太阳能热水器余热收集利用装置设计说明书

PAGEPAGE8太阳能热水器余热收集利用装置设计说明书摘要：该作品适用在各种已安装太阳能热水器的建筑上，可家用，可商用。若批量生产、安装，规模化效应将有更大地使用前景,是现有太阳能设备更进一步的发展。在原有太阳能热水器的基础上可实现低成本的改造,并集加热水、发电与一体，节约了更多的能源、设备成本，起到了能量“开源”的作用，对节能减排起到现实的意义。关键词：太阳能热水器低温斯特林低品位能源

作品内容1本作品的研究背景和科学意义目前，节能减排是我国各级政府强力推进的重大举措,全面贯彻落实科学发展观、促进经济又好又快发展的基本要求，而提出节能减排的一个重要发展方向是利用绿色能源以绿色科技为动力，提高节能减排效益，达到高效益、高产出生产模式。在能源利用的发展过程中，一方面沿着开发新能源的道路前进；而另外一个重要途径便是低品位能源的回收利用。热能根据其温度的高低可分为低品位能源和高品位能源，高品位的能源是指电力、机械功、燃气和液体燃料等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的，所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。低品位热能作为生活中随处可见的能量，空气中的热量、海水中的热量、企业生产过程中产生的低品位废热、甚至是汽车尾气排放的热量等，却难以被利用，颇为可惜。供冷供暖和供生活热水的能耗，用太阳能、地热能等低品位的能源供应可以达到相应效果，可我们大量使用的却是高品位的电能，一些地方直接用柴油或煤烧锅炉取暖或供热水，把高品位能源“大材小用”。高品位高在哪呢？譬如首先要挖出煤来，再运输到电厂，然后燃烧后发电，变电再变电，最后用电供热供生产，绕了一大圈，浪费了一大圈。这是巨大的资源浪费，70%的造成温室气体等污染，有效利用才30%。太阳能热转换效率能达到50%以上，而且太阳能是清洁无污染能源，取之不尽用之不竭。当前我国能源结构很不合理，我们必须深刻认识到高品位能源的有限性、低效性，并提高低品位能源在能源结构中的比例。目前，太阳能热水器被广泛的安装，为人们的生活带来了方便，同时也对减少传统矿石的燃烧、减少二氧化碳排放起到了一定作用。然而，太阳能热水器在阳光充足时，水温可升高到七八十度，夏季甚至可到达沸腾，远远超出了我们实际用水温度的需求，并可能造成设备损坏。此时，太阳能热水器的局限性便明显的体现了出来：当水温升高到一定温度时，对太阳能的吸收效率便直线下降，此时的太阳能热水器便几乎失去了本应拥有的功能。即使此时阳光的辐射量再大，可利用的也微乎其微。因此，我们想将这部分未被利用的太阳能收集并加以转化和利用，利用水的热泵功能，在利用这部分热能的同时，使得水温下降，从而继续吸收太阳能。在节约更多的不可再生能源消耗基础上，又可以将这些未被利用的能源继续以其他方式转化为我们能够应用的能源，这就是我们所要达到的目的。本项目的核心部件设计灵感来自于斯特林发动机，斯特林发动机是一种能以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机；或称为热气机。它是分布式能源系统中一种重要的能源转化装置，转化效率较高。斯特林发动机理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。并拥有可逆用地特点（可据此将其改造成制冷机）。外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。随着新能源的兴起，特别是与太阳能相结合斯特林发动机成为太阳能发电的一种重要方式。而国外对斯特林发电机的发展很成熟，90年代，美国斯特林能源系统公司和瑞典开始着手进行太阳能斯特林发电机的研发，并相继制作了碟式斯特林原型发电系统。