上独具特色,开发出具有中国自主知识产权和商业应用前景的太阳能热化学制氢技术十分必要,也迫在眉睫。
近年来,随着太阳能热化学制氢及生物质气化制氢研究逐渐成为国际上可再生能源领域的研究热点,并取得了较大的进展。在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,中国已在直接太阳能热化学分解水制氢和生物质制氢等方面开展了系统深入的研究工作,并取得国际一流的研究成果。
2生物质超临界水气化制氢及其研究进展
2.1超临界水的特殊性质
水在近临界或超临界的热力学状态下具有一系列独特性质,如介电常数低、粘度小、氢键较弱、极性降低、扩散系数高、可溶解大部分有机物及气体等,并使反应能在均相体系中进行,大大提高了反应速率。
超临界水的上述特殊性质对发生在超临界水中的化学反应有以下重要的影响。①消除了扩散限制。使化学反应在均相中进行,大大消除了扩散限制。②提高反应速度。在低浓度和溶剂接近其临界条件下,活化体积ΔV具有很大负值,使反应速度常数随压力提高显著增加。③降低化学反应温度。一些高温反应可借助超临界水大幅度降低反应温度,使其易于工业化。④降低固体催化剂的失活速率。超临界水能溶解某些导致固体催化剂失活的物质,使其长时间保持活性,也能降低催化剂的再生温度。⑤提高化学反应的选择性。利用超临界水的特性可大大提高产物的生成速度,抑制副产物和非目的产物的生成速度。⑥反应物和产品易于分离。可通过调节体系的温度和压力,使产物、反应物、催化剂及副产物依次分离出来[30]。⑦良好的酸基/碱基反应介质。在近临界点区域,水中的H+很高,可以在不加酸的情况下催化一些酸催化剂的有机反应[31,32]。⑧改变反应条件,调控反应路径。相关研究表明:在临界点附近,离子反应超过自由基反应,是主导反应[33,34]。而在高温超临界区域,水解反应几乎不存在,因为此时水的离子积Kw很小,自由基反应(热解和裂解反应)是反应控制步骤。
2.2生物质超临界水气化制氢及反应装置的研究进展
生物质超临界水气化[35]是近年来发展起来的一种高效制氢技术,其反应温度通常在600 ℃左右,远低于上述各种热化学循环反应的温度,利用超临界水气化反应取代传统热化学循环可大大简化反应流程、降低制氢成本,使低成本太阳能供热技术的应用成为可能[36]。
生物质超临界水气化利用水在临界点(374 ℃,22.1 MPa)附近的特殊性质,可实现生物质的完全气化,并将水中的部分氢释放出来,产物中H2的体积分数可达50%以上,并且不生成焦油、焦炭等污染物,不易造成二次污染,对含水量较高的湿生物质可直接气化,无需高能耗的干燥过程。其主要反应过程包括蒸汽重整、水气变换及甲烷化等[36]。
2005年,日本、美国、德国以及荷兰的多位超临界化工领域知名学者在Biomass and Bioenergy期刊上联合撰文,对近30年生物质超临界水气化的研究进展进行了评述。他们一致认为超临界水气化是转化湿生物质以及有机废弃物最有应用前景的一种技术[37]。日本东京大学、东京科技大学、广岛大学等大学多位教授合作对各种生物质气化及发电技术进行了全面的生命周期分析,研究结果表明随着生物质含湿量的增加,超临界水气化的技术经济性明显优于常规的生物质热解、裂解、厌氧发酵等气化技术[38]。
值得一提的是,在生物质超临界水气化制氢系统中,可利用高压水吸收CO2的性质实现H2的初步分离,获得的高压富氢气体既可与成熟的高压膜分离或高压变压吸附技术集成,进行H2提纯和CO2的富集分离及资源化利用,也可作为燃料直接供给高温燃料电池发电,大大提高整个系统的能量综合利用效率。
由于生物质超临界水气化制氢技术所具有的突出优点和良好发展前景,因此,美国、日本、德国、英国等发达国家的众多研究机构纷纷开展了相关研究工作。美国太平洋国家实验室[39]、夏威夷大学[40]、德国卡尔斯鲁厄研究中心[41]以及日本东北大学[42]等机构从反应装置、反应机理、操作参数影响规律、催化剂等方面对生物质超临界水气化进行了详细的理论与实验研究,取得了较大进展。GA公司在美国能源部的资助下,正在建立一套40 t/d的生物质超临界水气化制氢示范装置[43]。
根据反应装置类型的不同,生物质超临界水气化制氢装置可以分为间歇式反应装置和连续式反应系统。间歇式反应装置简单,适用于所有的反应物料,可以用于生物质气化制氢机理的研究和催化剂的筛选。而连续式反应系统在研究气化过程的动力学特性、气化制氢特性方面应用广泛。在生物质超临界水气化制氢技术向规模化发展的进程中,可以通过小型和中型工业试验规模的连续式制氢系统的研制,掌握制氢系统的关键部件的设计方法,定向地克服生物质气化制氢的系列技术难题。根据报道,国际上现存的中试装置大多仍然存在如高浓度物料的输送、反应器的堵塞、系统长时间稳定运行、无成熟可靠的中试系统的集成方法等不同类型的技术问题,特别是大型反应器的设计等,尚处在调试和摸索规律阶段,还不具备规模放大的示范效果。
