非成像聚光太阳能集热器供暖应用研究

(1.北京市热力集团有限责任公司，北京能源集团有限责任公司，北京100026;2.中广热(广州)能源技术有限公司，广州 510030)

0 引 言

随着经济的高速发展和生活水平的提高，人们对居住环境的热舒适度要求也越来越高，从而导致能源危机、环境污染等问题日渐突显，节能减排及对新能源的开发利用日益成为我国政府关注的焦点问题[1]。太阳能作为一种可再生清洁能源具有其它能源无可比拟的优势，太阳能供暖是太阳能利用的一个重要方面，为我国冬季建筑供暖提供了新的节能途径[2]。在太阳能供暖系统中，集热器是最重要的组成部分，其性能和成本对整个系统的成败起着决定性作用[3]，选择集三大主流集热器(平板型集热器、真空管集热器、聚光型集热器)优点于一身的非成像聚光太阳能集热器对太阳能供暖系统高效、经济的运行具有重要意义。

无论是城市还是农村，太阳能供暖系统越来越多的应用于住宅采暖中，非成像聚光太阳能集热器供暖系统作为新型的建筑节能供暖技术，以其安全、灵活、管路短、经济等优势在建筑采暖领域中具有良好的应用前景[4]。文中对非成像聚光太阳能集热器进行了详细介绍，同时对其在供暖领域中的应用进行了分析讨论。

1 非成像聚光太阳能集热器

1.1 常见太阳能集热器

由于太阳能比较分散，为了使其得到更好地利用，必须将其集中收集起来，而集热器可达到此目的。太阳能集热器是将太阳的辐射能转换为热能的设备，作为关键组分广泛的应用于各种太阳能系统中。依据不同的分类标准太阳能集热器可分为不同的类型，按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类可划分为聚光型和非聚光型两大类[5]。非聚光型集热器能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低，主要有平板集热器和真空管集热器。而聚光型集热器能将太阳光会聚在面积较小的吸热面上获得较高的温度，但只能利用直射辐射，且需跟踪太阳[6]。

1.1.1 平板型集热器

在太阳能低温利用领域中，平板型集热器具有较突出的优势，且技术发展成熟。其优点为：可承压运行，安全可靠；由于自身的结构特点，与建筑结合性强[7-8]；单位集热面积大；不易结垢。但平板型集热器也是具有不可弥补的缺点：吸热板和玻璃盖板之间无法抽真空，热损失较大；环境低温或工质高温时集热器效率低下；不跟踪太阳，需固定安装；从而使平板型集热器应用受到了限制。

1.1.2 真空管集热器

为了减少平板集热器的热损以及进一步提高集热器运行温度，拓宽太阳能应用领域，真空管集热器发展了起来。按吸热体材料的不同，真空管集热器主要划分为全玻璃真空管集热器和玻璃-金属真空管集热器两大类[9]。其主要特点有[10]：具有真空夹层，保温性能好；热损失小，环境温度低下时集热效率仍较高；抗冲击抗冻能力强。同时还有材质遇撞击易碎；承压能力弱；安装复杂等不足，这样一些因素导致其使用范围比较小。

1.1.3 聚光型集热器

以上两种集热器均为非聚光型集热器，由于是直接采集自然太阳光，使非聚光型集热器运行温度不是很高[9]。聚光集热器则可在中、高温度下工作，其通过利用反射器或折射器提高能量吸收表面的太阳辐射强度，使表面更高的能流聚焦在较小的集热面上，同时对应的热损失减少，进而提高了集热温度和太阳能利用率。但不足的是聚光型集热器会产生额外的损失，大多数聚光型集热器只能收集直射辐射，造成了散射辐射的损失，同时还有光学损失[11]，因此，聚光型集热器适用于太阳直射辐射资源较丰富的地区。

图1平板型集热器 图2真空管集热器 图3聚光型集热器

1.2 非成像聚光太阳能集热器

非成像聚光太阳能集热器是聚光器的光线不会聚到一点或一条线上，而是聚到一块接收器的面上，从而获得高强度的太阳能。其拥有平板无缝采光、真空管保温集热、聚光集热三大主流集热器的各自优点，同时又避免了平板的高热损、真空管的漏光和聚光集热器的跟踪控制复杂这些不足。非成像聚光太阳能集热器形式较多，主要有球形面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、条形面聚光集热器、塔式集热器等。

