太陽能熱水器余熱收集利用裝置設(shè)計說明書

PAGEPAGE8太陽能熱水器余熱收集利用裝置設(shè)計說明書摘要：該作品適用在各種已安裝太陽能熱水器的建筑上，可家用，可商用。若批量生產(chǎn)、安裝，規(guī)?；?yīng)將有更大地使用前景,是現(xiàn)有太陽能設(shè)備更進一步的發(fā)展。在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)低成本的改造,并集加熱水、發(fā)電與一體，節(jié)約了更多的能源、設(shè)備成本，起到了能量“開源”的作用，對節(jié)能減排起到現(xiàn)實的意義。關(guān)鍵詞：太陽能熱水器低溫斯特林低品位能源

作品內(nèi)容1本作品的研究背景和科學(xué)意義目前，節(jié)能減排是我國各級政府強力推進的重大舉措,全面貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、促進經(jīng)濟又好又快發(fā)展的基本要求，而提出節(jié)能減排的一個重要發(fā)展方向是利用綠色能源以綠色科技為動力，提高節(jié)能減排效益，達到高效益、高產(chǎn)出生產(chǎn)模式。在能源利用的發(fā)展過程中，一方面沿著開發(fā)新能源的道路前進；而另外一個重要途徑便是低品位能源的回收利用。熱能根據(jù)其溫度的高低可分為低品位能源和高品位能源，高品位的能源是指電力、機械功、燃氣和液體燃料等，是相對那些不易利用的易造成浪費的能源而言的，所謂低品位能源包括熱能、生物能等，二者之間是可以互相轉(zhuǎn)化的。低品位熱能作為生活中隨處可見的能量，空氣中的熱量、海水中的熱量、企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低品位廢熱、甚至是汽車尾氣排放的熱量等，卻難以被利用，頗為可惜。供冷供暖和供生活熱水的能耗，用太陽能、地熱能等低品位的能源供應(yīng)可以達到相應(yīng)效果，可我們大量使用的卻是高品位的電能，一些地方直接用柴油或煤燒鍋爐取暖或供熱水，把高品位能源“大材小用”。高品位高在哪呢？譬如首先要挖出煤來，再運輸?shù)诫姀S，然后燃燒后發(fā)電，變電再變電，最后用電供熱供生產(chǎn)，繞了一大圈，浪費了一大圈。這是巨大的資源浪費，70%的造成溫室氣體等污染，有效利用才30%。太陽能熱轉(zhuǎn)換效率能達到50%以上，而且太陽能是清潔無污染能源，取之不盡用之不竭。當前我國能源結(jié)構(gòu)很不合理，我們必須深刻認識到高品位能源的有限性、低效性，并提高低品位能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例。目前，太陽能熱水器被廣泛的安裝，為人們的生活帶來了方便，同時也對減少傳統(tǒng)礦石的燃燒、減少二氧化碳排放起到了一定作用。然而，太陽能熱水器在陽光充足時，水溫可升高到七八十度，夏季甚至可到達沸騰，遠遠超出了我們實際用水溫度的需求，并可能造成設(shè)備損壞。此時，太陽能熱水器的局限性便明顯的體現(xiàn)了出來：當水溫升高到一定溫度時，對太陽能的吸收效率便直線下降，此時的太陽能熱水器便幾乎失去了本應(yīng)擁有的功能。即使此時陽光的輻射量再大，可利用的也微乎其微。因此，我們想將這部分未被利用的太陽能收集并加以轉(zhuǎn)化和利用，利用水的熱泵功能，在利用這部分熱能的同時，使得水溫下降，從而繼續(xù)吸收太陽能。在節(jié)約更多的不可再生能源消耗基礎(chǔ)上，又可以將這些未被利用的能源繼續(xù)以其他方式轉(zhuǎn)化為我們能夠應(yīng)用的能源，這就是我們所要達到的目的。本項目的核心部件設(shè)計靈感來自于斯特林發(fā)動機，斯特林發(fā)動機是一種能以多種燃料為能源的閉循環(huán)回熱式發(fā)動機；或稱為熱氣機。它是分布式能源系統(tǒng)中一種重要的能源轉(zhuǎn)化裝置，轉(zhuǎn)化效率較高。斯特林發(fā)動機理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率。并擁有可逆用地特點（可據(jù)此將其改造成制冷機）。外燃機避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的震爆做功問題，從而實現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各種可燃氣體，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。外燃機最大的優(yōu)點是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。隨著新能源的興起，特別是與太陽能相結(jié)合斯特林發(fā)動機成為太陽能發(fā)電的一種重要方式。而國外對斯特林發(fā)電機的發(fā)展很成熟，90年代，美國斯特林能源系統(tǒng)公司和瑞典開始著手進行太陽能斯特林發(fā)電機的研發(fā)，并相繼制作了碟式斯特林原型發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)過近20年的發(fā)展，碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)無論在性能還是可靠性方面均取得了長足的進步，其主要部件動態(tài)式發(fā)電機也成為當今斯特林發(fā)電機領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。