实现生物质超临界水高效气化制氢的难点在于:①高浓度生物质高压多相连续输送;②高效制氢反应器的设计;③高效低成本长寿命催化剂的筛选、制备与表征。笔者课题组针对国内外中型工业试验装置的设计研制工作的现状和存在的问题,开展了系统深入研究,并实现了较大生物质处理量条件下的系统高效稳定运行[36,44,45,46]。从1997年起,笔者课题组针对超临界水气化制氢过程的关键科学与技术问题展开系统研究,取得一系列创新成果。研制成功连续式超临界水湿生物质气化制氢装置(流量1 kg/h)、连续式煤/生物质超临界水气化制氢装置(流量12 kg/h)以及生物质超临界水流化床气化制氢装置(流量16 kg/h),解决了高浓度生物质高压多相连续输送及高效气化问题。通过对各种生物质模型化合物和多种原生生物质超临界水气化制氢过程的系统研究,获得了最佳反应工艺条件及操作参数对气化结果的影响规律,初步揭示了气化制氢机理,实现了每百克生物质产生H2 10 g,气体产物中H2体积分数超过60%的生物质完全气化结果。笔者课题组通过大量实验研究,筛选获得了一种廉价的R-Ni催化剂,可在350～500 ℃的超临界或亚临界水中实现原生生物质的高效气化[21]。美国科学院院士Lovley教授、日本东北大学的M. Watanabe教授、H. Inomata教授和德国Forschungszentrum Karlsruhe研究所的A. Kruse教授等在发表相关评述文章[47,48]时指出:“这些结果展示了近临界水与超临界水技术用于将碳水化合物完全洁净转化为氢气等清洁能源的可行性和美好前景,具有巨大发展潜力。”
生物质超临界水气化研究进一步需要着重解决的问题有多相流动力学、传热传质规律与机理及生物质反应动力学与机理。同时,通过研制廉价非贵重金属催化剂,进一步降低生物质超临界水气化反应的温度,使利用低成本太阳能聚光为热化学制氢直接供热成为可能。
3直接太阳能聚焦供热的生物质超临界水气化耦合制氢研究进展
针对目前热化学制氢方法存在的反应需要高温条件、循环效率低或消耗化石能源使整个太阳能转化系统不可再生等缺点,20世纪末笔者课题组提出了如图 2所示的利用生物质超临界水气化制氢与太阳能聚焦供热耦合的太阳能热化学制氢途径,并持续开展了10多年的探索与深入研究。
该新型太阳能热化学制氢技术利用了生物质超临界水气化制氢技术的如下优势。
1)可以直接气化湿生物质,无需干燥。特别适合高湿含量的生物质,如污泥、蔬菜和水果废弃物、产酒残渣、废水等。由于省去了生物质干燥的过程,与传统的生物质气化技术相比,超临界水气化的能量效率更高,经济性更好[47,49]。
2)生物质气化效率高。超临界水的介电常数非常低,氢键的数目很少,键合强度很低。超临界水的特性与有机溶剂类似,可以将有机化合物溶解。因此,生物质气化在均相环境中进行,大大促进了气化反应。
3)气体产物中的H2含量高,并且H2可以直接从气体产物中分离。一方面,在超临界水中,生物质快速水解成一些小分子或者气体,因此,很少有焦油和焦炭的生成,主要气化产物是H2和CO2。另外,CO2在高压常温水中的溶解度远高于H2的溶解度,通过引入高压水,可以获得90%纯度的H2[49,50,51,52,53]。
4)气体产物更为清洁。过程消耗的原料只是水和生物质,长生命周期过程是CO2零排放。气体产物中无H2S,NH3,HCl等副产物,这些成分溶于液体产物中。高压气体产物的利用形式多样,也容易储存和运输。
5)气化反应温度低。传统生物质气化和热解反应通常需1 000 ℃以上的温度。热化学循环分解水制氢技术则需2 000 K左右的温度。而超临界水气化只需600 ℃温度即可实现完全气化,大大降低了对太阳能聚光系统的要求,降低了制氢成本。
6)与传统的气化技术融合性好,较容易利用现有成熟技术和设备,可快速实现制氢技术的工业化。
当采用太阳能为生物质气化制氢反应提供热量时,系统的能量输入为可再生的生物质能和太阳能。因此,整个太阳能供热制氢流程是一种完全的可再生的制氢体系,是面向未来无碳氢能时代的技术体系。总体来看,该技术又具备以下特点。
1)通过太阳能热量的输入和生物质热化学转化过程,生物质的热值品位被提高。
2)将太阳能转变为以氢能为主的化学能,克服了太阳能的天然劣势,即间歇性、不可存储、不均匀性和能流密度低等缺陷。
3)生物质的来源广泛,太阳能也无处不在。将太阳能供热和生物质转化技术相结合,既可以将生物质集中处理,构建大型商业化的制氢系统,也可以把该技术作为一种新型的分布式能源技术来选择,方便用户使用[54]。
技术经济性分析表明,太阳能供热的生物质超临界水气化制氢技术具有热力学效率高、成本低廉、可再生性强、技术发展较为成熟、原理简单等优势,发展潜力巨大。
目前广泛采用的太阳能聚光系统主要有槽式、塔式及碟式3种,并已在商业化的太阳能热发电系统中应用。太阳能热发电系统中聚光装置是影响发电成本的主要因素之一,据美国能源部估算,2008年定日镜的成本约降到了180美元/m2,仍占发电成本的50%以上。槽式、塔式及碟式等聚集方式在很大程度上依赖于太阳跟踪器,其聚集性能取决于跟踪精度,这无疑给制造、加工和控制精度提出了较高的要求,大大增加了其加工成本。
因此,研究基于非定向跟踪或低精度定向跟踪要求的太阳能聚集理论与方法具有重要的理论和现实意义。笔者课题组与中国科学院电工所合作,针对生物质超临界水气化制氢反应装置的加热要求,研制成功多种高精度槽式聚光器、多碟聚光器以及球面定日镜,设计并研制出一种对跟踪精度要求较低的高次曲面定日镜,已成功应用于本项目的直接太阳能热化学制氢实验示范系统。该聚光器即使在太阳入射角变化的情况下,也能很好地消除定日过程中的余弦效应,实现了聚光与跟踪同时进行的设计模式,提高了聚光效率,使聚光成本大大降低。笔者课题组还研究了聚集太阳能吸收与高温热转换系统的热光学匹配设计方法,建立起一套聚焦太阳能吸热器的热流分布与低能量损失匹配的结构设计方法与优化算法,提出了一种具有优异辐射性能的新型腔式吸热器。近年来还进一步合作研究解决了如何采用多种线性和二次曲面的光学组合来形成高次曲面、进一步消除定日镜的误差以及揭示直接太阳能吸热器与气化反应器之间及内部的热辐射传递与多场耦合传热传质规律等关键问题。
