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太阳能热水系统结合光伏浮动盖减少蒸发的实验结果与建模
摘要
由于智利北部的干旱条件限制了水和能源的获取，这份报告描述了利用太阳能热水系统结合浮动盖和光伏电池解决相关问题的实验记录。实验选取两个相同的含有被太阳能集热器加热的封闭循环流体盘管的池塘用于储水，对其中一个加热，另一个不加热。为了使水蒸发量最小化，两个池塘与空气接触的表面被顶部的光伏电池覆盖，以提供用于水泵和系统辅助装置的能量。依据8个月的连续操作中的实验气象数据的热量传递模型，实验结果证明预测日平均水温值与测量数据保持高度一致。相对于未覆盖的池塘，具有浮动覆盖物的池塘水减少了超过90％的蒸发量。 此外，放置在浮动盖上的光伏电池产生的能量转换到电功率高达68Wp / ，且在池塘中测量的每日水太阳能加热的全球平均值为420 kWH / 。
- 简介
智利北部，特别是阿塔卡马沙漠，是世界上最活跃的矿产地区之一，盛产铜，碘和几种无机盐（锂，钾，硝酸盐等）。 由于受到高达2500 kWH / 全球辐射的影响[1]。稀缺的水资源和其他常规能源（如石油，煤和天然气）几乎完全依赖外部能源投入。在这种能量限制的背景下，在世界上太阳辐射的连续性和强度最高的区域中，太阳能的替代成为一种选择。同时，任何开放式水存储器都在经受极高的水蒸发损失。因此针对水资源的稀缺，通过减少蒸发来减少水损失是非常必要的。而这项研究正是要解决这两个问题。
在这方面，该地区的矿业公司认识到纳入更有效地利用水资源和利用太阳辐射作为其生产过程能源技术的重要性[2]。包括照明，中低等重量负载的运输，为具有中低等能量需求的电力系统和电气设备供电，部分加热方案和纯水供应等方面都可用太阳能支持。在铜矿开采特别是在加热电解液和洗涤铜阴极的解决方案方面使用太阳能具有显着的潜力[3]。为了提高硫化矿物的浸出效率，需要高温来改善矿物析出过程，如浸出，因为提取量随温度升高而增大[4]，通常通过直接燃烧化石燃料将热传递到溶液或水中以减少经济和环境成本。这项工作研究了太阳能热水系统的效率，该系统在太阳能电池板和水池之间的闭合回路中使用中间载热流体，同时考虑用蒸发和光伏发电的最小水损失作为实现可持续性和成本效益操作的补充标准。因此，这种创新方案的具体特性是：a）为加热系统的辅助设备（如测量设备，照明和循环泵）提供补充能量，即光伏能量，b）系统 提供了基于使用高密度聚乙烯浮动盖的水蒸发减缓技术。
减少水蒸发的研究已经尝试了不同浮游对象的使用，其结果已经在文献中[5-7]中报道。其中一些实验结果表明使用某些对象能减少蒸发效率至60％[7]。在当地干旱、廉价的土地成本和偏远的城市中心的条件下，使用太阳能光伏板系统和HPDE浮动模块作为智利北部矿物加工厂太阳能热水器板补充配件的替换方案在技术和经济上都是可行的。 有趣的是，除了反映在连续操作期间发生的池水位变化之外，浮动模块还在高风阵的普遍局部条件下操作非常方便。最近，在农业方面，综合浮动盖和光伏板的项目在太阳能试验工厂中投入使用 [8]。在这个工厂中，光伏板固定在高密度聚乙烯模块的自由表面上，模块则浮在水面储层上用于农业灌溉。因此，在该系统中，通过具有浮动模块的储层水表面积的7％覆盖的水蒸发减少与光伏能量产生组合。在进一步的工作中，在池塘的全表面积覆盖下进行技术经济分析[9]。
在相关文献中已经报道了涉及浮动光伏板的其它研究工作，主要受土地可用性的限制。 结果表明，这些面板与安装在地面上的光伏板相比效率更高[10-12]。
在流体储存太阳能的系统相关文献中，大多数考虑使用太阳池。早期的工作[13-15]研究了稳态太阳池，目的是模拟温度的分层作为池塘深度的函数。 最近的研究[16-22]已经面向这种类型的系统进行动态评估。 一般来说，这些研究能正确地预测太阳池不同温度区的温度分布，且实验测量结果良好。