经过近20年的发展，碟式斯特林发电系统无论在性能还是可靠性方面均取得了长足的进步，其主要部件动态式发电机也成为当今斯特林发电机领域的主流产品。但国内开发产品较少。近几年来，比较热门的属于低温差斯特林发动机。其中比较著名的当属于美国威斯康辛大学Senft教授研制的Ringbom斯特林发动机，只需要0.5度的温差就可以以每分钟60转的速度运行。日本人研制的150W级低温斯特林发动机，工作温差100度，指示效率为50％。由于低温斯特林发动机工作参数比较低，因此结构简单，造价便宜，寿命长，适用于废热回收利用。相对传统的内燃机，以低品位能源作为斯特林发动机的动力，从生态和可再生的角度，他们是最佳组合。与内燃机相比，斯特林发动机在应用方面可尽量小型化，没有阀门，不用气化和点火系统，成本最低。工作气体被密封在斯特林发动机里，发动机汽缸从外部加热。太阳能斯特林发动机绝对不需要传统内燃机的进气和排气阀门。因此，尽管斯特林发动机机械效率很高，却很简单。与太阳能光伏发电板等设备一起组成了太阳能利用方法的完整体系发电构成了，分别适应了不同的使用环境。斯特林发电机的原理：如图1整个缸体下部为热气室，上部为冷气室。首先对热气室进行加热到一定程度，当给活塞一个初速度（该启动部分装置目前仅在说明书下文做出了理论阐述，实际模型中尚未制作），气体在热气动力活塞往下运动将冷气室的气体压到热气室,气体在热气室受热膨胀推动活塞向上运动，当气体到达冷气室，气体冷却收缩室受热膨胀推动活塞向上运动气体冷却收缩，活塞缩回，又将气体压到热气室，这样就形成了一个往复运动从而可以产生动力，继而让这股动力带动连杆使转轮转动，这样就可以使热能转化为动能。斯特林发动机具有燃料来源广泛、热电转化效率高、运行平稳、可靠等优点，应用领域十分广泛。随着能源危机与环保的双重压力，基于斯特林技术开发的太阳能热电空调系统，将引领新一波新能源开发利用的高潮。2设计方案2．1理论计算解决问题：1.首先解决某地区年太阳能资源量的具体数值以兰州为例，兰州属于中国太阳能资源的二类地区，太阳能资源丰富，且未被利用的太阳能资源总量大，适于利用斯特林发电装置对太阳能热水器未被吸收的太阳能加以利用。查找相关资料可得一下数据：普通太阳能热水器真空管直径为58mm，长度为1800mm，有20根真空管，水箱体积为170L。而兰州一年的太阳能资源量如下表所示：兰州太阳能年辐射量年日照时间太阳能资源二类地区5860～6700*10³KJ/cm²3000～3200h取其辐射量平均值为628*104KJ/cm²，即628*1010KJ/m2。则计算太阳能热水器年吸热量Q吸=G*S=628*1010KJ/m2*3.14*20*0.058*1.8=411.74*1011KJ设气温平均为30℃，水箱内水温可上升到95Q水=C*M*ΔT=4200*170*65=4.641*107J固年吸热量Q年=Q水*365=1.694*107KJ查找资料可得太阳能热水器真空管吸热率为0.6则未被吸收太阳能Q剩=411.74*1011KJ*0.6-1.694*107KJ=247*1011KJ由以上数据可以得出太阳能热水器利用效果：年总吸热量年实际吸热量年未被利用能量247.044*1011KJ1.694*107KJ247*1011KJ在理想状态下，太阳能热水器实际利用效率是很低的，理论可以吸收的太阳能，大部分未被利用。如果可以将其利用发电，那么结果是比较客观的年未被利用的太阳能资源量为247*1011KJ=6.86*106KW/h以低温斯特林发动机为动力源进行发电，设低温斯特林发动机效率为10％，机械损失为90％，发电效率为15％，则可大致得到理论上年发电量为：理论年发电量=6.86*106KW/h*0.1*0.1*0.15=10290KW/h，即10290度电。但是考虑到实际效率可能远不能达到这个值，固应将其按折损处理估算得到约2000度电。