为保证太阳能热化学循环制氢系统的长期连续稳定运行,必须解决太阳能的高效储存问题。国外已商业运行的塔式太阳能电站提出了采用高温熔融盐来储存太阳能的方案。笔者项目组近年来成功建立了国内第1个熔盐相变蓄热放热循环及流动传热实验系统,并针对适用于直接太阳能热化学制氢的熔盐工质及其流动传热特性和蓄热系统进行了探索性实验研究,实现了熔盐热工参数的准确测量,获得了一系列宝贵的硝酸盐传热实验数据,为进一步深入系统地研究熔盐相变储热放热特性及高温蓄热介质传热传质与流动机理奠定了坚实的基础。进一步的工作还将重点研究掌握高温熔盐传热传质与流动规律,解决材料腐蚀问题。
笔者项目组在集成太阳能聚集、吸收、储存以及生物质超临界水气化制氢各环节研究成果的基础上,成功构建了多碟聚焦和自旋—俯仰轮胎面定日镜聚焦太阳能与生物质超临界气化耦合制氢系统各一套(流量分别为3.6 kg/h和12 kg/h)。装置的设计温度为700 ℃,压力30 MPa,太阳能聚焦功率6 kW。实现了直接太阳能驱动热化学分解水和生物质制氢,初步实验结果验证了太阳能热化学分解和生物质超临界水制氢技术的可行性。在该新建的耦合制氢装置中,笔者课题组进行了系统性能测试、葡萄糖和原生生物质气化的耦合制氢实验研究。考察了太阳能辐照对反应器的温度和气化制氢的影响,获得了暂态条件下不同浓度、不同类型生物质的气化制氢规律,初步探索了太阳能供热的生物质催化气化制氢,实现了太阳能供热的生物质完全气化,验证了笔者课题组提出的耦合制氢方法的技术可行性,并获得了耦合制氢装置的设计方法。
为了进一步探索该技术的放大方法和未来应用前景,笔者课题组又继续开展了系统深入的研究工作,成功设计和构建了一套生物质超临界水气化与直接太阳能聚焦供热耦合制氢中型工业试验装置。该装置的设计参数为800 ℃和35 MPa,生物质浆料与水的总处理量为1 t/h,太阳能有效聚焦功率为163 kW。其气化反应子系统为一种放大的超临界水流化床反应系统,包括多个流化床反应器和管流反应器,布置于太阳能吸收器内,由太阳能提供热量。该中试装置各部件的平面布置图及太阳炉、聚光镜和系统的照片如图3所示。
根据生物质超临界水气化反应的特点,笔者课题组设计了一种能够与气化制氢反应系统相匹配的太阳能吸收器(见图4)。该太阳能吸收器为一种腔式多面体结构,内部布置有多个超临界水流化床反应器和管流反应器。聚焦的太阳光线通过太阳能吸收器的采光口,直接照射到布置在吸热腔体内部的超临界水流化床反应器的表面。与此同时,根据腔体的黑体效应,管流反应器通过腔体内部反射的太阳光和红外辐射来进行加热。当反应器达到一定温度后,在反应器内流动的生物质和水在超临界水环境下,吸收太阳能提供的热量,发生气化制氢反应。
产物分离子系统主要包括一个高压气液分离器、一个低压气液分离器、多个背压调节器、气体及液体产品收集和检测装置。通过高压气液分离器,实现H2与CO2的分离,从而达到CO2富集处理的目的。
该装置不仅在生物质超临界水气化规模上处于世界领先地位,而且探索实现了直接利用太阳能供热、构建完全可再生的商业制氢系统的可行性。它突破了生物质超临界水气化制氢方法的多个关键技术难题,包括:大型超临界水气化制氢系统的模块化集成技术;太阳炉聚光器为生物质超临界水气化制氢供热的示范;超临界水流化床反应器的放大方法;适用于超临界水流化床反应系统的太阳能吸收器的设计;大流量、高浓度生物质浆料的高压连续输送系统的设计;降低成本、提高运行稳定性的大型高温高压换热系统的设计方法等[55]。
4结语
太阳能聚焦供热的生物质超临界水热化学气化制氢是一种集能量聚集、转化、储存、利用耦合于一体的新型理论、技术和系统。未来进一步的研究应该以高效低成本直接太阳能光、热及生物转化与利用为目标,解决高效、低成本、直接太阳能制氢的核心与关键科学问题,这包括2个方面。
1)太阳能热化学转化过程反应机理及功能材料(含催化剂)的设计、筛选、优化、制备与表征。
2)直接太阳能化学及生物制氢系统各部件的耦合匹配原则、安全稳定运行理论及其高效低成本化途径研究,包括:①太阳能多光谱聚光、吸热与反应器等部件和系统的高效低成本化设计理论;②太阳能多光谱传播、分布及其与多相流动、热质传递和化学、生物反应耦合的过程规律与调控特性;③太阳能高效存储与释放理论及低成本化实用途径研究。在探索解决上述核心及关键科学问题的基础上,建立直接太阳能高效、低成本地转化为氢能及其他能源产品的系统理论与新方法、新体系,建立直接太阳能化学和生物转化制氢的示范系统,形成能够引导国际学术研究走向的基础理论研究方向。
同时还要进一步重点研究创新低成本的太阳能聚集、辐射传递、吸收方法及理论,研究安全高效的热能储存传递与化学反应吸热转化的多尺度多场耦合传热传质与流动的机理、化学反应动力学转化理论。只有在上述几方面取得有机的、系统的突破,才有可能形成一系列相互关联的具有自主知识产权的有效理论和技术支撑,实现直接太阳能高效低成本地转化为洁净能源的最终目标,进而在能源科学和工业技术领域的国际舞台上掌握主导权。
