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PAGEPAGE8太陽(yáng)能熱水器余熱收集利用裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要:該作品適用在各種已安裝太陽(yáng)能熱水器的建筑上,可家用,可商用。若批量生產(chǎn)、安裝,規(guī)模化效應(yīng)將有更大地使用前景,是現(xiàn)有太陽(yáng)能設(shè)備更進(jìn)一步的發(fā)展。在原有太陽(yáng)能熱水器的基礎(chǔ)上可實(shí)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(kāi)源”的作用,對(duì)節(jié)能減排起到現(xiàn)實(shí)的意義。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)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(guó)各級(jí)政府強(qiáng)力推進(jìn)的重大舉措,全面貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的基本要求,而提出節(jié)能減排的一個(gè)重要發(fā)展方向是利用綠色能源以綠色科技為動(dòng)力,提高節(jié)能減排效益,達(dá)到高效益、高產(chǎn)出生產(chǎn)模式。在能源利用的發(fā)展過(guò)程中,一方面沿著開(kāi)發(fā)新能源的道路前進(jìn);而另外一個(gè)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(jī)械功、燃?xì)夂鸵后w燃料等,是相對(duì)那些不易利用的易造成浪費(fèi)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(jiàn)的能量,空氣中的熱量、海水中的熱量、企業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺坏哪茉垂?yīng)可以達(dá)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(lái),再運(yùn)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(fèi)了一大圈。這是巨大的資源浪費(fèi),70%的造成溫室氣體等污染,有效利用才30%。太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到50%以上,而且太陽(yáng)能是清潔無(wú)污染能源,取之不盡用之不竭。當(dāng)前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)很不合理,我們必須深刻認(rèn)識(shí)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(yáng)能熱水器被廣泛的安裝,為人們的生活帶來(lái)了方便,同時(shí)也對(duì)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(yáng)能熱水器在陽(yáng)光充足時(shí),水溫可升高到七八十度,夏季甚至可到達(dá)沸騰,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們實(shí)際用水溫度的需求,并可能造成設(shè)備損壞。此時(shí),太陽(yáng)能熱水器的局限性便明顯的體現(xiàn)了出來(lái):當(dāng)水溫升高到一定溫度時(shí),對(duì)太陽(yáng)能的吸收效率便直線下降,此時(shí)的太陽(yáng)能熱水器便幾乎失去了本應(yīng)擁有的功能。即使此時(shí)陽(yáng)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(yáng)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(shí),使得水溫下降,從而繼續(xù)吸收太陽(yáng)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(dá)到的目的。本項(xiàng)目的核心部件設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種能以多種燃料為能源的閉循環(huán)回?zé)崾桨l(fā)動(dòng)機(jī);或稱為熱氣機(jī)。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(dòng)機(jī)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(diǎn)(可據(jù)此將其改造成制冷機(jī))。外燃機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w,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(yáng)能等。外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)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(yáng)能相結(jié)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)成為太陽(yáng)能發(fā)電的一種重要方式。而國(guó)外對(duì)斯特林發(fā)電機(jī)的發(fā)展很成熟,90年代,美國(guó)斯特林能源系統(tǒng)公司和瑞典開(kāi)始著手進(jìn)行太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)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(guò)近20年的發(fā)展,碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論在性能還是可靠性方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,其主要部件動(dòng)態(tài)式發(fā)電機(jī)也成為當(dāng)今斯特林發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。但國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品較少。近幾年來(lái),比較熱門的屬于低溫差斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。其中比較著名的當(dāng)屬于美國(guó)威斯康辛大學(xué)Senft教授研制的Ringbom斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),只需要0.5度的溫差就可以以每分鐘60轉(zhuǎn)的速度運(yùn)行。日本人研制的150W級(jí)低溫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),工作溫差100度,指示效率為50%。由于低溫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)比較低,因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜,壽命長(zhǎng),適用于廢熱回收利用。相對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī),以低品位能源作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力,從生態(tài)和可再生的角度,他們是最佳組合。與內(nèi)燃機(jī)相比,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用方面可盡量小型化,沒(méi)有閥門,不用氣化和點(diǎn)火系統(tǒng),成本最低。工作氣體被密封在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)里,發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸從外部加熱。太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)不需要傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣和排氣閥門。因此,盡管斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率很高,卻很簡(jiǎn)單。與太陽(yáng)能光伏發(fā)電板等設(shè)備一起組成了太陽(yáng)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(jī)的原理:如圖1整個(gè)缸體下部為熱氣室,上部為冷氣室。