基于太阳能真空集热和有机朗肯循环技术的被动传热式太阳房设计*

2021-10-23陆旻炜周金龙黄宽胜

科技创新与生产力 2021年9期

李龙，陆旻炜，周金龙，黄宽胜

（江苏大学，江苏镇江212013）

我国农村地区大多使用煤炭作为日常生活能源，不仅带来了环境问题，而且引发了能源浪费现象。再加上我国农村住房的建设技术比较简单，缺少材料使用方面的合理性、设计方面的科学性[1]，房屋保温隔热能力差，导致能耗过大，能源利用率低。虽然我国对建筑节能的研究相较于国外来说起步较晚，但是目前在太阳房节能方面已经取得了很大的成就。随着科技的发展和时代的进步，节能理念贯彻到了全社会，太阳能集热的相关技术和装置逐渐出现。此外，有机朗肯循环、真空集热等技术理念的提出为我国被动式太阳房的研究提供了一定的基础。但是在增加稳定的传热效率和将有机朗肯循环和真空集热等有机结合方面还存在问题。本文重点研究基于太阳能真空集热和有机朗肯循环技术的被动传热式太阳房设计，在稳定传热效率的基础上，将真空集热技术和有机朗肯循环技术有机结合，实现了高效利用太阳能发电，极大地提高了能源利用效率。

1 系统的设计原理及组成

1.1 设计原理

基于太阳能真空集热和有机朗肯循环技术的被动传热式太阳房系统的总体示意图见图1。该系统有3个子系统：一是被动太阳房系统；二是有机朗肯循环发电系统；三是储电及调压放电系统。

图1 系统总体示意图

整个系统的工作原理见第69页图2。被动太阳房系统吸收并转化太阳能，通过太阳能吸热板加热空气，加热后的空气通过真空管道输入有机朗肯循环发电系统，低温有机工质通过工质加压泵进入蒸汽发生器输出高温有机工质，高温有机工质经过有机朗肯循环进行热量交换，同时做功将热能转化为电能，从而使得发电机中产生电量，产生的电量由储电调压系统储存或释放。

图2 系统原理图

1.2 系统组成

1.2.1 被动太阳房系统

被动太阳房系统包含太阳能吸热板、内置空气流道、隔热材料、热空气传输管道。墙的表层及屋顶部分区域装有吸热材料，通过吸收太阳能加热空气流道中的空气。与主动式太阳房相比，被动式太阳房不需要很多必要的部件，它主要是通过自身的结构（如墙体）、地理位置、周围环境等因素实现储存太阳能或者释放热量[2]。简而言之，被动式太阳房基本不需要能源，而且结构简单，成本较低，可以实现节能减排。

整个系统中被动太阳房子系统是用来收集太阳能为系统提供热源。被动太阳房设计想要取得良好的节能效益，必须满足下列4项基本原则[3]：第一，太阳房外部必须具有隔热功能，从传热学的角度来看就是能够保持太阳房热量的恒定；第二，太阳房内部要有足够多的集热器；第三，当太阳房内外温差过大时，需要配置一定的调节装置，从传热学的角度来看就是提供内热源；第四，尽量采用坐北朝南的太阳房，以利于提高集热效率。

1.2.2 有机朗肯循环发电系统

在有机朗肯循环中，由于换热器中能量损失占总体能量的比例较大，为了减少系统换热器中的能量损失，提高热能的利用率，系统采用梯形换热[4]。

整个有机朗肯循环的过程见图3。首先，将吸收热量后的冷空气转化为热空气，热空气经过特定的管道进入有机工质蒸汽发生器，接着有机工质吸收能量，转化成为较高温度和较高压力的蒸汽状物质[5]，蒸汽物质通过管道进入有机工质透平；然后，进行膨胀做功，与此同时带动发电机发电，做功后蒸汽物质从有机工质透平排出，由于排出的气体仍然具有一定的温度，需要经过有冷水循环的凝汽器进行热量传递；最后，从凝汽器排出的气体已经液化为有机工质，在有机工质泵的加压作用下，有机工质重新输送回蒸汽发生器中，一个循环周期结束，系统将会不断地循环下去。

图3 有机朗肯循环示意图

1.2.3 储电及调压放电系统

该系统连接上一级发电系统，有两个作用：一是调节电压向电器供电，调配系统用电器的使用情况；二是储存高辐射时期的过剩电量，达到高辐射与低辐射发电时期的相对平衡，等到转化的电量相对不足时，储存的电量可以充当临时供电源。

2 数值计算及主要技术指标

2.1 真空导管内空气平均温度估计

1）被动式太阳房日平均热传递平衡表达式为

2）太阳能集热板面积的计算表达式为

式中：S为太阳能集热器采光面积，m2；Qb为建筑物耗热量，W；f为太阳能保证率，根据相关文献此处选择的太阳能保证率为40%；Qc为当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，设计为14 000 000 J/m2；ηc为集热器的年平均集热效率，取值为45%；ηs为管道的热损失率，取值为10%[3]。