在进一步工业化的进程中,仍有许多科学技术问题需要解决,包括:①进一步开展太阳能供热的超临界水气化制氢的技术经济可行性的分析与验证;②通过不同规模的耦合制氢系统的研制和实验研究,掌握耦合制氢系统中关键部件的设计方法、系统集成和放大方法等;③通过大量的耦合制氢实验研究,获得系列耦合制氢规律,从而为系统的评估和优化提供可靠数据,为商业化系统的技术方案提供扎实的依据。通过上述问题的研究,以期早日形成一套中国具有自主知识产权的太阳能热化学制氢的技术理论,并在近期内实现工业化,远期内实现大规模工业化应用。
我家独制的太阳水 篇4
六月盛夏，我去看我远居在屏东的双亲。母亲八十，父亲九十一，我对他的年龄充满敬意。在我看来，他长寿，完全是因为他十分收敛地在用他的“生命配额”的缘故。
依照中国民间流传的说法，一个人一生的“福禄资源”是有其定量的。你如果浪费成性，把该吃的米粮提早吃完，司掌生死簿的那一位，也就只好开除你的“人籍”了。
我的父亲不然，他喝酒，以一小杯为度。他吃饭，食不厌粗。一件草绿色的军背心，他可以穿到破了补，补了又加补的程度。“治装费”对他来说是个离奇不可思议的字眼。事实上他离开军旅生涯已经四十年了，那些衣服仍穿不完地穿着，真穿成烂布的时候，他又央求妈妈扯成抹布来用。
我算是个有环保概念的人，但和父亲一比，就十分慚愧。我的概念全是“学而知之”，是思考以后的道德决定。我其实喜欢冷气，喜欢发光的进口石材铺成的地面，喜欢华贵的地毯和兽皮，喜欢红艳的葡萄酒盛在高脚水晶杯里……我之所以选择简朴是因为逃避，逃避不该有的堕落与奢华。但父亲，出生于农家的父亲，他天生就环保，他是“生而知之”的环保人士。
父亲的藏书也离奇，他不买精装书，只买平装书。他认为国人的精装书多半是“假精装”，只是把硬纸黏贴在书外面而已，勤看书的人只消一个礼拜就可以让它皮肉分家。父亲的书，他真看，他保护书的方法是把书一买来就加道装订手续。他用线装书的方法，每本书都钻四五个孔，再用细线缝过。他的办法也的确有用，三十年后，竟没有一本书脱线掉页的。
我偷了父亲一本《唐诗三百首》，放在我自己的书架上。其实这本书我已经有好几个不同的版本了，何必又去偷父亲的？只因那本书父亲买了五十年，他用一张牛皮纸包好，我打开来一看，原来那是一个拆开的大信封的反面，老一辈的人惜物至此，令我觉得那张黄旧的包书纸比书里的三百首诗还有意思。
夏天，父亲另有一项劳己利人的活动。他拿六七只大铝壶接满水，放在院子里晒。到下午，等小孩放学以后，那便是我家独制的“太阳水”，可以用来洗澡。至于那些大壶也不是花钱另买的，而是历年囤积的破壶。那年代没有不锈钢壶，只有铝壶，南部水硬，壶底常结碱，壶的损坏率很高。壶漏了，粘补一下，煮水不行，晒水倒可以。可惜父亲三年前跌了一跤，太阳水就没人负责制造了，我多么怀念那温暖如血液般的太阳水！
父亲年轻时念师范，以后从军，军校六期毕业，也曾短期赴美，退役的时候是步兵学校副校长，官阶是陆军少将，总算也是个人物了。但他真正令我佩服的全然不是那些头衔，而是他和物质之间那种简单素朴的疼惜珍重。
（从容摘自《这杯咖啡的温度刚好》）
太阳能集中供热水 篇5
太阳能是一种资源丰富、清洁、可再生、免费使用的能源,利用太阳能进行集中供热水运行成本低。但太阳能受天气影响,在阴天、雨天、雪天、夜晚等无太阳光照的时候,太阳能集热系统处于待机状态,此时必须启动辅助加热系统供热水。辅助加热一般有电加热、燃油燃气加热、热泵加热等方式,在这几种方式中热泵的能耗和运行成本最低; 而在多种类型热泵中,空气源热泵的设备费用较低、安装维护方便、应用广泛。
文中研究一种太阳能和热泵集中供热水系统,太阳能为主加热热源,在太阳能不足的情况下,利用空气源热泵吸收空气中的热能作为辅助热源,实现全天候稳定供热水[1]。供热水系统中各种泵、阀、太阳能集热器、热泵的运行状态和故障情况、供热水温度、压力数据等信息是否能得到及时有效监控,关系到供热水的质量。目前,应用的监控方式一般有现场监控、有线集中监控和无线集中监控等3种方式,在现场监控方式中需要工作人员定期对系统中的每个设备进行巡查,劳动强度大,故障发现和维修不及时; 在有线集中监控方式中,需在现场设备与监控室间敷设通信电缆,工程量大,工作人员需全天值守。
针对现场监控和有线集中监控方式存在的缺点,文中研究一种基于GSM ( Global System forM obile Communication,全球移动通信系统) 的远程无线监控系统,系统运行状态数据和设备故障信息通过全球移动通信系统GSM实时发送到工作人员手机,无需现场巡查或值守; 无需敷设通信电缆; 故障发现和维修及时; 供应的热水水温; 水压稳定。
以广东佛山地区某单位太阳能和热泵集中供热水系统为例,对集中供热水系统的热负荷、太阳能集热器面积、热泵功率、系统管网、远程无线监控、系统控制程序等进行详细分析设计。在该工程中某单位有职工约8000人,共有8栋职工宿舍楼,每栋宿舍楼平均住宿1000人,要求按每人每天平均消耗50L的热水量设计,供热水温度为55℃。
1 系统设计
1. 1 系统热负荷设计
系统热负荷是整个供热水工程设计的根本依据,也是太阳能集热器面积和热泵机组功率设计的主要依据,其主要由水的定压比热容、日均用水量、供用户热水温度和当地年平均水温等参数确定,根据公式计算有:
式中: Q—系统热负荷,MJ;
Cw—水的定压比热容,k J/( kg·℃) ,一般取Cw= 4. 187k J / ( kg·℃ ) ;