但國內(nèi)開發(fā)產(chǎn)品較少。近幾年來，比較熱門的屬于低溫差斯特林發(fā)動機。其中比較著名的當屬于美國威斯康辛大學(xué)Senft教授研制的Ringbom斯特林發(fā)動機，只需要0.5度的溫差就可以以每分鐘60轉(zhuǎn)的速度運行。日本人研制的150W級低溫斯特林發(fā)動機，工作溫差100度，指示效率為50％。由于低溫斯特林發(fā)動機工作參數(shù)比較低，因此結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，壽命長，適用于廢熱回收利用。相對傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，以低品位能源作為斯特林發(fā)動機的動力，從生態(tài)和可再生的角度，他們是最佳組合。與內(nèi)燃機相比，斯特林發(fā)動機在應(yīng)用方面可盡量小型化，沒有閥門，不用氣化和點火系統(tǒng)，成本最低。工作氣體被密封在斯特林發(fā)動機里，發(fā)動機汽缸從外部加熱。太陽能斯特林發(fā)動機絕對不需要傳統(tǒng)內(nèi)燃機的進氣和排氣閥門。因此，盡管斯特林發(fā)動機機械效率很高，卻很簡單。與太陽能光伏發(fā)電板等設(shè)備一起組成了太陽能利用方法的完整體系發(fā)電構(gòu)成了，分別適應(yīng)了不同的使用環(huán)境。斯特林發(fā)電機的原理：如圖1整個缸體下部為熱氣室，上部為冷氣室。首先對熱氣室進行加熱到一定程度，當給活塞一個初速度（該啟動部分裝置目前僅在說明書下文做出了理論闡述，實際模型中尚未制作），氣體在熱氣動力活塞往下運動將冷氣室的氣體壓到熱氣室,氣體在熱氣室受熱膨脹推動活塞向上運動，當氣體到達冷氣室，氣體冷卻收縮室受熱膨脹推動活塞向上運動氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，這樣就形成了一個往復(fù)運動從而可以產(chǎn)生動力，繼而讓這股動力帶動連桿使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，這樣就可以使熱能轉(zhuǎn)化為動能。斯特林發(fā)動機具有燃料來源廣泛、熱電轉(zhuǎn)化效率高、運行平穩(wěn)、可靠等優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。隨著能源危機與環(huán)保的雙重壓力，基于斯特林技術(shù)開發(fā)的太陽能熱電空調(diào)系統(tǒng)，將引領(lǐng)新一波新能源開發(fā)利用的高潮。2設(shè)計方案2．1理論計算解決問題：1.首先解決某地區(qū)年太陽能資源量的具體數(shù)值以蘭州為例，蘭州屬于中國太陽能資源的二類地區(qū)，太陽能資源豐富，且未被利用的太陽能資源總量大，適于利用斯特林發(fā)電裝置對太陽能熱水器未被吸收的太陽能加以利用。查找相關(guān)資料可得一下數(shù)據(jù)：普通太陽能熱水器真空管直徑為58mm，長度為1800mm，有20根真空管，水箱體積為170L。而蘭州一年的太陽能資源量如下表所示：蘭州太陽能年輻射量年日照時間太陽能資源二類地區(qū)5860～6700*103KJ/cm23000～3200h取其輻射量平均值為628*104KJ/cm2，即628*1010KJ/m2。則計算太陽能熱水器年吸熱量Q吸=G*S=628*1010KJ/m2*3.14*20*0.058*1.8=411.74*1011KJ設(shè)氣溫平均為30℃，水箱內(nèi)水溫可上升到95Q水=C*M*ΔT=4200*170*65=4.641*107J固年吸熱量Q年=Q水*365=1.694*107KJ查找資料可得太陽能熱水器真空管吸熱率為0.6則未被吸收太陽能Q剩=411.74*1011KJ*0.6-1.694*107KJ=247*1011KJ由以上數(shù)據(jù)可以得出太陽能熱水器利用效果：年總吸熱量年實際吸熱量年未被利用能量247.044*1011KJ1.694*107KJ247*1011KJ在理想狀態(tài)下，太陽能熱水器實際利用效率是很低的，理論可以吸收的太陽能，大部分未被利用。如果可以將其利用發(fā)電，那么結(jié)果是比較客觀的年未被利用的太陽能資源量為247*1011KJ=6.86*106KW/h以低溫斯特林發(fā)動機為動力源進行發(fā)電，設(shè)低溫斯特林發(fā)動機效率為10％，機械損失為90％，發(fā)電效率為15％，則可大致得到理論上年發(fā)電量為：理論年發(fā)電量=6.86*106KW/h*0.1*0.1*0.15=10290KW/h，即10290度電。但是考慮到實際效率可能遠不能達到這個值，固應(yīng)將其按折損處理估算得到約2000度電。按照一度電價格為0.52元計算，可得一下數(shù)據(jù)：年發(fā)電量（KW/h）所發(fā)電量價值（元）發(fā)電組件投入資金（元）200010401000由以上數(shù)據(jù)可以得到，每年發(fā)電量為2000度，電能價值1040元，減去初期投資1000元，則第二年便可獲得收益。