1.2.1 光学原理

非成像与成像相比，最大的区别在于可在保证总体传递率的前提下实现较大的入射角和出射角[12]。运用超级计算机进行有限元分析、光学仿真等对非成像聚光曲面进行优化和改进，得到较完善的免追踪聚光曲面。下图4为由左向右35度角起斜射，每增加5度做的聚光仿真示意图：可见97%以上光线都进入中高温真空集热管。此性能也体现了非成像聚光集热器另一突出的性能，即可将70度入射角范围内的天空、云层等散热光都汇聚进入中高温真空管。

图4非成像聚光仿真示意图

从而可总结出非成像聚光集热器具有以下特点：

(1)集热器无需调整角度跟踪太阳方向即可达到约5倍的聚光；

(2)简单、方便、快捷装配与安装维护；

(3)采光区是整个迎光板面可无缝聚光，太阳(高度角)方向约70度夹角的入射光都可进入真空集热管；

(4)聚光进入真空管内，产生中高温热能，并靠真空层达到高效保温性能。

1.2.2 非成像聚光集热器性能测试

对于非成像聚光集热器性能的测试和评价是研究太阳能供暖系统的基础，集热器性能的好坏直接决定了整套供暖系统的效率[13]。目前，集热器性能测试主要分为稳态和动态两种测试方法，其中稳态测试方法最为常用。文中参照GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》[14]和ISO 9806∶2013《太阳能.太阳能集热器.试验方法》[15]对非成像聚光集热器进行了时间常数试验和瞬时效率试验。

(1)时间常数测试

集热器时间常数是确定集热器热性能瞬变能力的参数，用于表征集热器对瞬变的驱动力反应的迅速程度，时间常数测试是集热器热性能测试的重要内容之一。其定义为在太阳辐射度从一开始有跃阶式增加后，集热器出口温度与环境温度之差逐步上升至总增量的63.2%时所用的时间τe[16]。

τe=τ2-τ1

式中,τe为时间常数，s；ta为环境温度，即集热器进口温度，℃；te为集热器出口温度，℃；τ1为测试开始的时间，s；τ2为测试结束的时间，s。

选取非成像聚光集热器样品对其进行时间常数测试，非成像聚光集热器出口温度te与环境温度ta之差(te-ta)随时间的变化曲线如图5所示。

图5非成像聚光集热器出口温度te与环境温度ta 之差(te-ta)随时间的变化曲线

由上述曲线查出出口温度与环境温度之差值(te-ta)达到两次稳态所对应的出口温度与环境温度之差的63.2%所用的时间，从而可求得的非成像聚光集热器时间常数为450 s。

(2)瞬时效率测试

集热器瞬时效率是指在稳态条件下，特定时间间隔内由传热工质从一特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能之比，亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比[17]。基于采光面积Aa和集热器进口温度Ti*，用最小二乘法进行拟合，可得到集热器的瞬时效率方程为：

式中,Ti*为归一化温差，Ti*=(ti-ta)/G；ti为工质进口温度，℃；ta为环境温度，℃；G为集热器采光面上总日射辐照度；U为以Ti*为参考的太阳能集热器总热损系数，W/(m2·℃)ηa为瞬时效率；η0，a为Ti*=0时的瞬时效率。

瞬时效率截距η0，a为0.5931，即该非成像聚光太阳能集热器的最大瞬时效率为59.31%；斜率即集热器总热损系数U为1.5216，则该样品的瞬时效率曲线方程为：

2 非成像聚光太阳能集热器供暖应用

2.1 太阳能供暖概述(太阳能+)

传统的集中供暖系统为北方的主要供暖方式，利用热源通过地下热管网向用户供暖，但在供暖过程中其缺陷也逐渐突显，使得新型供暖系统不断涌现，这其中以太阳能为热源的供暖方式应用日益广泛，且最为经济。太阳能取之不尽用之不竭，既是急需的能源补充，又是未来可利用能源的基础，利用太阳能为住宅进行供暖可获得良好的环境小利益及经济效益[18]。

