李美玲，王喜明，劉小燕

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010010)

0 引 言

太陽能作為一種環(huán)境友好型的新能源，是未來可持續(xù)利用的壽命最久的一種綠色能源，我國可有效利用的太陽能資源很富饒，數(shù)據(jù)顯示，我國約有2/3的國土年輻射時(shí)間超過2 200 h，年輻射總量為3 340～8 400 MJ/m2。

我國大陸表層每年接收的太陽輻射能在0.5×1 020 kJ左右，全國的太陽年輻射能總計(jì)可達(dá)3 400～8 400 MJ/m2·a，中間值大約為5 900 MJ/m2·a。而內(nèi)蒙古能接收的太陽能輻射量很大，內(nèi)蒙地區(qū)的日照時(shí)數(shù)在3 000～3 200/(h/a)范圍內(nèi),平均日照百分率為67%,年總輻射量5 852～6 680 MJ/m2·a[1]。

國內(nèi)將木材干燥與太陽能利用結(jié)合的研究大多是單方面結(jié)合，比如太陽能一熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)，該技術(shù)可以減少CO2及其它有害物質(zhì)的排放，在節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)生物環(huán)境方面都有非常明顯的收益[2]，但在設(shè)備成本上有所增加并需要定額消耗一定的電力。還有一種集溫室型太陽能干燥室、太陽能發(fā)電及太陽能發(fā)電涉及的相關(guān)控制系統(tǒng)于一體的光電—光伏聯(lián)合木材太陽能干燥裝置，并進(jìn)一步說明了該綜合裝置的光熱、光電性能及所用試材在設(shè)備中進(jìn)行自然對流干燥和強(qiáng)制對流干燥時(shí)的一些特點(diǎn)[7-8]。但這些研究都只是將太陽能作為部分熱源，在干燥過程中還需要其他能源，且對干燥過程中產(chǎn)生的廢氣廢液等無后續(xù)的處理措施，而本研究將三種太陽能集熱方法綜合應(yīng)用于木材干燥系統(tǒng)中：即利用太陽能空氣集熱技術(shù)加熱進(jìn)入干燥室的空氣、利用太陽能光熱技術(shù)加熱水，利用太陽能光電技術(shù)為整個(gè)干燥系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)了木材干燥室的太陽能完全供熱，且對于廢氣廢液有回收利用措施，高效利用太陽能的同時(shí)，大大減輕了木材干燥過程中對環(huán)境的污染。

1 太陽能的應(yīng)用

太陽輻射能的直接利用，基本上有四種方式，應(yīng)用最多的是太陽能的光—熱轉(zhuǎn)換和太陽能的光—電轉(zhuǎn)換，其次還有太陽能的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換和太陽能的光—生物質(zhì)轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中的應(yīng)用為太陽能光—熱轉(zhuǎn)換和太陽能光—電轉(zhuǎn)換。

平板型太陽能空氣集熱器是一種利用空氣為熱媒的太陽能加熱裝置，太陽能空氣集熱器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，制作及維修成本低，無腐蝕防凍等問題，在與建筑結(jié)合等方面具有顯著優(yōu)勢，可應(yīng)用于立面系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)的安裝和使用。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況下，墻面損失的熱量被空氣集熱器再次吸收，經(jīng)循環(huán)重新回到室內(nèi)。

太陽能光伏發(fā)電利用的是太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，根據(jù)其應(yīng)用的場合不同，可將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的主要區(qū)別在于是否接入國家電網(wǎng)，離網(wǎng)系統(tǒng)多建于偏遠(yuǎn)地區(qū)，向獨(dú)立的區(qū)域用戶供電；并網(wǎng)系統(tǒng)具有對點(diǎn)額昂調(diào)峰、減少建設(shè)投入、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 太陽能綜合完全供熱木材干燥系統(tǒng)及其熱力計(jì)算

2.1 被干材種及干燥室干燥室尺寸

呼和浩特市某木材廠每年都要對鋸材進(jìn)行干燥，被干木材為馬尾松整邊板，初含水率為60%，終含水率為10%，材堆的外形尺寸以及材堆數(shù)：l=4.0 m，b=1.8 m，h=2.6 m，m=2。干燥周期為172 h，干燥室的內(nèi)部尺寸：l=9.5 m，b=2.8 m，h=4.3 m(風(fēng)機(jī)間的高度為1 m)。裝風(fēng)機(jī)數(shù)量為5個(gè)，功率為1.1 kW。

呼和浩特的年平均溫度為8 ℃，整年最冷月的平均溫度為-15 ℃，最低溫度為-41.5 ℃[參考文獻(xiàn)]。

2.2 太陽能空氣集熱器

太陽能集熱器采用平板型空氣集熱器，采用文獻(xiàn)[16]中集熱器面積為80 m2，空氣流速為2 m/s，空氣溫度為283 K，空氣流道厚度0.04 m，集熱面吸收率為 90%，集熱器效率0.646進(jìn)行計(jì)算[16]。

Q1=G均×A×η=3.5×104kJ/h

2.3 木材干燥室內(nèi)熱力計(jì)算

木材干燥室內(nèi)熱力計(jì)算，見表1。

表1 熱力計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)

2.4 儲水箱

根據(jù)太陽能干燥室系統(tǒng)的需要，增設(shè)一個(gè)尺寸為1×2×1(m3)，四面封閉，但頂部開有排氣孔的儲水箱。水箱以不銹鋼為基本框架，用酚醛泡沫與鍍鋅鋼板復(fù)合作為保溫材料層，形成一體化的保溫水箱[18]。在干燥室啟動(dòng)前，水箱中通入足量的冷水，并保持與自來水管的聯(lián)通，以便可以隨時(shí)進(jìn)行水量的補(bǔ)充，水箱中設(shè)有浮球閥，可自動(dòng)控制自來水龍頭的開與關(guān)，在水箱中進(jìn)水口及頂部放置有過濾吸附材料。

