农村能源工程3

(4)灶架用以承托灶面，并能灵活地调节处面使之与太阳运动同步，始终保持灶面与太阳光线垂直。因此，要求灶架结实牢靠，调节方便灵活。灶面跟踪太阳应使灶面能沿太阳高度与方位的变化两方面运动。方位运动机构的调节一般为手动调节。有铀式和轮式。轴式即在底座内套一圆管即可，较为简单，如图1—34所示。轮式灶架本身也起支座作用，结构稍为复杂，但移动位置较为方便，如图l一35如图1—36所示。是水平轴的位置可上可下，并以能通过或接近灶壳重心为佳，这样费力小，操作灵活。这种灶重量较轻，重心在转轴之上，并采用加大力臂及配重的方法来调节平衡灶壳重量。图1—37是一种单轨式太阳灶，灶壳可沿着圆弧轨道上下滑动，操作较费力，适用于小型灶使用。太阳灶高度方向的调节范围应大于60。，方位方向的调节范围应大于90。。(5)锅架用以支持锅具。它必须保证锅具在使用时稳定，不倾翻，在灶完调节过程中，锅水不外溢c锅架主要由锅圈、支杆和调节杆等零件组成。锅架可单独固定不动放在地面上，如图l一38所示。这种锅架调整方便。另一种锅架是和灶壳固定成一体，以保证锅具总处于灶面的焦点位置c如图1—33所示，这种支撑称为平行四边形自动水平锅架。3．聚焦型太阳灶的热性能其热性能指标主要有：集热效率、焦面温度和功率。(1)集热效率为便于比较各种聚光型太阳灶的热效率，一般以煮水工况时的热效率为依据。聚焦型太阳灶瞬时集热效率ŋx是指在某一确定的短时间间隔内，锅具及其—定量的水所获得的有效热量Qu与此时间间隔内，投射在聚光器光面上太阳直射辐射总能量(IbAc΋)之比。4．聚焦型太阳灶的设计设计反射聚焦型太阳灶时，需要正确选择反光材料、反射镜曲面、面积、焦距、聚光比。它们都直接影响太阳灶的性能、成本和重量。(1)反光材料在太阳灶结构中灶面一节已有介绍。由于太阳灶主要在农村应用，为便于推广，首先要求成本低，材料的价格要低廉；其次，要求具有较高的反光性能及耐久性，力求重量轻，使用方便。同时，还要注意因地制宜，就地取材。(2)反光镜光孔面积即反光镜抛物面的投影面积Ac，它是根据太阳灶所需的功率大小来确定。由式1—50可求得面积Ac，即(3)反射镜曲面选择前面已提到正焦抛物面灶，正焦抛物面由于有部分表面不能有效地对锅底加热，且尺寸大，不便于操作因此，较普遍地在正焦抛物面上截取能有效地加热锅底的部分曲面，形成伯焦抛物面灶。(4)聚光比C(Ac／Ar)它是太阳灶的重要技术指标。由式(1—45)可知，聚光比愈大，焦面温度愈高，但对反射镜的要求也高。作为烧饭、烧水的太阳灶，聚光比以100—300为宜，此时锅底焦面平均温度为400—500℃；若用于烹、炒等做菜作业，则要求的温度在600—800℃之间，就要求更大的聚光比。聚光比与接收器(锅、壶等)底部温度的关系如图1—4l所示。图中标着“下限”的曲线表示接收器处于热平衡时的焦面平均辐射强度或聚光比与平衡温度的关系，此曲线上方表示较大的荣光比。阴影区表示良好的工作范围，接收效率为40％一60％。纵坐标的辐射强度表示接收器焦面上的平均能量密落。[三)其他型式的太阳灶1．箱式太阳灶这种太阳灶是利用温室效应原理，通过特定装置将太阳能收集与积累起来。达到一定温度的。一般只能达到l10—150℃用于蒸煮炊事作业。如图1—43所示，主要由箱体、透明盖板、吸热板和保温材料制成。箱体内底部及四周铺以棉花或其他保温材料进行保温：层上放吸热板。吸热板由牛皮纸、木材或薄铁皮制作，其表面涂黑以便吸收更多的；太阳能。一般采用2mm厚的玻璃作盖板，寒冷地区可为两层或三层，以减少散热，达到较高的温度。这种太阳灶结构简单，制作容易，成本低，用户可自己动手制作，蒸煮食物方便，无须专人看管。但集热温度与热效率偏低。箱式太阳灶还可用于烘干，如烘干烟叶，辣椒等农产品及消毒杀菌。2.台式太阳灶(见图1—44)是箱式太阳灶的一种变型，集热原理相同，结构相似c不同的是：它用砖或土坯垒成池子代替灶箱。池子还Lf在地上挖一个坑代替，就成为窖式太阳灶。