2.2 有机朗肯循环计算模型

2.2.1 热力学模型

有机朗肯循环系统模型假设：一是系统运行中所有过程为准静态过程；二是有机工质的蒸发温度恒定不变，不随压降的变化而变化；三是膨胀机和工质泵均为绝热装置，忽略设备与管道系统中的传递热量损耗[7]；四是有机工质的物性参数不受温度和压力的影响。第70页图4为有机朗肯循环原理简图。

图4 有机朗肯循环原理简图

2.2.2 工质泵

工质泵在实际压缩过程中熵增大，所以计算中需要考虑泵的等熵效率。工质泵消耗的功为

式中：mwf为工质的质量流量；h4为工质泵的出口比焓；h3为冷凝器的出口比焓，此过程中损失为

式中：T0为环境的温度；s4为工质泵的出口比熵；s3为冷凝器的出口比熵。

2.2.3 蒸发器

有机工质首先经过工质泵加压后进入蒸发器，然后经过预热、相变和过热3个热力学过程后变为高温高压的气态物质。在蒸发器内从中低温热源单位时间吸收的热量[8]为

式中：h1为蒸发器的出口比焓。此过程中损失为

式中：TH为废热热源的温度；s1为蒸发器的出口比熵。

2.2.4 膨胀机

高温高压的有机工质气体进入膨胀机，驱动膨胀机做功并带动发电机发电。理想状态下，此过程为等熵过程，膨胀机对外输出功为

式中：h2为膨胀机的出口比焓。此过程中损失为

式中：s2为膨胀机的出口比熵。

2.2.5 冷凝器

膨胀机做功产生的低温低压工质气体进入到冷凝器后，与冷凝器内的冷却水进行热量交换。在理想状态下此过程为等压冷凝过程，因此单位时间内冷凝器的放热量[8]可以表示为

式中：TL为低温有机工质的温度。

2.2.6 系统热效率根据热力学第一定律，可得系统热效率为

它充分反映了有机朗肯循环系统的能量收益占总能量消耗的比例，即系统输出的净功占有机工质从热源的吸热量的比率[5]。

系统的净输出功为

它能够反映出系统在余热回收利用时能被有效利用的程度。

2.3 主要技术指标

2.3.1 太阳能评价指标单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%[9]。电池温度每升高1℃，相对电效率下降0.5%[10]。

2.3.2 有机朗肯循环相关指标

透平效率：88%；工质泵等熵效率：90%；有机朗肯循环发电效率：10%；有机朗肯循环效率：15%；系统效率：65%；工质R245fa的物性参数由物性软件REFPROP7获得。

2.3.3 综合指标

系统能源利用效率为85%。

3 系统可行性分析

本文重点研究基于太阳能真空集热和有机朗肯循环发电技术的被动传热式太阳房系统。与传统的化石能源发电系统相比，本系统具有以下优势：一是能源利用率大大提高；二是对环境非常友好，可以在大多数环境中应用；三是结构简单，便于维护，同时适用于大小型发电。

3.1 系统指标推导可行性

经过查阅资料可知，在采用被动式太阳房装置后，太阳能提供的能量占总体能量的30%[11]。

以100 kW用电群体为例，此系统通过太阳能减少用电30 kW，每年最多可节约的电量为

按当地群体用电费用为0.6元/（kW·h）来计算，每年可以节约电费

按节约1 kW·h电可以减排0.997 kg CO2来计算，每年可减少碳排放

按节约1 kW·h电可以节约0.4 kg煤来计算，每年可以节约煤炭

3.2 理论分析推导可行性

3.2.1 系统特点

一是在蒸发过程中采用具有较低沸点的工质进行循环。二是系统中的介质均采用有机工质。三是相关硬件设施比较简便，而且对设备的使用性能要求不高。四是从冷凝器中产生的工质的压强p≥p0，其中p0为当地大气压强。

3.2.2 系统优势

一是提高了低温余热回收热效率，有利于提高项目的收益。二是比传统的朗肯循环有更高的热能吸收率和电能转化率，能够增加项目的稳定性。三是搭建成本较低，能够实现长时间稳定收益，降低了投资的风险。四是由于压差的原因，不容易产生工质的泄露，所以冷凝器不需要设置真空环境，进一步降低了制造成本。问题，对解决农村采暖能耗浪费问题有很大帮助。同时，可以降低房屋采暖耗能成本，推动建筑节能和绿色建筑的发展，在未来有着很好的发展前景和很大的市场价值。如果解决研发适合本地化的低成本被动式太阳房的相关困难，可以将被动式太阳房的市场价值进一步提升。