太陽(yáng)能工業(yè)用熱的巨大市場(chǎng)和美好前景

摘要　針對(duì)太陽(yáng)能在工業(yè)用熱領(lǐng)域的興起，以太陽(yáng)能空氣集熱器在建材干燥過(guò)程中的應(yīng)用為例，介紹太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果的分析，闡述太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。 　　引言 　　紡織印染行業(yè)太陽(yáng)能應(yīng)用的發(fā)展使人們看到了太陽(yáng)能工業(yè)用熱的巨大市場(chǎng)和美好前景，同時(shí)也帶來(lái)了包括太陽(yáng)能開(kāi)水器、太陽(yáng)能工業(yè)鍋爐、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能高溫蒸汽、太陽(yáng)能工業(yè)干燥在內(nèi)的太陽(yáng)能工業(yè)用熱的興起。 　　包括農(nóng)副產(chǎn)品和輕工產(chǎn)品在內(nèi)的工農(nóng)業(yè)物料的工業(yè)干燥過(guò)程需消耗大量常規(guī)能源，如果采用太陽(yáng)能代替部分常規(guī)能源，將為物料干燥生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能減排起到很大作用。太陽(yáng)能干燥是一種新型的干燥方法，它采用太陽(yáng)能代替常規(guī)能源來(lái)加熱物料，最常見(jiàn)的是通過(guò)太陽(yáng)能加熱干燥室內(nèi)的空氣，形成熱空氣對(duì)流，熱空氣與濕物料接觸并把熱量傳遞給濕物料，使物料水分汽化并被空氣帶走，從而實(shí)現(xiàn)物料干燥。 　　可以采用太陽(yáng)能干燥的物料品種很多，包括工藝陶瓷、中草藥材、木材、肉制品、果脯、蔬菜及谷物等。太陽(yáng)能空氣集熱器干燥系統(tǒng)，采用空氣作為集熱、干燥循環(huán)介質(zhì)，具有冬季無(wú)需防凍、直接加熱空氣、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注，但是由于空氣熱熔小、系統(tǒng)穩(wěn)定差、儲(chǔ)熱困難等應(yīng)用難題，極大地限制太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的發(fā)展。 　　本文介紹了一種太陽(yáng)能建材干燥系統(tǒng)，使用高效空氣集熱器集熱，通過(guò)變頻技術(shù)控制進(jìn)口風(fēng)量實(shí)現(xiàn)恒溫干燥，同時(shí)采用集熱與蓄熱結(jié)合、異地遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能干燥的高效持續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控和運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，闡述系統(tǒng)的運(yùn)行效果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。 　　1、工程概況 　　工程位于蘭州市永登縣，永登縣位于東經(jīng)102毅36憶至103毅45憶，北緯36毅12憶至37毅07憶，蘭州市傾斜表面年平均日太陽(yáng)總輻照量為15.77MJ/（m2·d），年日照小數(shù)2508.3小時(shí)，屬于芋級(jí)太陽(yáng)能資源較富區(qū)。 　　項(xiàng)目為混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)的太陽(yáng)能應(yīng)用研究，常規(guī)混凝土砌塊的干燥方法為自然干燥，此工程利用真空管型空氣集熱器產(chǎn)生80耀130益的熱空氣，提供養(yǎng)護(hù)熱源送入混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)室，提高砌塊的干燥環(huán)境溫度，以提高制品的養(yǎng)護(hù)效率降低生產(chǎn)成本。工程采用16臺(tái)20支2.1m真空管空氣集熱器，總集熱面積38.4m2（見(jiàn)圖1）。 　　2、太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)是在物料生產(chǎn)干燥過(guò)程中利用太陽(yáng)能集熱器收集的熱量，替代部分常規(guī)能源，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能減排，為物料生產(chǎn)加工降成本。此項(xiàng)目采用真空管型太陽(yáng)能空氣集熱器，利用變頻風(fēng)機(jī)技術(shù)，產(chǎn)生80耀130益的熱空氣，送入混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)室，加快材料的干燥速度，提高制品效率，降低生產(chǎn)成本（見(jiàn)圖2）。 　　同時(shí)系統(tǒng)采用相變蓄熱箱來(lái)儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能，延長(zhǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)的使用時(shí)間和利用效率，增加太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。系統(tǒng)還采用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)做實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)做相應(yīng)分析。 圖2太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行原理 　　2.1太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)主要包括：真空管型空氣集熱器、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)熱設(shè)備、電動(dòng)風(fēng)閥以及風(fēng)道。風(fēng)機(jī)將冷空氣吹進(jìn)空氣集熱器，真空管型空氣集熱器吸收太陽(yáng)能能量將空氣加熱，加熱后的空氣進(jìn)入干燥室內(nèi)，加熱、干燥物料。 　　真空管型空氣集熱器：系統(tǒng)選用16臺(tái)20支2.1m真空管型太陽(yáng)能空氣集熱器，總采光面積38.4m2。每天可產(chǎn)生242MJ的熱量，加快混凝土砌塊的干燥速度。 　　風(fēng)機(jī)：系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)變頻風(fēng)機(jī)。集熱風(fēng)機(jī)功率0.56kW，蓄熱風(fēng)機(jī)功率為0.32kW。系統(tǒng)通過(guò)變頻集熱風(fēng)機(jī)和變頻蓄熱風(fēng)機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生80耀130益穩(wěn)定熱空氣供給干燥室，當(dāng)集熱器出口空氣溫度過(guò)高時(shí)，蓄熱變頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，混合一定量的冷空氣，保持干燥室的供風(fēng)溫度基本穩(wěn)定。 　　