太陽能動力熱管原理及實踐

太陽能動力熱管的發(fā)展背景 一、問題的提出     隨著人類社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源消費量也相應(yīng)的有了大幅度的增長，隨著儲量有限的礦物能源不斷減少，各種傳統(tǒng)礦物能源的價格也加速攀升;同時傳統(tǒng)礦物能源的大量使用，對人類生存環(huán)境的也產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，溫室效應(yīng)和酸雨已經(jīng)嚴(yán)重影響人類的生存和發(fā)展，能源和環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今世界突出的兩大社會問題。 　　現(xiàn)實開始促使人們更多地意識到能源對人類生存與發(fā)展的重要性，把能源科學(xué)利用的重點轉(zhuǎn)移到可再生能源與其他節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和利用方面來。全社會開始愈來愈重視太陽能利用和熱泵制熱等節(jié)能新技術(shù)推廣和應(yīng)用。 　　太陽能以其取之不盡、廉價、安全、無需運輸、清潔無污染等特點日益受到人們的重視，但是由于太陽能具有受季節(jié)和天氣影響較大、熱流密度低、需要較大的迎光面積、抗物理碰擊能力差、難以和建筑物相結(jié)合、不能保障熱水供應(yīng)、抗凍性能差等缺點，導(dǎo)致各種形式的太陽能直接熱利用系統(tǒng)在應(yīng)用上都受到很大程度的限制。隨著生活水平的提高，用戶對于供熱的要求也越來越高，太陽能利用的一些局限性日益顯現(xiàn)出來：尤其在使用熱水量較大的地區(qū)(如廣東省)和場所(如賓館酒店)，其應(yīng)用受到很大限制，市場推廣較為困難; 　　由于太陽能的種種不足，給另外一種節(jié)能型熱水器：風(fēng)源熱泵熱水器的發(fā)展帶來契機：在年均氣溫較高的南方地區(qū)，由于它幾乎不受時間和陰晴天氣的影響，安裝要求低，又有比電熱水器高數(shù)以倍計的制熱效率，所以受到市場的廣泛歡迎。在南方的市場上已經(jīng)可以和傳統(tǒng)太陽能熱水器分庭抗禮，占據(jù)節(jié)能型熱水器的半壁江山。 　　但是風(fēng)源熱泵熱水器，也有著自身的缺點：其中最大的不足就是不能有效的利用太陽的熱輻射;其次是在氣溫較低時會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，不斷進(jìn)行的結(jié)霜和除霜過程，使得該裝置在寒冷季節(jié)的效率大幅度降低，甚至無法工作;另外在夏季的高溫下，熱泵必須運行壓縮機來實現(xiàn)制熱，壓縮機工作條件惡劣，容易導(dǎo)致壓縮機損壞。以上缺點使熱泵熱水器同樣難以大范圍推廣，尤其是在北方。 　　由于兩者各自的優(yōu)缺點，使兩者的推廣應(yīng)用都受到制約，很自然的，人們要去探討將太陽能和熱泵熱水器結(jié)合起來，期望通過這樣的實驗研究，制造出這樣的裝置，將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，克服各自的不足，甚至比兩者共同使用有更好的表現(xiàn)，這正是本研究項目得以提出的初衷。 　　本項目不同于太陽能熱泵技術(shù)和裝置，盡管都是一種太陽能的熱利用方法，但是兩者卻有著本質(zhì)的區(qū)別，這在后面的論述中將進(jìn)行描述。 　　本研究項目，涉及太陽能技術(shù)、熱泵和熱管技術(shù)，下面對現(xiàn)有的各技術(shù)現(xiàn)狀做一簡要描述和說明，并演繹太陽能動力熱管這一新技術(shù)概念的理論形成和實驗提要。當(dāng)前傳統(tǒng)太陽能熱利用技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展 　　目前我國太陽能的熱利用，主要集中在被動式太陽房采暖和熱水器提供生活用熱水上，其中太陽能熱水器是當(dāng)前太陽能熱利用的最主要方式，分別有以下幾種型式： 二、太陽能熱水器主要類型 　　1、悶曬式，如桶式、膠袋式，沒有專門的保溫措施，只要外表涂上較深的顏色，陽光充足時使用就有一定的效果，它的優(yōu)點是價格低廉，使用場地不限，制造非常容易，在太陽能應(yīng)用的早期較多，現(xiàn)仍有少量使用，它的熱效率低，不能全年使用。 　　2、平板式，顧名思義，它的受熱面是一個平板，在這個平板裝置涂了深色的涂料，以加強吸熱效果，金屬水管以某種布置和集熱平板緊密結(jié)合，通過水的循環(huán)將熱量傳遞到水箱中。這種熱水器曾經(jīng)占據(jù)太陽能熱水器市場的主導(dǎo)地位，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)可靠，工藝簡單，容易制造安裝，缺點是在陽光偏照時表面玻璃的反射導(dǎo)致熱效率低，銅鋁用量大，價格相對較高，在北方因為凍結(jié)問題難以過冬，使用壽命短。至今我國南方地區(qū)仍在大量使用。 　　3、真空管式，這種熱水器在上世紀(jì)八十年代誕生，目前是我國大部分地區(qū)市場的當(dāng)家產(chǎn)品。它以涂有黑色鍍膜的真空玻璃管為集熱元件，集熱效率高，熱損失小，可以一年四季使用;缺點是結(jié)構(gòu)脆弱易損壞、易結(jié)水垢有效集熱面積小、嚴(yán)冬時節(jié)同樣有凍裂的可能，在北方使用的人較多。 　　