M—日均用水量,该系统设置每栋楼日设计水量M = 50000L;
tend—贮水箱内水的设计温度,该系统设置供用户热水温度tend= 55℃ ;
ti—水的初始温度,按照当地年平均水温选择,取佛山地区ti= 21℃ ;
经计算,该系统热负荷Q = 7118MJ。
1. 2 太阳能集热器面积设计
太阳能集热器的面积主要由系统热负荷、太阳能保证率、当地太阳辐照量等参数确定[2],根据公式计算有:
式中: AC—太阳能集热器总面积,m2;
f—太阳能保证率,根据所在地区的年太阳辐照量、系统经济性及用户要求等因素综合考虑确定,该系统取f = 55% ;
JT—当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量,取佛山地区JT= 16032k J / m2;
ηcd—集热器的年平均集热效率,根据年太阳辐照量、年平均日照时间、年平均水温及产品的性能参数等确定,该系统取ηcd= 0. 65;
ηL—贮水箱和管道的热损失率,根据经验取0. 2 ~ 0. 3,该系统取ηL= 0. 25;
经计算,该系统太 阳能集热 器面积AC=500m2。
1. 3 空气源热泵功率设计
空气源热泵功率主要由系统热负荷、太阳能保证率、空气源热泵效率、热泵加热时间等参数确定,根据公式计算,有:
式中: P—空气源热泵功率,k W;
ηc—空气源热泵效率,一般空气源热泵效率为3 ~ 4,该系统取ηc= 4;
t—热泵加热时间,该系统取t = 5h;
经计算,该系统热泵功率P = 53k W。选择额定功率为9. 3k W的空气源热泵,则该系统需配置6台空气源热泵。
1. 4 系统管网设计
根据以上分析计算可知: 每栋楼太阳能集热器总面积为500m2,热泵机组总功率53k W、选用6台9. 3k W的空气源热泵,贮水箱总容积50000L ,选用5个贮水箱,再配以合适的管网、泵、阀、传感器及其他辅助装置,设计完成的每栋楼供热水系统管网如图1所示。
1#贮水箱接市供水管网由太阳能加热,1#和2#太阳能循环泵( 1#为运行泵、2#为备用泵) 用于控制1#贮水箱和太阳能集热器之间的加热水循环,1#温度变送器用于检测1#贮水箱的水温,2#温度变送器用于检测太阳能集热器出口的水温,1#水位检测传感器用于控制进水电磁阀的开启与关闭。2#贮水箱与1#贮水箱通过一过渡泵相连,2#~ 5#贮水箱通过管网连接是相通的,1#和2#热泵循环泵( 1#为运行泵、2#为备用泵) 用于控制2#~ 5#贮水箱和热泵之间的加热水循环,2#贮水箱接用户热水管网,2#水位检测传感器控制过渡泵的起停,3#温度变送器用于检测2#~ 5#贮水箱的水温 ( 供用户热水水温) ,4#温度变送器用于检测热泵出口的水温,压力变送器用于检测供用户热水水压。整个系统中太阳能为主加热系统,热泵为辅助加热系统,当太阳能加热温度达不到最低设定温度时,启动热泵加热系统进行辅助加热[3,4]。关键设备如进水电磁阀、供水泵、太阳能循环泵、热泵循环泵、过渡泵等均配置有备用设备。
1. 5 远程无线监控设计
利用GSM通信模块将8栋楼集中供热水现场设备、监控中心计算机、管理人员和维修维护人员手机等组建成远程无线监控系统[5,6]如图2所示。文中GSM模块采用西门子TC35模块。单片机接收传感器和故障检测信号输入,通过内部控制程序处理后,控制现场供热水管网中的各设备工作,并通过GSM模块将设备运行状态发送给监控中心、管理人员和维修维护人员,当某设备出现故障时,自动切换为备用设备工作,同时将故障设备地址发送给监控中心、管理人员和维修维护人员,通知维修维护人员及时对故障设备进行维修。监控中心、管理人员、维修维护人员还可通过GSM网络向现场单片机发送控制指令,控制设备运行。触摸屏用于对现场控制系统进行参数设置、系统起停控制、现场监控、历史数据查询等。
2 控制程序设计
2. 1 供热水工艺及主程序设计
当系统开始工作时,单片机控制器输出控制进水电磁阀打开,市网冷水进入1#贮水箱,并压入太阳能集热器中进行加热。安装于太阳能集热器出口和1#贮水箱的温度变送器将检测到的水温值送入单片机,由程序判断两者的温差值,如高于某一设定值( ΔT≥3 ~ 5℃) ,控制器输出启动太阳能循环泵,将太阳能集热器中的热水抽取到1#贮水箱,1#贮水箱中的冷水再次进入到太阳能集热器中进行加热; 如低于某一设定值( ΔT≤1 ~ 2℃) ,则关闭太阳能循环泵。如此运行,使1#贮水箱中的水温逐渐升高。当单片机检测到1#贮水箱的水温达到设定值( 如55℃) 时,同时2#~ 5#贮水箱水位没达到上限水位时,控制器输出启动过渡泵,将1#贮水箱中的热水抽取到2#~ 5#贮水箱中,直至单片机检测到1#贮水箱水位低于下限水位或2#~ 5#贮水箱水位高于上限水位时控制器输出关闭过渡泵。当单片机检测到2#~ 5#贮水箱水位低于下限水位时,无论1#贮水箱水温是否达到设定温度,控制器均启动过渡泵向2#~ 5#贮水箱进行补水。当单片机检测到1#贮水箱水位低于下限水位时,控制器输出开启进水电磁阀对1#贮水箱进行补水,直至1#贮水箱水位高于上限水位时关闭进水电磁阀。
