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探討 | 克服“過熱”將為太陽能真空管再創輝煌提供機會

來源: 點擊次數:  更新時間:2019/6/17 9:40:15  

一、 真空玻璃管再創輝煌的瓶頸

太陽能真空玻璃管再創輝煌的瓶頸在于:

1、 太陽能真空玻璃管式太陽能熱水器必須實現安全、舒適、性價比高的承壓熱水系統。

只有安全、舒適、高性價比的熱水系統才是打動消費者的主牌,節能、環保將是它打動消費者的一手好的副牌。

2、 當前的真空玻璃管式太陽能熱水系統大多還存在可能的“過熱”、較高的成本、系統的復雜等問題。

二. 再論太陽能熱水器的“過熱問題”

 在詳盡闡述這些問題之前,要多啰嗦一句,為什么太陽能真空管會給真空管式太陽能熱水器帶來難以解決的過熱問題:

真空玻璃管吸熱率高、散熱率低,致使其自身溫度可高達280℃以上。太陽能熱水器最大不同于電熱水器或燃氣熱水器的地方:優點是太陽能熱水器利用的能源是清潔的、免費的;缺點為太陽能具有不連續性和不可控性,你需要時它可能沒有,你不需要時,它可能給你很多。只要太陽升起,太陽能真空管就會自動收集熱量,但這些熱量如果你沒有及時用掉(也許是因你離家旅游、也許是因你換房空置等),這些熱量若沒有辦法及時的散失掉,熱量就會累積,溫度就會上升。如果溫度上升超過100度,非承壓的太陽能熱水器就會“開鍋”,產生水蒸汽排掉散熱;承壓系統的水壓就會隨溫度升高而逐漸增大,常規的承壓系統一般通過排水泄壓降溫散熱。但系統因各種原因沒有了水的存在(比如因系統泄漏,比如我們離家時為了家里水系統的安全而關閉了水閥等),真空管式太陽能熱水器溫度會升高至系統無法承受的狀態而至使系統損壞,尤其是承壓分體系統,系統也可能因控制、傳感器、循環泵等故障而不能及時把熱量傳入水箱,集熱器部分溫度會短時間內就可升至系統無法承受的程度。

如果有一個辦法能讓太陽能真空管在任何情況下最高溫度都不超過200℃,那這個辦法就是太陽能真空管獲得新生的關鍵技術。但這個技術不能以降低太陽能真空管的熱性能、降低太陽能熱水系統的舒適性、增加過多的成本、減少熱水器的適用范圍為代價。

為什么會定義最高溫度不超過200℃。我們知道:1、太陽能熱水器密封件大多用的硅橡膠,硅橡膠使用溫度最好不要超過200℃;2、分體太陽能熱水器系統一般用乙二醇、丙三醇水溶液或導熱油做為循環傳熱介質,乙二醇、丙三醇或油在200℃會發性碳化反應。

三. 為解決“過熱問題”我們過去用了哪些招數

試看一下,我們現在都用了什么辦法試圖去解決因太陽能真空管的高溫而產生的過熱問題。

辦法1:系統非承壓:

開口系統,這是我們大多傳統真空管式太陽能的結構,有一根直通大氣,當太陽能過熱時,也就是太陽能超過100℃,水箱里的水“開鍋”,排出蒸汽散熱。

但這種系統存在的問題為:

A. 降低了系統的舒適性。非承壓的系統會給用戶帶來因水壓不均衡而造成的水溫波動問題;

B. 降低了熱水器的適用范圍:這種熱水器只能安裝于更高處;

C. 沒有徹底解決“過熱”問題,當熱水器因各種原因斷水時,系統仍會出過熱問題。

辦法2:承壓系統采用T/P閥:

T/P閥,即溫度/壓力安全閥,該閥的功能是當溫度超過或壓力超過設定的域值時,閥門打開,在太陽能熱水系統中,一般域值溫度為99 ℃,壓力0.6MPa。 當前,絕大多數承壓太陽能熱水系統將該閥安裝在水箱上,做為真空管式太陽能熱水系統防“過熱”的主要手段。

T/P閥是實現真空管式太陽能熱水系統防“過熱”成本較低的可行手段,但這種可行性是有兩個前提條件的:一是該太陽能熱水系統不能斷水,顯然這一點是難以做到絕對的可靠,系統內缺水是有可能發生的(房屋長時間空置是要斷開水路的);二是該太陽能熱水系統要求集熱器的熱量能夠可靠的轉移到水箱內。

