太阳能工业用热的巨大市场和美好前景

摘要　针对太阳能在工业用热领域的兴起，以太阳能空气集热器在建材干燥过程中的应用为例，介绍太阳能空气集热系统设计和自动控制系统设计，并且通过对系统运行效果的分析，阐述太阳能空气集热系统设计中应该注意的问题。 　　引言 　　纺织印染行业太阳能应用的发展使人们看到了太阳能工业用热的巨大市场和美好前景，同时也带来了包括太阳能开水器、太阳能工业锅炉、太阳能热水系统、太阳能高温蒸汽、太阳能工业干燥在内的太阳能工业用热的兴起。 　　包括农副产品和轻工产品在内的工农业物料的工业干燥过程需消耗大量常规能源，如果采用太阳能代替部分常规能源，将为物料干燥生产过程的节能减排起到很大作用。太阳能干燥是一种新型的干燥方法，它采用太阳能代替常规能源来加热物料，最常见的是通过太阳能加热干燥室内的空气，形成热空气对流，热空气与湿物料接触并把热量传递给湿物料，使物料水分汽化并被空气带走，从而实现物料干燥。 　　可以采用太阳能干燥的物料品种很多，包括工艺陶瓷、中草药材、木材、肉制品、果脯、蔬菜及谷物等。太阳能空气集热器干燥系统，采用空气作为集热、干燥循环介质，具有冬季无需防冻、直接加热空气、维护费用低等优点，得到广泛关注，但是由于空气热熔小、系统稳定差、储热困难等应用难题，极大地限制太阳能空气集热系统的发展。 　　本文介绍了一种太阳能建材干燥系统，使用高效空气集热器集热，通过变频技术控制进口风量实现恒温干燥，同时采用集热与蓄热结合、异地远程监控等技术，实现太阳能干燥的高效持续自动运行。同时，通过对系统运行的监控和运行数据的分析，阐述系统的运行效果和系统设计中应该注意的问题。 　　1、工程概况 　　工程位于兰州市永登县，永登县位于东经102毅36忆至103毅45忆，北纬36毅12忆至37毅07忆，兰州市倾斜表面年平均日太阳总辐照量为15.77MJ/（m2·d），年日照小数2508.3小时，属于芋级太阳能资源较富区。 　　项目为混凝土砌块养护的太阳能应用研究，常规混凝土砌块的干燥方法为自然干燥，此工程利用真空管型空气集热器产生80耀130益的热空气，提供养护热源送入混凝土砌块养护室，提高砌块的干燥环境温度，以提高制品的养护效率降低生产成本。工程采用16台20支2.1m真空管空气集热器，总集热面积38.4m2（见图1）。 　　2、太阳能系统设计 　　太阳能干燥系统是在物料生产干燥过程中利用太阳能集热器收集的热量，替代部分常规能源，实现工业生产过程中的节能减排，为物料生产加工降成本。此项目采用真空管型太阳能空气集热器，利用变频风机技术，产生80耀130益的热空气，送入混凝土砌块养护室，加快材料的干燥速度，提高制品效率，降低生产成本（见图2）。 　　同时系统采用相变蓄热箱来储存多余的太阳能，延长太阳能系统的使用时间和利用效率，增加太阳能空气集热系统的稳定性和持续性。系统还采用远程自动控制系统，可实现随时随地查看系统运行状态，控制系统运行，同时对系统参数、运行状态做实时存储，对数据做相应分析。 图2太阳能系统运行原理 　　2.1太阳能空气集热系统设计 　　太阳能空气集热系统主要包括：真空管型空气集热器、风机、储热设备、电动风阀以及风道。风机将冷空气吹进空气集热器，真空管型空气集热器吸收太阳能能量将空气加热，加热后的空气进入干燥室内，加热、干燥物料。 　　真空管型空气集热器：系统选用16台20支2.1m真空管型太阳能空气集热器，总采光面积38.4m2。每天可产生242MJ的热量，加快混凝土砌块的干燥速度。 　　风机：系统设置两个变频风机。集热风机功率0.56kW，蓄热风机功率为0.32kW。系统通过变频集热风机和变频蓄热风机结合，产生80耀130益稳定热空气供给干燥室，当集热器出口空气温度过高时，蓄热变频风机开启，混合一定量的冷空气，保持干燥室的供风温度基本稳定。 　　