在日照不足的情况下,单片机检测到2#~ 5#贮水箱水温达不到设定供用户热水温度时,控制器输出启动空气源热泵机组进行辅助加热。由热泵出口的4#温度变送器、2#~ 5#贮水箱的3#温度变送器、热泵循环泵和热泵机组等组成温差循环加热系统,单片机控制热泵运行和热泵循环泵起停,不断对2#~ 5#贮水箱进行循环加热,使水温逐渐升高,直至达到设定供用户热水温度,关闭空气源热泵机组,从而实现恒温供水。系统热水管网出口安装一压力变送器,用于检测供用户热水压力,将检测到的压力值送入单片机,经程序处理后控制变频器的运行频率,从而控制供水泵的转速,实现恒压供水[7,8]。
2. 2 短消息程序设计
供热水系统现场设备的各种状态数据和故障信息、控制指令及管理、维护信息是通过GSM模块以短消息方式在现场控制器与监控中心、维修维护人员之间进行无线传输的。现场控制器单片机短消息收发程序主要由GSM模块初始化、短消息发送、短消息接收及短消息分析处理等组成[9],基于GSM AT指令编程,由单片机通过串口以字符串形式发送相关AT指令给GSM模块,由GSM模块执行相应的AT指令操作来实现短消息接收和发送。首先单片机对GSM模块进行初始化:
1) 向GSM模块发送“AT”指令建立连接;
2) 发送“AT + CMGF = 1”设置短消息格式,此处设置1为发送英文短消息的Text模式,如设置0则为可发送中英文短消息的PDU模式,但进行PDU编码比较复杂,而Text模式无须编码,程序设计较简单,所以在本系统中选择Text模式;
3) 发送“AT + CSCA = “ + 8613800757500 ””设置该地区( 广东佛山) 短消息中心号码,具体号码由当地的运营商决定;
4 ) 发送“AT + CNMI = 2,1”指令设置短消息到达自动提示,当有新短消息到来后,GSM模块会向单片机发送“+ CMTI: ″SM″,INDEX( 信息存储位置) ”指令。发送短消息时单片机先向GSM模块发送“AT + CMGS = “137 ******** ””指令设置短消息接收号码 ( 监控中心GSM模块、设备维修和维护人员手机号码) ,接着将热水温度、供水压力、贮水箱水位等状态参数,进水阀、循环泵、供水泵、热泵的运行状态和故障信息以文本方式通过GSM模块发送给监控中心和维修维护人员,以0x1a( Crtl + Z的ASCII码) 结束。接收短消息时单片机向GSM模块发送“AT + CMGR = IN-DEX”指令,从GSM模块SIM卡内存中INDEX存储位置读取短消息; 接着单片机对接收的短消息( 监控中心或维修维护人员发来的指令信息) 进行分析处理,输出控制现场相关设备。删除短消息时单片机向GSM模块发送“AT + CMGD = INDEX”指令,删除GSM模块SIM卡内存中INDEX存储位置的短消息。
3 系统设备配置
根据设计所得的系统设备参数,并结合用户需求和市场情况,制定出该工程中每栋宿舍楼太阳能和热泵集中供热水系统的主要供热水装置及监控设备清单如表1所示。
4 结语
利用太阳能和热泵进行加热,节能环保,实现了全天候供热水。利用单片机对现场设备进行运行控制、故障检测和备用设备自动切换,实现了系统全自动化监控,并实现了恒温、恒压供水,供热水质量高。利用触摸屏进行现场设备参数设置、操作及数据显示,直观方便。利用GSM网络的短消息功能进行无线数据传送,实现了无人值守、远程集中控制、监控维护及时,节约了投资和运营成本。经实际应用表明: 该系统稳定可靠,可广泛应用于需集中供热水的企事业单位、学校、居民小区等场合。
参考文献
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太阳能集中供热水 篇6
随着能源消费量的逐渐增长和人们对环境质量要求的不断提高, 各种新能源已越来越受到人们的重视。太阳能是一种环保的绿色能源, 取之不尽, 用之不竭。它不需要开采和运输, 随处可得, 清洁安全。目前, 国家大力倡导建设节约型社会, 大力推广节能降耗产品的使用, 在社会经济日益发展而能源日渐短缺的情况下, 太阳能热水器以其节能、环保、经济、安全等独特优势而独领风骚。利用太阳能作为职工洗浴的替补热源, 对于降低洗浴成本、节能降耗具有重大意义, 缓解由于能源紧张带来的成本压力已经成为当务之急。
河南地区属于太阳能资源一般区 (三类) , 年辐射总量为5000～5400MJ/m2·a, 年日照时数为2200～3000h/a, 太阳辐射强度适中, 为太阳能热水器的推广和使用奠定了坚实的基础。
鉴于建设太阳能集中浴室的可行性和必要性, 结合太阳能应用在职工浴室改造设计中的一些实践, 谈一些体会, 提出太阳能浴室的建设方案, 仅供同行们参考。
1 太阳能热水系统运行方式
太阳能热水系统工艺流程示意图, 如图1所示。
(1) 太阳能加热。对于太阳能热水器定时用水系统, 采用循环加热的方式比较合适。系统采用强制循环方式。在光照条件下, 当集热器内水温高于储水箱内水温时, 温差控制器使循环水泵自动通电循环;当集热器内水温不高于储水箱水温时, 温差控制器使循环水泵自动停止;如此不断地将储热水箱内的水加热。
(2) 辅助加热。若太阳能加热的水温低于要求的45℃时, 空气源热泵或电加热辅助加热自动启动, 以保证洗浴热水水温。在设定的时间内 (可任意设定, 一般应设定在用水前2h内) , 温控仪自动检测储热水箱水温, 若温度高于设定值, 辅助加热不启动;若温度低于设定值, 辅助加热自动启动, 当水箱水温达到设定温度时, 辅助加热自动停止。在冬季用电辅助加热, 其它季节使用空气源热泵辅助加热。