由于它们地点及灶的方向固定，因此，应选择好建灶地点及灶的方向与盖板的倾角。灶应建于干燥向阳的地方，其北面应有挡风墙，还可利用朝南的斜坡挖坑，也能挡风，减少散热损失。灶的方向一股为朝南，孟板倾角可等于当地的纬度，可全年使用。如果只在春分到秋分的6个月使用，倾角可用(4—10。)；如只在从秋分到春分的6个月中使用，倾角可用(少十10。)c保温层最简单是采用黑色被褥，衬于灶坑内，它既是保温层，又是吸热体。挂条可附在灶盖下面，可挂晒与烘烤各种东西。为提高箱式太阳灶的入射辐射能，可在箱盖上加反射镜，如图1—45所示。2．回转太阳灶如固l一46所示，其原理与箱式基本相同，但结构上有较大差别。首先它的铝具固定，而外箱可以回转，以便跟踪太阳；其次，它比箱式更深，且还有部分曲面可反射入射的部分阳光，因而能收集到更多的太阳能；此外，它的玻璃盖板固定；在顶部或侧面开设门盖，便于操作。它的结构虽复杂一点，但调节方便，集热温度度c在晴朗天气下，把锅具加热到150—220℃仅需1．5小时。3．太阳能蒸汽灶它是利用集热器将水加热变成蒸汽，蒸汽进入蒸箱可蒸煮食物，如图l一47所示。小型灶可用平板型集热器；大型灶可采用聚光并自动跟踪太阳的集热器。由于要获得蒸汽，因此，要求良好的保温，尤其在顶部，透明盖板最好用两层或三层，集热器的安装支架应有高度和方位两个转动方向，在不同季节和不同时刻都可用于调节集热器的倾角与方位．以便能接收更多的太阳能。4．其他型式的聚光集热器(1)折叠式太阳灶(2)球面镜固定不动的跟踪聚光集热器(3)复合抛物面聚光集热器第八节太阳能的热贮存一、概述(一1贮能的必要性任何能源系统始终存在着供能与用能的平衡问题。系统能源供需不平衡不是造成能源浪费，就是不能满足用户的需求，影响生产或生活。太阳能利用系统中，由于太阳能随季节、气候和昼夜等自然条件而变化，造成供能的继续性，加之太阳的能量密度低，更加剧了其供需的不平衡。通过在系统中设置贮能装置，可减缓能源供需的不平衡与更充分地利用太阳能，因此，贮能装置是太阳能利用系统中不可缺少的设备。[二)太阳能贮能的方式贮能的方式很多，可以按热能、电能、化学能、机械能等方式贮存，太阳能热利用最为广泛，因此，技术最为成熟，商业化程度最高。热贮存的优点是效率高，成本低，安全可靠，技术成熟，最易办到。太阳电池系统是用蓄电池贮存电能；植物贮存着由太阳能转化来的生物质能；太阳能制氢属于化学朗贮存；利用太阳能水泵向高处提水，贮存了可做功的势能。器的结构尺寸大，占地大，投资与成本增加，只有选择密度大的物质才有利。这样看来，增大贮热量的有效途径是选择比热和密度大的物质作贮热介质。显然，在选择贮热物质时还要综合考虑其粘度、腐蚀性、可燃性、毒性、热稳定性和经济性。表1—7给出一些可作为贮热的物质及其几个性能参数值。液体中水的贮热性能最佳，而且水的粘度低，腐蚀性小，价廉，到处都有。因此，许多集热介质都用水，没水箱可直接贮热与用热，无须设换热器，提高了效率，降低了费用。但水的标准沸点约为100℃，要在更高的温度范围贮热就必须加压，这会带来一系列结构、成本及运行管理等问题，不可取，应选择其他物质。固体贮热物质用得最多的是砾石。它的性能一船，得到广泛应用的原因是价廉，易得。下面介绍常用的两种显热贮热方式。(一)用水贮热在图l一52的太阳能系统户，水在集热器中被太阳能加热后泵入水箱，热能以一定温度的水贮：厂水箱中。当需要使用热量时，水泵2将箱内热水泵入负荷用热，放出热量后返回水箔。如果箱内水温均匀一致，且水箱为开口系，则水的治增量等于集热器传给水箱的热量减去水箱传给热负荷的热量与热损失，可写为：对于小水箱，可认为水温是均匀的，对大水箱，在垂直方向的水温是不均匀的，上层水温高于下层水温，在此情况下，可分段写出类似式l一54的能量平衡方程。以两层为例，如图l一53所示，上层水参数以下标l表示，下层dZ参数以下标2表示。