储热设备：蓄热系统选用相变蓄热材料，系统设计外形尺寸为D530mm伊980mm的蓄热箱，蓄热箱内填装直径为70mm的蓄热球，设计蓄热量为30MJ，蓄热量为两小时系统的集热量，可以储存系统的多余热量和延长太阳能干燥利用时间。 　　电动风阀：系统采用电动风阀实现功能的切换和系统的自动运行，由于空气集热系统温度较高，风阀需选用耐高温风阀。 　　风道：风道截面尺寸为200mm伊250mm。由于集热器温度高达200益，保温层选用耐高温的玻璃丝棉作为内层保温，外加聚氨酯保温减少管道热损。 　　2.2控制系统设计 　　为满足系统设计要求，使用和利时PLC的LM3109，其具有的两个串口可同时进行通信，一个串口和触摸屏的RS232通信，另一个则连接能和远程服务器通信的转换模块。该系统的PLC控制系统运行分为三种模式： 　　集热模式：当集热器达到一定温度时，开启集热风机将集热器内热空气送进干燥室内或者蓄热箱内； 　　干燥模式：变频器根据PLC采集干燥室温度值，进行变频调节，以满足恒温干燥模式； 　　蓄热模式：蓄热风机将集热器的过剩热量，输送给蓄热装置进行的过程。 　　控制系统采用变频控制技术和远程通信技术，实现干燥室恒温供风和系统远程显示控制。系统操作可通过触摸屏直接操作，也可异地通过网络访问远程监控系统。 　　变频调节过程：采用闭环控制，当集热器温度一定时，风机将集热器内热空气送入干燥室，随后干燥室内温度升高，变频器再根据干燥室温度进行调节变频风机，以控制干燥室内温度保持在一定范围内。变频控制流程（见图3）下： 　　风机转速调速范围不宜太大，通常应不低于额定转速的50%，最好在70%耀100%之间，所以变频器的输出频率控制范围在35耀50Hz，当PID调节的频率低于35Hz时，则输出35Hz。 　　远程监控功能：远程服务器利用转换模块连接PLC，通过Modbus协议读写PLC数据，间隔1分钟读取一次PLC采集的实时数据、输出状态、系统参数等，实现了远程监控太阳能工程运行状态，显示实时数据，保存历史记录。 　　3、运行数据分析 　　远程监控系统监测空气集热器进风口温度、集热器出风口温度、干燥室进风口温度、干燥室温度、储热箱温度。图4为系统正常运行后选取的典型晴好天气（2013年12月12日）系统运行数据分析（见图4）。 　　测试总结： 　　1.空气集热器出口温度最高高达173益，并且温度在150益以上的时间可持续约4小时，说明真空管型空气集热器用于中温工业干燥非常可行，并且利用效果明显。 　　2.干燥室进风口温度维持在85益以下，说明系统设计的双风机控制干燥室进风温度稳定可行。 　　3.干燥室内温度可比环境温度高10耀17益，室内温度提升效果明显，可加速混凝土砌块的干燥速度。 　　4.干燥室进风口温度比集热器出风口温度高的时间段为17：14到18：20，时间约为1小时，说明蓄热箱能够起到一定的延长干燥时间的作用。但是温度提升最高只有4益，说明由于蓄热材料的储热和放热性能有待改善，蓄热箱的温度提升作用不太明显。 　　4结语 　　太阳能空气集热系统具有无需防冻、无需二次换热、系统维护工作量小等优点，在太阳能干燥、太阳能采暖等领域应用前景广阔，但是系统的热容量小、稳定性差等缺点明显，在太阳能空气集热系统设计中应注意以下几点： 　　1.系统稳定性差，集热器出口风温随辐照变化剧烈，为了保证物料干燥的效果，需根据物料干燥的温度要求，设计出口恒温控制，尽量保证出口温度稳定。 　　2.空气热容量小，太阳能空气集热系统需设计蓄热系统，储存热量。 　　3.根据物料干燥的要求，可设置空气源热泵辅助或电加热辅助设备。 　　太阳能空气集热干燥系统作为太阳能工业应用的重要拓展领域，应用前景广阔，但是由于存在缺少高效实用空气集热器、管路热损大、储热材料放热缓慢、系统设计缺少设计标准等问题，系统的推广应用目前还受到很大限制。（天普新能源科技有限公司李治霞王成勇、中国人民解放军76155部队马致文）