儲(chǔ)熱設(shè)備：蓄熱系統(tǒng)選用相變蓄熱材料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)外形尺寸為D530mm伊980mm的蓄熱箱，蓄熱箱內(nèi)填裝直徑為70mm的蓄熱球，設(shè)計(jì)蓄熱量為30MJ，蓄熱量為兩小時(shí)系統(tǒng)的集熱量，可以?xún)?chǔ)存系統(tǒng)的多余熱量和延長(zhǎng)太陽(yáng)能干燥利用時(shí)間。 　　電動(dòng)風(fēng)閥：系統(tǒng)采用電動(dòng)風(fēng)閥實(shí)現(xiàn)功能的切換和系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，由于空氣集熱系統(tǒng)溫度較高，風(fēng)閥需選用耐高溫風(fēng)閥。 　　風(fēng)道：風(fēng)道截面尺寸為200mm伊250mm。由于集熱器溫度高達(dá)200益，保溫層選用耐高溫的玻璃絲棉作為內(nèi)層保溫，外加聚氨酯保溫減少管道熱損。 　　2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　為滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，使用和利時(shí)PLC的LM3109，其具有的兩個(gè)串口可同時(shí)進(jìn)行通信，一個(gè)串口和觸摸屏的RS232通信，另一個(gè)則連接能和遠(yuǎn)程服務(wù)器通信的轉(zhuǎn)換模塊。該系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行分為三種模式： 　　集熱模式：當(dāng)集熱器達(dá)到一定溫度時(shí)，開(kāi)啟集熱風(fēng)機(jī)將集熱器內(nèi)熱空氣送進(jìn)干燥室內(nèi)或者蓄熱箱內(nèi)； 　　干燥模式：變頻器根據(jù)PLC采集干燥室溫度值，進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足恒溫干燥模式； 　　蓄熱模式：蓄熱風(fēng)機(jī)將集熱器的過(guò)剩熱量，輸送給蓄熱裝置進(jìn)行的過(guò)程。 　　控制系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)干燥室恒溫供風(fēng)和系統(tǒng)遠(yuǎn)程顯示控制。系統(tǒng)操作可通過(guò)觸摸屏直接操作，也可異地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 　　變頻調(diào)節(jié)過(guò)程：采用閉環(huán)控制，當(dāng)集熱器溫度一定時(shí)，風(fēng)機(jī)將集熱器內(nèi)熱空氣送入干燥室，隨后干燥室內(nèi)溫度升高，變頻器再根據(jù)干燥室溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)，以控制干燥室內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)。變頻控制流程（見(jiàn)圖3）下： 　　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好在70%耀100%之間，所以變頻器的輸出頻率控制范圍在35耀50Hz，當(dāng)PID調(diào)節(jié)的頻率低于35Hz時(shí)，則輸出35Hz。 　　遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：遠(yuǎn)程服務(wù)器利用轉(zhuǎn)換模塊連接PLC，通過(guò)Modbus協(xié)議讀寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)，間隔1分鐘讀取一次PLC采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、輸出狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控太陽(yáng)能工程運(yùn)行狀態(tài)，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保存歷史記錄。 　　3、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析 　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)空氣集熱器進(jìn)風(fēng)口溫度、集熱器出風(fēng)口溫度、干燥室進(jìn)風(fēng)口溫度、干燥室溫度、儲(chǔ)熱箱溫度。圖4為系統(tǒng)正常運(yùn)行后選取的典型晴好天氣（2013年12月12日）系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖4）。 　　測(cè)試總結(jié)： 　　1.空氣集熱器出口溫度最高高達(dá)173益，并且溫度在150益以上的時(shí)間可持續(xù)約4小時(shí)，說(shuō)明真空管型空氣集熱器用于中溫工業(yè)干燥非?？尚?，并且利用效果明顯。 　　2.干燥室進(jìn)風(fēng)口溫度維持在85益以下，說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雙風(fēng)機(jī)控制干燥室進(jìn)風(fēng)溫度穩(wěn)定可行。 　　3.干燥室內(nèi)溫度可比環(huán)境溫度高10耀17益，室內(nèi)溫度提升效果明顯，可加速混凝土砌塊的干燥速度。 　　4.干燥室進(jìn)風(fēng)口溫度比集熱器出風(fēng)口溫度高的時(shí)間段為17：14到18：20，時(shí)間約為1小時(shí)，說(shuō)明蓄熱箱能夠起到一定的延長(zhǎng)干燥時(shí)間的作用。但是溫度提升最高只有4益，說(shuō)明由于蓄熱材料的儲(chǔ)熱和放熱性能有待改善，蓄熱箱的溫度提升作用不太明顯。 　　4結(jié)語(yǔ) 　　太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)具有無(wú)需防凍、無(wú)需二次換熱、系統(tǒng)維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)能采暖等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但是系統(tǒng)的熱容量小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)明顯，在太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 　　1.系統(tǒng)穩(wěn)定性差，集熱器出口風(fēng)溫隨輻照變化劇烈，為了保證物料干燥的效果，需根據(jù)物料干燥的溫度要求，設(shè)計(jì)出口恒溫控制，盡量保證出口溫度穩(wěn)定。 　　2.空氣熱容量小，太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)需設(shè)計(jì)蓄熱系統(tǒng)，儲(chǔ)存熱量。 　　3.根據(jù)物料干燥的要求，可設(shè)置空氣源熱泵輔助或電加熱輔助設(shè)備。 　　太陽(yáng)能空氣集熱干燥系統(tǒng)作為太陽(yáng)能工業(yè)應(yīng)用的重要拓展領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，但是由于存在缺少高效實(shí)用空氣集熱器、管路熱損大、儲(chǔ)熱材料放熱緩慢、系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺少設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，系統(tǒng)的推廣應(yīng)用目前還受到很大限制。（天普新能源科技有限公司李治霞王成勇、中國(guó)人民解放軍76155部隊(duì)馬致文）