水箱上层的热平衡方式中左边是水箱下层水熔的变化率；右边第一项为上层水传给下层水的热量；第二项为集热器传给下层水的热量；第三项是负荷返回到下层水的热量；第四项是下层水返回到集热器的热量；第五项为下层水的热损失。用水作为贮热物质，设置贮热器的投资主要是容器与保温材料。同量热水，用——的贮热器优于多个小的贮热器，因前者表面积小，散热损失小，保温材料用量也少。到减少投资，在相同容积条件下，应采用表面员小的容积外形。[二)堆积床贮热当携热工质为空气时，如要把热贮存起来，最好是利用各种固体材料形成堆积床贮热装置。即将砾石、铸铁块或其他固体材料堆积放置在容器内，如图l一54所示。当热空气流经堆积床时，便对固体材料加热；在负荷需热时，又使冷空气通入取走热量。现在使用得最多的固体材料是砾石(将岩石破碎成块)或卵石，它价廉，可就地取材，其比热容量以》约为2000U／m3·k，约为水的一半，同时，这种接触式换热器具有较高的换热效率。为增大换热效率，砾石的直径应小些，以增大换热表面积，且温度梯度也要小。砾石直太小，会增大流动阻力。通常直径以2—5恤为宜。且尺寸均匀，使石块间的间隙均匀，可减少流动阻力。一般空隙率为30％。总之是砾石内部的导热热阻与砾石表面的对流换热以空气为传热介质的砾石床贮热器的太阳能系统如图1—55所示。该装置没有辅助能源及4个三通阀，可用于建筑供暖。有四种工作状态：①建筑无需供暖，集热器收集到的太阳能贮存于砾石床中；②建筑物需要供暖，集热器收集的热量直接通入采暖空间；②集热器得不到太阳能(如阴雨天或夜间)，建筑需要供暖可使用砾石床的贮存热，并可满足取暖要求；④如贮热器贮热不够或已用尽，可启动辅助能源来满足供暖要求。各工作状态都由适当操纵各三通阀来实现。堆积床热量传递可写成热平衡方程：前者的集热装置在建筑物旁的斜坡上，砾石床贮热器则设置在建筑物房间地板下面。该系统靠自然对流循环，无需风机，不耗费电力。后者是以砾石床和水箱共同贮热。集热器中的热水进入水箱，水箱通过散热将热量传给砾石床。在需热时，空气由风机驱动流过砾石床将热量取出，用来给建筑供暖c5利用地下土壤、岩石和水贮存太阳热能是一种与砾石床相类似的贮热器。在夏季将太阳能集热器收集到的热量贮存于地下(以空气或水为介质，通过埋于地下的管道传热)；冬季再将热能回收利用。计算和实验表明，能回收贮存热的90％。三、潜热热贮存它是利用贮热物质的相变过程来贮、放热。相变可以是熔解、汽化等物理过程，也可以是水化——脱水的化学反应过程。物质的潜热要比显热大得多，这可使贮热器的容积大为缩小．这意味着设备占地与投资的减少；物质的相变是在一定温度下进行的，变化范围极小，这个特性使得贮热器能保持基本恒定的热力效率与供热能力；有些相变物质价格不高，可以与显热贮存竞争。由于这些优点，潜热贮能越来越受到重视。各国都在进行广泛的研究试验。有些相变贮热装置已投入运行。使用最多的相变材料是含结晶水的无机盐类，此外，石腊和某些有机物，以及一些碱，盐和金属也可能作为相变贮热材料。对相变贮热材料的要求是：相变温度适宜；相变潜热高；相变是可逆的，重复循环变化不变质；液相和固相的导热系数和导沮系数高；密度大；比热大；相变体积变化小；蒸汽压低，最好能在常压下操作；无毒，无腐蚀性；无过冷现象。要完全满足上述要求的材料很难找到。在应用中最重要的是相变温度合适，相变浴热高和价格便宜。对于过冷和腐蚀也应给以足够重视。(一)贮热物质的性质对贮热的影响1．过冷当贮热物质在液相被冷却时，难于形成固相，甚至冷到正常的凝固温度以下仍不固化，一旦晶体形成，温度又恢复到凝固温度(液／固平衡温度)，这是一种一相过冷现象，如图1—58所示。另一种过冷现象是固相虽能在液相中形成，但形成的速率很低，放出的浴热比系统传出的热量少，致使系统平衡温度始终低于正常的相变温度7—，这种现象叫雨相过冷，如图l一59所示。可以看到系统平衡温度比正常凝固温度低A。过冷现象直接影响贮热器的放热速率与放热量。过冷程度大小和材料的性质、冷却速率及所含杂质的种类、多少有关。通常杂质含量越多，过冷程度越大。防止过冷的