首先對(duì)熱氣室進(jìn)行加熱到一定程度,當(dāng)給活塞一個(gè)初速度(該啟動(dòng)部分裝置目前僅在說(shuō)明書(shū)下文做出了理論闡述,實(shí)際模型中尚未制作),氣體在熱氣動(dòng)力活塞往下運(yùn)動(dòng)將冷氣室的氣體壓到熱氣室,氣體在熱氣室受熱膨脹推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),當(dāng)氣體到達(dá)冷氣室,氣體冷卻收縮室受熱膨脹推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)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(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而可以產(chǎn)生動(dòng)力,繼而讓這股動(dòng)力帶動(dòng)連桿使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng),這樣就可以使熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有燃料來(lái)源廣泛、熱電轉(zhuǎn)化效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。隨著能源危機(jī)與環(huán)保的雙重壓力,基于斯特林技術(shù)開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能熱電空調(diào)系統(tǒng),將引領(lǐng)新一波新能源開(kāi)發(fā)利用的高潮。2設(shè)計(jì)方案2.1理論計(jì)算解決問(wèn)題:1.首先解決某地區(qū)年太陽(yáng)能資源量的具體數(shù)值以蘭州為例,蘭州屬于中國(guó)太陽(yáng)能資源的二類地區(qū),太陽(yáng)能資源豐富,且未被利用的太陽(yáng)能資源總量大,適于利用斯特林發(fā)電裝置對(duì)太陽(yáng)能熱水器未被吸收的太陽(yáng)能加以利用。查找相關(guān)資料可得一下數(shù)據(jù):普通太陽(yáng)能熱水器真空管直徑為58mm,長(zhǎng)度為1800mm,有20根真空管,水箱體積為170L。而蘭州一年的太陽(yáng)能資源量如下表所示:蘭州太陽(yáng)能年輻射量年日照時(shí)間太陽(yáng)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(jì)算太陽(yáng)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(yáng)能熱水器真空管吸熱率為0.6則未被吸收太陽(yáng)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(yáng)能熱水器利用效果:年總吸熱量年實(shí)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(yáng)能熱水器實(shí)際利用效率是很低的,理論可以吸收的太陽(yáng)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(yáng)能資源量為247*1011KJ=6.86*106KW/h以低溫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源進(jìn)行發(fā)電,設(shè)低溫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)效率為10%,機(jī)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(shí)際效率可能遠(yuǎn)不能達(dá)到這個(gè)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(jià)格為0.52元計(jì)算,可得一下數(shù)據(jù):年發(fā)電量(KW/h)所發(fā)電量?jī)r(jià)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(jià)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(jìn)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(xiàng)目原理是將熱水從太陽(yáng)能熱水器的內(nèi)置水箱中引入一個(gè)外接水箱,將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入水箱,發(fā)動(dòng)機(jī)底部導(dǎo)熱金屬接觸熱水吸熱,發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)低阻尼發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,電能經(jīng)過(guò)恒壓整流儲(chǔ)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(yáng)能。模型制作中,依然采用將熱水從太陽(yáng)能熱水器的內(nèi)置水箱中引入一個(gè)外接水箱,將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入水箱,發(fā)動(dòng)機(jī)底部導(dǎo)熱金屬接觸熱水吸熱,發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)法讓其直連低阻尼發(fā)電機(jī),因此采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)。發(fā)出的電將LED點(diǎn)亮作為實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電為交流電,為輸入儲(chǔ)存,故首先需經(jīng)過(guò)整流模塊,將交流電轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單直流。電壓恒壓模塊:當(dāng)獲得簡(jiǎn)單直流后,由于直流電壓隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變而改變,而要想蓄電池儲(chǔ)存電能時(shí),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(shí)使用,剩余電能需儲(chǔ)存。目前蓄電池時(shí)儲(chǔ)存剩余電能最有效的裝置之一,幾個(gè)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(guó)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(guò)度損耗和環(huán)境的污染,而用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺坏哪茉纯梢赃_(dá)到相應(yīng)效果,低品位熱能作為生活中隨處可見(jiàn)的能量,空氣中的熱量、海水中的熱量、企業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(dòng)機(jī)是利用低品位能源極高效的方法,目前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)多應(yīng)用為碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),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(jì)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作,再利用地下水的低溫優(yōu)點(diǎn),或地下低溫度環(huán)境輔助以高效節(jié)能無(wú)污染的自來(lái)水制冷系統(tǒng),依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用改裝和綜合其他設(shè)備,完成一個(gè)吸收低品位熱能,無(wú)燃料、電力消耗發(fā)電,無(wú)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(dá)到充分利用新型能源、對(duì)減少溫室氣體排放,保護(hù)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(yáng)能熱水器的建筑,可家用,可商用。在原有太陽(yáng)能熱水器的基礎(chǔ)上可實(shí)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(kāi)源”的作用,對(duì)節(jié)能減排起到現(xiàn)實(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)際效果尤為突出。隨著全球能源與環(huán)保的形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以其高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn),與太陽(yáng)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(dòng)機(jī)在利用中還有許多問(wèn)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(dòng)機(jī)的2-3倍等。我們的作品將是對(duì)其具體應(yīng)用的實(shí)踐,為其他科研開(kāi)發(fā)人員提供參考,借以擴(kuò)展斯特林技術(shù)的
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