按照一度电价格为0.52元计算，可得一下数据：年发电量（KW/h）所发电量价值（元）发电组件投入资金（元）200010401000由以上数据可以得到，每年发电量为2000度，电能价值1040元，减去初期投资1000元，则第二年便可获得收益。随着技术进步与大规模的推行，初期投资可以继续降低，使得该想法更具有可行性。2．2技术原理及模型制作。本项目原理是将热水从太阳能热水器的内置水箱中引入一个外接水箱，将斯特林发动机嵌入水箱，发动机底部导热金属接触热水吸热，发动机空气腔上部为冷腔，加装散热片，抑制冷腔温度升高而造成的转速降低。由斯特林发动机带动低阻尼发电机进行发电，电能经过恒压整流储存于蓄电池。随着水温所具有的热能被斯特林利用，水温降低，可以继续吸收太阳能。模型制作中，依然采用将热水从太阳能热水器的内置水箱中引入一个外接水箱，将斯特林发动机嵌入水箱，发动机底部导热金属接触热水吸热，发动机空气腔上部为冷腔，加装散热片，抑制冷腔温度升高而造成的转速降低。不同的是由于技术有限，无法让其直连低阻尼发电机，因此采用旋转磁场（斯特林发动机飞轮上粘贴钕铁硼磁铁）切割线圈组的方法模拟低阻尼发电机。发出的电将LED点亮作为实验效果的体现。电气箱的内部结构和功能：电气箱中主要包括以下几个部分：1.电流输入整流模块2.电压恒压模块3.蓄电池充电模块4.电流输出模块（如有需要可加逆变声音模块）电流输入整流模块：由于从斯特林发动机带动发电机发出的电为交流电，为输入储存，故首先需经过整流模块，将交流电转换为简单直流。电压恒压模块：当获得简单直流后，由于直流电压随发电机转速改变而改变，而要想蓄电池储存电能时，需要稳定的电压，故需恒压模块输出稳定电压值的电流。整流恒压电路如下所示：蓄电池充电模块：其核心部件为铅蓄电池，由于产出电能不能及时使用，剩余电能需储存。目前蓄电池时储存剩余电能最有效的装置之一，几个较低，性能可靠，可反复充放电。电流输出模块：有铅蓄电池输出所需直流电。如需使用交流电，则需外加逆变升压模块，利用逆变器将直流低电压转变为高压交流电（即220V、50Hz的交流电），供日常使用。3创新特色我国建筑能耗中80％是供冷供暖和供生活热水，我们大量使用高品位的化石燃料及电能，造成了自然资源的过度损耗和环境的污染，而用太阳能、地热能等低品位的能源可以达到相应效果，低品位热能作为生活中随处可见的能量，空气中的热量、海水中的热量、企业生产过程中产生的低品位废热、甚至是汽车尾气排放的热量等，却难以被利用，颇为可惜。斯特林发动机是利用低品位能源极高效的方法，目前斯特林发动机多应用为碟式太阳能斯特林发动机，适合于大规模发电．我们将其应用于日常生活中更为普遍存在的民用热水器，利用冷水和沸水的温差设计驱动发动机工作，再利用地下水的低温优点，或地下低温度环境辅助以高效节能无污染的自来水制冷系统，依据实际生产生活应用改装和综合其他设备，完成一个吸收低品位热能，无燃料、电力消耗发电，无温室气体排放降温的节能空调系统，既可降低不可再生能源损耗，又能达到充分利用新型能源、对减少温室气体排放，保护自然生态环境的积极作用。4应用前景该作品适用各种已安装太阳能热水器的建筑，可家用，可商用。在原有太阳能热水器的基础上可实现低成本的改造,并集加热水、发电与一体，节约更多能源、设备成本，起到了能量“开源”的作用，对节能减排起到现实的意义。若将其引入社区，规模化应用，效果更佳。另外，低温斯特林发动机若用于工业废热（如热电厂废蒸汽，温度范围在200至350度）回收发电，则实际效果尤为突出。随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机以其高效率、低噪音、低污染和低运行成本等优点,与太阳能相结合将是能源改革的重大突破另外，由于目前斯特林发动机在利用中还有许多问题亟需研究，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。我们的作品将是对其具体应用的实践，为其他科研开发人员提供参考，借以扩展斯特林技术的