4、真空管-熱管式，這種熱水器的技術(shù)含量更高，它在普通真空管的基礎(chǔ)上加裝了一種超導(dǎo)傳熱元件，通常用銅管制作，人們稱它為"熱管"。它的真空管內(nèi)無水，避免了水垢的嚴(yán)重影響，也不會因真空管凍裂炸裂造成大量漏水，熱效率高于普通真空管式熱水器。但是它的成本也高于真空管式熱水器。 　　以上各類太陽能熱水器，無論何種形式，都是單一熱源(即太陽能熱輻射)的、被動式的太陽能熱利用裝置，不同程度的具有太陽能熱水裝置通有的缺點，難以滿足用戶較高的要求。 三、熱泵熱水裝置的基本原理和應(yīng)用 　　熱泵技術(shù)是一種節(jié)能效果優(yōu)異的節(jié)能型制熱技術(shù)，該技術(shù)利用少量高品位的電能作為驅(qū)動能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮?，并將其提溫后傳輸給高溫?zé)嵩?，以達(dá)到輸送熱量的目的。 　　采用熱泵制熱裝置與蓄熱機構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達(dá)到節(jié)約高品位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用潛力。 　　熱泵是一個反向使用的制冷機，與制冷機所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷機完全相同。其工作流程為：液態(tài)的工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后汽化，低溫低壓的氣體工質(zhì)在壓縮機中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，經(jīng)冷凝器放熱冷凝為低溫高壓的液體(放出工質(zhì)的氣化潛熱等，與冷凝水進(jìn)行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用)，液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)降壓閥節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w，重新進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱源熱量，并蒸發(fā)為蒸汽完成一個循環(huán)過程。如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。 　　根據(jù)熱力學(xué)第一定律，即有：Qg= Qd + A，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機所消耗的電功A起到補償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸收熱量(Qd)，并向高溫環(huán)境釋放熱量(Qg)，周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，一般用性能系數(shù)(coefficient of performance，簡稱COP )來衡量裝置的能量效率，其定義為：COP=Qg/A =(Qd+A)/A=1+Qd/A 　　顯然，熱泵的COP永遠(yuǎn)大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，對于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用。 　　所有型式的熱泵都必須有蒸發(fā)和冷凝兩個溫度水平，采用膨脹閥或毛細(xì)管裝置實現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流，與壓縮機一起使熱泵循環(huán)形成高低兩個壓力區(qū)間，工質(zhì)在高壓區(qū)間冷凝，在低壓區(qū)間蒸發(fā)，通過自身的狀態(tài)變化實現(xiàn)熱量的傳遞。 　　任何可以制冷的裝置，都可以成為熱泵，目前市場上的熱泵主要有機械壓縮式、熱能壓縮式、蒸汽噴射壓縮式和半導(dǎo)體式。其中，機械壓縮式熱泵又稱作電動熱泵，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑采暖和空調(diào)，在熱泵市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。 　　熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式，其中水—溴化鋰吸收式和氨—水吸收式冷熱水機組已經(jīng)逐步走上商業(yè)化發(fā)展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段，還必須克服運轉(zhuǎn)間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問題，才能真正應(yīng)用于實際。 　　蒸汽噴射壓縮式和半導(dǎo)體式由于效率太低，基本沒有應(yīng)用。 　　根據(jù)熱源形式的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵等。國外的文獻(xiàn)通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵。 熱泵裝置已經(jīng)成為重要的節(jié)能手段。