(3) 自动上水和定时用水。在设定用水时间内可任意设定, 本系统应设定在每天17:30～19:00, 储热水箱上水电磁阀自动关闭, 用水电磁阀自动打开;在其它时间上水电磁阀自动打开, 用水电磁阀自动关闭, 水箱上满冷水后, 浮球阀自动关闭。
(4) 贮热水箱水温显示。在水箱用水口处放置一温度传感器, 通过控制箱上的温度显示仪显示水箱水温。管理员可以通过电控箱温度显示仪随时观察到贮热水箱的热水温度和太阳能系统运行情况, 并可调整控制系统。
2 太阳能集热器的计算
(1) 太阳能集热器的选型。目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、热管集热器。平板集热器不防冻, 只能在春、夏、秋三季使用;真空管集热器在-18℃条件下, 仍可产生热水, 可全年使用;热管集热器可在-40℃条件下使用, 但其冷凝端 (加热端) 表面积仅是真空管的百分之一, 易结水垢, 换热效果不如真空管, 适合在北方高寒地区使用。河南地区冬季结冰, 但最低气温在-12℃以上, 由于用户要求全年使用, 因此河南地区建议采用真空管集热器。
(2) 集热器面积计算。采用太阳能集热器, 需安装集热器面积Ajz按《建筑给水排水计规范》GB50015-2003 (2009年版) 第5.4.2A条直接加热供水系统集热器总面积公式计算。
某单位浴室日均洗浴350人次, 根据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003 (2009年版) 第5.1.1条, 浴室淋浴用60℃热水用量为40～60L/人, 考虑现场工作环境问题, 淋浴按60℃热水60L/人·次, 日需热水量为21.0t。则太阳能集热器面积按上述公式计算为, , 选用集热器面积为327.10m2。每组集热器组采用Ф58×1800真空管22支, 每组集热面积为3.85m2, 则需设集热器84.96组, 取整为85组。
3 热水储水箱设计
考虑太阳能集热器的功率及日照时间与用户用水量、用水时间存在的差异性, 设计水箱容积为全天总用水量×1.25, 即21.0×1.25=26.25 m3, 水箱容积取26.25 m3。水箱选用不锈钢水箱, 水箱外做保温。
4 辅助加热设备
太阳能集热系统的最大优势在于, 在日照充足条件下, 整个系统运行成本几乎为零, 这也是在太阳能比较丰富地区以太阳能作为生产热水主要能源的重要原因。其缺点在于, 当天气条件不好 (如阴、雨天或夜间等情况) 或者屋面可放置集热器面积有限时, 只能依靠辅助热源进行加热。因此, 在光照条件不好的北方地区, 辅助加热在太阳能集热系统中就显得尤为重要。
(1) 运行成本分析。在太阳能集热系统工程设计中采用的辅助加热方式有多种, 如燃气热水器加热、电加热、蒸汽加热、空气源热泵加热等, 均适用于大面积和集中供应热水场所。
由表1中可以看出, 太阳能集热器加热本工程所需的30t/d热水需要费用150元, 那么太阳能集热器平均加热1t水所需费用只有150/30=5元/t, 而单用空气源热泵平均加热1t水所需费用是390.2/30=13元/t, 单用电加热棒平均加热1t水所需费用是1581.4/30=52.71元/t, 单用燃气热水炉平均加热1t水所需费用是659.20/30=21.97元/t。单用电加热棒加热1t水所需费用是太阳能集热器加热1t水所需费用的10.54倍, 燃气热水器加热1t水所需费用是太阳能集热器加热1t水所需费用的4.4倍, 空气源热泵加热1t水所需费用是太阳能集热器加热1t水所需费用的2.6倍。由此可见, 使用太阳能集热器加热热水, 每年节省的费用还是相当可观的;而辅助加热采用空气源热泵是经济可行的。因此, 辅助加热推荐采用空气源热泵系统。
(2) 辅助加热计算。在本工程设计中, 最不利状况下, 每天10h由空气源热泵机组生产热水, 即每小时产水量为21/10=2.1m3/h。查得某品牌某型号空气源热泵制热量为35kW, COP值取3.6, 则所需该型号空气源热泵机组的台数为:
5 结语
(1) 河南地区太阳能资源丰富, 在集中热水系统设计中应充分考虑利用。
(2) 对于定时洗浴的集体单位, 太阳能系统采用温差循环与辅助加热相结合的运行方式是合理的。该系统既充分利用了太阳能, 达到环保节能、降低运行费用的效果, 又保证了热水的可靠供应。
(3) 空气源热泵是一种比较理想的辅助加热设备, 可以全天候满足生活热水的供应, 尤其适合于在充分利用太阳能的前提下, 仍然需要大量使用辅助热源的太阳能热水系统。
(4) 冷水给水采用自有水井供水或水质硬度较高地区, 太阳能热水系统补水可采用硅丽晶软化处理。
参考文献
[1]全国民用建筑工程设计技术措施给水排水分册.北京:中国计划出版社, 2003
论太阳能集中热水系统设计 篇7
关键词：高层建筑群,太阳能集中热水系统,节能措施
1 实际工程的概况
首先我们来分析一下某个高层建筑群, 这个建筑群的面积大概在17万平方米, 在施工建设时分为两个工期。工程的供热都使用的是太阳能供热。第一期的建设是在1到15栋, 每个建筑的高度为40.1m.而第二期的建设是第16~18栋, 一般集热器是安装在屋面里, 那样可以有效的使用太阳能, 保证热源的供应。
2 本工程太阳能热水供水系统具备的主要特点