太阳能供暖系统一般由集热器、贮水箱、循环管路、辅助热源、控制系统、末端设备及附件组成。由于太阳能存在分散性、间断性和不稳定性等特点[19]，采用单一的太阳能进行供暖，难以解决需求侧遇到的诸多问题，若采用多能互补的形式，使各种能源取长补短，便可以弥补单一能源供暖方式的不足。下面将结合实例分别介绍两种基于太阳能的多能互补供暖技术：太阳能+电辅热和太阳能+空气源热泵。

2.2 非成像聚光太阳能集热器+电辅热

利用非成像聚光集热器的太阳能+电辅热供暖系统：晴天，白天的采暖热量需求主要由太阳能提供，晚上低谷电时段开启蓄热水箱内电加热器为系统供暖和水箱蓄热；连续阴天时，由电加热器提供热量需求[20]。

某服务中心采用太阳能+电辅热供暖系统，太阳能保证率70%，30%为电辅助加热，供暖面积为240 m2。该项目在服务中心楼顶上安装30块非成像聚光太阳能集热器，运行传热介质为导热油，室内设置容积6 m3水箱加软水处理装置，确保循环水不结垢，水箱与导热油采用高效螺旋换热器换热，室内换热器与水箱采用低功率水泵强制换热，系统在微电脑控制下实现精确的节能温度控制。对该太阳能-电辅热供暖系统在某晴天运行的数据进行分析，绘制出其集热效率曲线，如图6所示。

图6某服务中心太阳能-电辅热供暖系统集热效率曲线

从上述曲线可知，太阳能加热温度最高可达到91.9 ℃，水箱及室内换热器温度平稳运行在56～60 ℃，加热效果良好，可完全满足用户采暖需求。

2.3 非成像聚光太阳能集热器+空气源热泵

非成像聚光太阳能集热器+空气源热泵多能互补供暖系统利用了太阳能和空气源热泵各自的优点，在光照充足的时候，太阳能足以供应足够的热量，加热换热水箱中的水到设定温度，此时温控系统控制空气源热泵不运行。光照不足时，太阳能采暖系统不足以将换热水箱的水加热到设定温度，自动温控系统开启空气源热泵，二者同时加热热水。在夜晚或没有光照的条件下，只通过空气源热泵提供热量[21]。两种能源联合运行、智能控制，真正做到了最大程度的环保、节能，全天候、全自动、低能耗。

某老年幸福院采用太阳能+空气源热泵系统进行供暖，太阳能保证率50%，空气源热泵确保COP达到2以上节能运行。在该幸福院南北两栋楼顶各安装24块非成像聚光太阳能集热器和一台7 kW电功率空气源热泵，太阳能集热器采用导热油为工质，热泵采用低温防冻液为工质。室外设置两套6 m3水箱，储热温度85 ℃，加软水处理装置，确保循环水不结垢。水箱与导热油采用高效螺旋换热器换热，室内换热器与水箱采用低功率水泵强制换热，系统在微电脑控制下实现精确的节能温度控制，系统配备小型储能系统和电辅热系统，为夜间取暖提供充足稳定的热源。

对该太阳能-空气源热泵供暖系统在某晴天运行的数据进行分析，绘制出其集热效率曲线，如图7所示。

图7某幸福院太阳能-空气源热泵供暖系统集热效率曲线

由上述曲线可知，太阳能的加热温度最高可达到85.5 ℃，通过计算可知太阳能集热器的集热量为3.2 kW/m2/d，光热转化效率可达到60%以上(考虑到传热损失的情况下)，该非成像聚光太阳能集热器的集热效率是传统集热器的两倍以上。同时，系统运行后，供水温度可稳定在50～60 ℃，可完全满足用户采暖需求。

3 结束语

近几年来，随着我国新的发展理念的贯彻落实，清洁采暖全行业呈现出太阳能+供暖案例迅速增多、技术逐步进步、百姓和政府都认可的良好态势，太阳能行业正向着高质量发展迈进。非成像聚光太阳能集热器相较于传统的集热器优势突出，从应用案例分析来看，非成像聚光太阳能集热器应用于供暖系统中集热效率高、节能环保、投资运行成本低，综合效益良好，且随着能源短缺问题日益严重及不可再生能源价格的不断上涨，非成像聚光太阳能集热器供暖系统将具有更加广阔的应用前景。