當前承壓型的真空管式太陽能熱水系統主要為兩類,一類為自然循環式的,另一類為強制循環式的。自然循環式系統可以相對可靠的將集熱器的熱量轉移到水箱內,但這種系統安裝與應用非常受限,一般只能屋頂或陽臺安裝。強制循環的真空管式太陽能熱水系統很難較好的保證集熱器的熱量可靠的轉移到水箱去,傳感器\控制器\循環泵等故障均會造成集熱器的熱量無法轉移到水箱去。

辦法3:遮陽措施:

在系統可能過熱時,去人為遮陽或被動自動遮陽。遮陽即為在集熱器的表面用一覆蓋物檔住陽光,防止真空管繼續吸熱,以防止太陽能熱水系統“過熱”

一種人為遮陽,在長期不用時,人為采取措施將太陽能集熱器上面的陽光遮擋,這種方式給消費者帶來不安全感與麻煩。

另一種被動自動遮陽,當感知太陽能熱水系統溫度過高時,遮陽機自動運行,遮住陽光,這方式的可靠性不高,遮陽機的故障是不能保證不發生的。

辦法4:改進太陽能真空玻璃管,使之具有低溫區仍具有高效吸熱的性能,高溫區具有較差的吸熱性能:

這種方法在技術實現有一定的難度,迄今為止還沒有成功過,主要的問題,降低了高溫區的性能,隨之而來的高溫區性能被下降。

一種方法研究人員試圖在真空管的內表面涂覆可變色的涂層,低溫時,該膜具有好的吸熱特性,高溫時,該膜顏色變淺,吸熱性能變差。但可惜的是這種類型的涂層壽命無法保證長效。

另一種方法研究人員試圖在雙玻璃層內添加某種物質,使之在低溫時具有極低的蒸氣壓,而在溫度較高時,具有較高的蒸氣壓,即在高溫區時雙玻璃管內真空度下降,從而增加真空管在高溫區的散熱效果,但這種方式難點在于,第一這種物質比較難以尋找到,第二真空管在工作時,內表面溫度高,外層管溫度較低,物質蒸發后會冷凝在外表面上,造成真空管失效。

四.解決“過熱”未來之路

除上述之外,還有其它的辦法,以降低真空管的瞬時高溫嗎?

換一個角度思考問題。我們都知道有一個現象:內陸地區,尤其是沙漠地區,晝夜溫差極大,就象我國的新疆 “早穿皮襖午穿紗,圍著火爐吃西瓜”;而在沿海地區,晝夜溫差相對較小。產生這種現象原因是地表的“熱容”不同,沙漠地區地表的“熱容”較小,貯存太陽能熱的能力較差,有太陽,溫度上升就快,沒太陽,溫度下降也快,造成晝夜溫差較大;而沿海地區,地表的“熱容”相對較大,升降溫均比較慢,晝夜溫差也相對較小。

同樣的道理,如果增加太陽能真空管的熱容,也會降低太陽能真空管的最高溫度。

太陽能雖然不具有連續性和可控性,但太陽會早上升起,傍晚落下,日復一日,年復一年,重復著這一過程,這種規律可為我們實現降低太陽能真空管最高溫度提供了可能。

太陽能在白天輻照強度接近一個正態分布曲線,如下圖所示:太陽光輻射較強的是從上午9點到下午4點,最強主要出現在正午11點~15點間,太陽能真空管的最高溫度也出現在這一時間段,如果有一個辦法可以增加太陽能真空管內的熱容,使太陽能真空管能夠熬過正午11點~15點間,15點以后太陽的輻射強度已經不足,太陽能真空管內的溫度也就不至于上升過高。

所以增加太陽能真空管內的熱容是可能降低真空管的瞬時高溫的。但以這種方法能夠成功實現降低真空管的瞬時高溫還需要兩個條件:一為太陽能真空管內的熱容必然足夠大;二為每天早上太陽真空管內的熱量要處于比較低的水平,也就是說晚上太陽能真空管要散去足夠多的能量,為第二天接受新的太陽能準備好空間余量。

這種方法帶來的一個缺點為:晚上太陽能真空管需要散去一定的熱量。在這里,我們很有必要討論一下這個缺點是否可以被接受。換句話說,在太陽能熱水應用領域,我們到底應該如何利用太陽能,因為現行的行業內的能效標準有可能會誤導太陽能熱水領域的發展。(責編:袁靜)

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