在建设时, 要求所有的建筑都要采用太阳能的集中热水系统。在对住户供应热水时, 要尽量降低运行费用、减少投资量、使管理步骤更加的简单, 但是并没有对热水的质量做更高的要求。在设计太阳能供水设计时应该注意以下几个特点。
2.1 集热器的布置方式
在中高层的住宅中, 安装太阳能的集热器必须要事先考虑如果安装在建筑物的顶部会不会影响建筑物的外观。于此同时, 如果在安装集热器时, 不会受到建筑物的走向的限制, 这样可以达到最好的集热效果。在设计高层住宅的太阳能热水系统时, 要保证所有的用户都能够使用上太阳能供应的热水, 要保证太阳能集热器的面积能够达到标准。在这样的建筑中主要采用的是太阳能来进行集中的供热。要把每一栋建筑作为一个供热系统, 彼此是独立的。在安装一期工程时, 要在屋面安装平板式的集热器, 这种集热器就能够给整栋楼供水。而第二期超过三十层的高层建筑如果只靠屋面上安装集热器, 是不能够满足供应的。在设计中要把集热器安装在侧立面阳台上。这样才能满足供应。
2.2 集热器分组的方式
通过上文介绍的集热器设计方式可以了解到, 在高层建筑中, 需要更多的集热器, 而且面积很大。而且集热器串联在一起会产生很大的能力消耗, 所以接下来我们就把集热器分组。在完成分组以后, 各个集热器采用并联的方式, 在供应热水。但是由于在设计中集热器的数量太多, 尤其是集热器既有安装在屋顶的平板上的, 又有安装在外墙和阳台上的。那么接下来我们就以第16栋的A座为例子, 这栋楼中一共有5组集热器, 其中有两组集热器在屋面上, 每一组集热器的数量是43个和44个。而有两组集热器是安装在女儿墙上的, 这组集热器中有36块。最后一组集热器是按照在南侧的立面阳台上的, 这组集热器的数量是58块。因为每一组集热器的面积不同, 而且热媒在管道中的流量、输送距离还有集热器的类型都是不同的, 所以在设计时要有做区别。要对每一组集热器进行分析, 根据其阻力损失、流量的差异来进行配置。保证安装的强制循环泵和流量、扬程相匹配, 并在回水管路上设置平衡阀调节, 使得进入集热水箱的热媒符合设计要求。
3 集热器的选型
本项目中侧立面和阳台的集热效果对保证整体供热有着极其重要的作用, 设计在女儿墙侧立面及阳台部分的集热器采用金属U型管式真空管集热器。因侧立面的集热器对安装角度有一定的要求, 采用平板集热器会大大降低其集热效果, 集热器布置在立面必须具有抗台风的性能。
4 辅助加热方式和热源的选择
为满足建设方节省初期投资、减少运行管理成本的要求, 本项目的太阳能热水系统采用太阳能集中集热-集中储热-分散辅助加热的形式, 住宅集中式太阳能热水系统, 若采用集中辅助加热, 会因为在用户入住率低的情况下每户实际分担加热费用很大, 即便用户满住, 如使用不足也会造成浪费。采用分户辅助加热有利于节能节费, 当阴雨天气太阳能与热水温度不够时, 分户使用多少热水就加热多少热水, 如此能够更为有效利用太阳能。辅助能源作为太阳能系统的有效补充, 应该根据用户自身具备的条件, 综合考虑其运行成本、初期投资等因素进行选择。目前的燃气、电等常规能源中, 燃气辅助为第一选择, 其设备投资不高, 安装简单、运行费用相对最低, 设备选择广泛。
5 热水供水方式
太阳能系统的合理应用除太阳能集热系统优化运行外, 合理的供水系统设计也至关重要, 本项目供热水箱采用屋顶容积式压力罐形式, 充分利用给水系统的供水压力, 供水方式为上行下给式, 采用分区减压的方式, 分区楼层同生活给水系统, 2~5层为1区, 6~14层为2区, 16~24层为3区, 25~32层为4区;每区设减压阀减压, 对供水压力超过0.35MPa的楼层设支管减压, 阀后设定压力0.2MPa, 立管干管回水, 每区回水泵设在首层, 4区回水共用一根管道将降温后的热水压力输送到供热水箱。由于每区的减压数值不同, 各区的加压循环泵的扬程除了克服循环流量的阻力损失外还要加上被减掉的水头, 选择水泵性能参数的偏差会导致各区回水压力不平衡, 设计在回水管道上设置平衡阀, 以调节平衡各区回水流量满足设计要求。此供水方式的优点为冷热水压力相对平衡, 用户能获得稳定的热水供应, 节能节水, 满足了规范减压装置的设置要求;缺点是供水立管较多, 管路复杂, 回水循环泵也多, 各区回水循环泵由于提升的压力不同而共用回水管, 增大了维护运行管理的复杂性。
设计中对每户的热水供水管路也进行过探讨。由于集热系统未设置集中辅热系统, 系统供给用户的热水水温并不稳定, 何时启用热水器进行辅热用户难以把握。解决方式一是用户采用温度自动设定的热水器, 设定热水器出口温度后, 热水器会根据进水水温自动无极调整燃气供应量, 确保出水水温在要求的范围。此方式管理简便, 易于实施, 最充分地利用了太阳能, 但该类热水器造价稍高, 由于热水器为用户自理, 所以存在着用户入住时安装何种热水器的变数。
方式二是采用在空调系统中经常使用的温控三通阀, 设定热水进水温度 (如35℃) , 当进水水温大于设定温度时, 热水管连接卫生间、厨房的管路端打开, 热水直接供用户使用, 当进水水温小于设定温度时, 三通阀连接卫生间、厨房的管路端关闭, 与连接燃气热水器的管路端打开, 水进入用户燃气热水器, 由燃气热水器加热水到设定温度供用户使用。此方式系统简单, 对用户热水器无特殊要求, 运行可靠, 但要增加价格较高的温控三通阀, 且要设置控制线路, 对管理使用的要求较高。
6 结论