設(shè)廢氣所帶熱量為正常室干的56%[17]，q廢=q干×56%=9.5×104kJ/h

將廢氣通入儲水池后，可將水加熱的溫度t2(按回收率100%，管道熱損失5%，熱量吸收率30%，冷水溫度10℃技計(jì)算)

2.5 太陽能熱水器

將水箱中的水繼續(xù)通入太陽能熱水器中，并持續(xù)加熱到50 ℃，采用36管XK型一體式太陽能熱水器。該熱水器采用的納米變頻管—是一款由特硬玻璃和新工藝鍍膜而成的高效真空管集熱管，規(guī)格為55×1 800 mm，保溫時(shí)間超過80 h，水箱結(jié)構(gòu)上配有側(cè)溢流孔，側(cè)排氣，可集傳感、上水與排氣于一體，并配置電加熱孔，光照不充足時(shí)，可啟動(dòng)電加熱輔助，在系統(tǒng)集熱平板出口處安裝測溫元件，通過對溫度環(huán)境的控制，可使水箱溫度保持恒定，結(jié)構(gòu)如圖1所示，在本設(shè)計(jì)中，綜合考慮太陽能熱水器的使用壽命以及耗電情況，設(shè)定水箱溫度為50 ℃；支架材料為加厚加寬不銹鋼支架，厚度為14 mm，寬100 mm，反光傾角為41°。

圖1 定溫放水箱直流熱水系統(tǒng)

則需提供的熱量為：

Q需=ρ×c×V×(t2-t1)=5.6×104kJ

2.6 太陽能發(fā)電供熱鍋爐系統(tǒng)

常規(guī)干燥主要靠鍋爐供熱，根據(jù)需要為本干燥室配置一臺0.7 t/h(700 kg/h)的蒸汽鍋爐，其額定容量為1.0 t，額定蒸汽溫度可達(dá)119 ℃，熱效率可達(dá)98%。

將鍋爐中的水從50 ℃加熱到90 ℃所需要的熱量：

Q爐=cmΔt=1.18×105kJ

2.7 太陽能光伏供電系統(tǒng)

根據(jù)計(jì)算，一間干燥室裝配有五臺軸流式的通風(fēng)機(jī)，每一臺風(fēng)機(jī)需要的功率P1=1.1 kW,安裝功率為Pi=5.5 kW。鍋爐則采用功率為480 kW，蒸發(fā)量為0.7 t/h的電加熱鍋爐。

此次對于干燥室供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要針對鍋爐以及干燥室運(yùn)作，所需功率要求大于等于480 kW，故設(shè)計(jì)500 kWp的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

對于本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的模式，將整個(gè)系統(tǒng)分割成兩個(gè)250 kW的光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，每個(gè)光伏具有并網(wǎng)發(fā)電單元的遼闊電池組件采用串并聯(lián)結(jié)合使用的方式組成陣列，兩個(gè)光伏分系統(tǒng)是相互獨(dú)立運(yùn)行的，這樣方便進(jìn)行梯級層級控制，提高系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的效率[19]，太陽能光伏電池組件的峰值功率為165 Wp，具體計(jì)算步驟如下。

(1)250 kW并網(wǎng)逆變器最佳工作電壓點(diǎn)位DC560V的直流工作電壓正常范圍在DC450～880 V之間。

(2)太陽能光伏組件串聯(lián)的組件數(shù)量為：

NS=(560/23.5)±5=24塊

(3)考慮到溫度系數(shù)的變化，取十八塊光伏電池組合組件相串聯(lián)，單列的串聯(lián)功率為：

P=18×165(Wp)=2 970 W

(4)單臺250kw逆變器需要配置光伏電池組件關(guān)聯(lián)的數(shù)量為：

NP=250 000/2970≈85列

(5)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)的日輻射量確定太陽能光伏陣列的安裝角度為41°。

(6)太陽能光伏陣列的布置

光伏電池組件陳列間距的計(jì)算，確定光伏組件陳列間距時(shí)要考慮陣列與陣列間的遮陰，用下式計(jì)算間距D:

D=0.707H/{tan[arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)]}

經(jīng)計(jì)算得D=5.37 m，取光伏電池組件陣列間距為5.5 m。

即500 KWp光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)共需要3 060塊發(fā)電峰值功率為165 Wp的多晶硅光伏電池組件，每十八塊光伏電池組件組成一個(gè)串聯(lián)，共170列支路并聯(lián)。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過將木材干燥供水供熱供電環(huán)節(jié)，與太陽能熱水器及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，將干燥室內(nèi)的水以及排出的濕蒸汽通入到儲水箱中進(jìn)行熱量的傳遞，再經(jīng)過太陽能熱水器加熱并且穩(wěn)定在50 ℃，通過電加熱鍋爐直接加熱到干燥室所需的溫度供干燥室使用，形成一條完整的水循環(huán)系統(tǒng)，大大減少了水資源的消耗。雖然中間環(huán)節(jié)增多，但都有極其重要的作用，儲水箱不僅可以吸收干燥時(shí)排除熱氣所攜帶的熱量，還能吸收一部分干燥廢氣/廢液中所攜帶的有害物質(zhì)；經(jīng)過太陽能熱水器則是充分利用了太陽能資源，減小了電鍋爐從十幾度直接加熱到一百度左右所需的加熱功率，大大降低了能耗，且鍋爐供電采用的是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用，也提高了資源的利用率，同時(shí)減少在干燥過程中對環(huán)境產(chǎn)生的污染，實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能環(huán)保綠色干燥。