隨著技術(shù)進步與大規(guī)模的推行，初期投資可以繼續(xù)降低，使得該想法更具有可行性。2．2技術(shù)原理及模型制作。本項目原理是將熱水從太陽能熱水器的內(nèi)置水箱中引入一個外接水箱，將斯特林發(fā)動機嵌入水箱，發(fā)動機底部導(dǎo)熱金屬接觸熱水吸熱，發(fā)動機空氣腔上部為冷腔，加裝散熱片，抑制冷腔溫度升高而造成的轉(zhuǎn)速降低。由斯特林發(fā)動機帶動低阻尼發(fā)電機進行發(fā)電，電能經(jīng)過恒壓整流儲存于蓄電池。隨著水溫所具有的熱能被斯特林利用，水溫降低，可以繼續(xù)吸收太陽能。模型制作中，依然采用將熱水從太陽能熱水器的內(nèi)置水箱中引入一個外接水箱，將斯特林發(fā)動機嵌入水箱，發(fā)動機底部導(dǎo)熱金屬接觸熱水吸熱，發(fā)動機空氣腔上部為冷腔，加裝散熱片，抑制冷腔溫度升高而造成的轉(zhuǎn)速降低。不同的是由于技術(shù)有限，無法讓其直連低阻尼發(fā)電機，因此采用旋轉(zhuǎn)磁場（斯特林發(fā)動機飛輪上粘貼釹鐵硼磁鐵）切割線圈組的方法模擬低阻尼發(fā)電機。發(fā)出的電將LED點亮作為實驗效果的體現(xiàn)。電氣箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能：電氣箱中主要包括以下幾個部分：1.電流輸入整流模塊2.電壓恒壓模塊3.蓄電池充電模塊4.電流輸出模塊（如有需要可加逆變聲音模塊）電流輸入整流模塊：由于從斯特林發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)出的電為交流電，為輸入儲存，故首先需經(jīng)過整流模塊，將交流電轉(zhuǎn)換為簡單直流。電壓恒壓模塊：當獲得簡單直流后，由于直流電壓隨發(fā)電機轉(zhuǎn)速改變而改變，而要想蓄電池儲存電能時，需要穩(wěn)定的電壓，故需恒壓模塊輸出穩(wěn)定電壓值的電流。整流恒壓電路如下所示：蓄電池充電模塊：其核心部件為鉛蓄電池，由于產(chǎn)出電能不能及時使用，剩余電能需儲存。目前蓄電池時儲存剩余電能最有效的裝置之一，幾個較低，性能可靠，可反復(fù)充放電。電流輸出模塊：有鉛蓄電池輸出所需直流電。如需使用交流電，則需外加逆變升壓模塊，利用逆變器將直流低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏航涣麟姡?20V、50Hz的交流電），供日常使用。3創(chuàng)新特色我國建筑能耗中80％是供冷供暖和供生活熱水，我們大量使用高品位的化石燃料及電能，造成了自然資源的過度損耗和環(huán)境的污染，而用太陽能、地熱能等低品位的能源可以達到相應(yīng)效果，低品位熱能作為生活中隨處可見的能量，空氣中的熱量、海水中的熱量、企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低品位廢熱、甚至是汽車尾氣排放的熱量等，卻難以被利用，頗為可惜。斯特林發(fā)動機是利用低品位能源極高效的方法，目前斯特林發(fā)動機多應(yīng)用為碟式太陽能斯特林發(fā)動機，適合于大規(guī)模發(fā)電．我們將其應(yīng)用于日常生活中更為普遍存在的民用熱水器，利用冷水和沸水的溫差設(shè)計驅(qū)動發(fā)動機工作，再利用地下水的低溫優(yōu)點，或地下低溫度環(huán)境輔助以高效節(jié)能無污染的自來水制冷系統(tǒng)，依據(jù)實際生產(chǎn)生活應(yīng)用改裝和綜合其他設(shè)備，完成一個吸收低品位熱能，無燃料、電力消耗發(fā)電，無溫室氣體排放降溫的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，既可降低不可再生能源損耗，又能達到充分利用新型能源、對減少溫室氣體排放，保護自然生態(tài)環(huán)境的積極作用。4應(yīng)用前景該作品適用各種已安裝太陽能熱水器的建筑，可家用，可商用。在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)低成本的改造,并集加熱水、發(fā)電與一體，節(jié)約更多能源、設(shè)備成本，起到了能量“開源”的作用，對節(jié)能減排起到現(xiàn)實的意義。若將其引入社區(qū)，規(guī)?；瘧?yīng)用，效果更佳。另外，低溫斯特林發(fā)動機若用于工業(yè)廢熱（如熱電廠廢蒸汽，溫度范圍在200至350度）回收發(fā)電，則實際效果尤為突出。隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴峻，斯特林發(fā)動機以其高效率、低噪音、低污染和低運行成本等優(yōu)點,與太陽能相結(jié)合將是能源改革的重大突破另外，由于目前斯特林發(fā)動機在利用中還有許多問題亟需研究，例如膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動機的2-3倍等。我們的作品將是對其具體應(yīng)用的實踐，為其他科研開發(fā)人員提供參考，借以擴展斯特林技術(shù)的