考虑类似本研究的有关系统中提出的信息，实验中试工厂研究的目的是在水蒸发减少和光伏发电条件下评估太阳能热水系统在小型和中型的采矿业中的应用。这些条件与局部严重缺水和太阳能高可用性的情况相适应。该评估每天参考稳态模型。仔细选择内部和外部液体 - 固体和固体 - 空气边界的热和质量传递相关书目并在适当的数值程序中运行。这种分析将允许在操作的设计和/或条件中可能修改的背景下对系统的行为检查，而不需要进行长时间常规正确评估的实验研究。
这个系统的新颖性是水池中水蒸发的综合减少，由PV电池产生的电能和通过太阳能加热水。这些水塘被采矿业和一些干旱地区的农民高度使用，如安东法加斯塔。由于干燥的气候连同高的太阳辐射在这种系统中产生非常高的水蒸发，该系统意味着高效的水节约率。
2. 实验部分
2.1 太阳能系统和浮动元件的设计
拟采取的储能系统安装在智利大学安东法加斯塔大学的校园（纬度23/经度70W）。 该系统由两个彼此独立操作的储水池组成。 其中一个不加热用作空白，即作加热池塘的比较参考。 两个池塘都是矩形的并且具有相同的尺寸：2.51m长（）和1.12m宽（），两个池塘中的水深为0.40m（）。 图1详细示出了池塘的尺寸。
池塘由玻璃制成并有一层聚酯纤维块330绝缘层。 池壁为0.005mu;m厚（），绝缘层为0.11mu;m厚（）（图1）。 池塘由一个金属结构支撑，使它们保持在0.6m高。
为了减少蒸发的水损失，将浮动物体放置在两个池塘水的表面上。 每个浮动物体由高密度聚乙烯制成并且覆盖池塘约95%的横截面积。在本研究中使用的浮动元件是棱柱形，具有以下尺寸：长2.47m（），宽1.08m（），高0.1m（）（图1）。
浮动物体为5毫米厚，中间用空气填充以保证浮力，这部分高度为0.09米（）（图1）。
两个池塘的区别在于一个具有由池塘内的盘管和两个太阳能收集器组成的外部加热系统，另一个没有。线圈包含热载体流体（即蒸馏水），将由收集器吸收的太阳能传输到存储在池塘中的流体。 线圈由固定在池塘底部的退火铜制成。 它长为9m，内径为8mm。 图2显示了具有加热系统的池塘的最终配置。
热载体流体通过连接到太阳能供电系统的电磁泵（Tekna Evo，型号803 AKS）以25L / h的恒定速率泵送通过线圈。
池塘有一个由作者开发并获得专利[23]的蒸发测量系统， 该系统通过确定池塘中的池水位变化和蒸发的水量自动定位来测量蒸发。
太阳能收集器（Strke）具有连接到100L不锈钢罐的15个真空管（直径5.8厘米ⅹ长度1米）。太阳能供电系统包含两个灵活的光伏面板（SOLOPOWER SP1-95）（表1），位于产生电能的浮动物体的表面上，其电能存储在四个电池中。
考虑在偏远采矿设施和农村社区中实施实用且简单的应用，使用低成本和容易获得的材料构建池塘，包括管道和盘管的结构部件。
2.2 气象站
气象数据在HOBO U30 Data Logger气象站（靠近实验区域）处测量。它有四个传感器来测量环境温度，相对湿度，大气压力，风速和风向，以及太阳辐射。
对于温度和相对湿度测量，使用温度/ RH智能传感器，规定其测量范围在-40℃至70℃和0-100％之间，精度为plusmn;0.21℃y deplusmn;2.5％。此设备封装在部分暴露于环境空气的密封隔间中，以最小化直接及漫射的太阳辐射和环境灰尘的影响。压力传感器是一个气压智能传感器，范围和精度规格分别为660-1070 mbar和plusmn;3 mbar（在25℃）。最大误差为plusmn;5毫巴（asymp;40Ce70C）。太阳辐射传感器是硅太阳辐射计智能传感器，其范围和精度规格分别为0e1280 W / m2和plusmn;10 W / m2。传感器设置为每30分钟记录一次数据。
2.3 测量变量
在两个池中安装温度传感器以测量水的底部（）和表面（）处的温度。 温度传感器也安装在线圈入口（）和线圈出口（（图2）。 该信息用于研究系统中线圈的加热效率和能量贡献。 温度传感器连接到四通道HOBO数据记录器，读取并存储每10分钟从池塘获得的所有信息。
图1 池塘和浮动元件的外部和内部尺寸
图2 池塘与太阳能加热系统
表1光伏模块的规格
3.仿真
3.1 数学模型
图3展示了基于在当前关于太阳池的文献中报道的模型，利用不同参数应用于加热池的质量和能量平衡方案。
是从底部和表面温度的平均值，是通过太阳辐射进入系统的热量，是通过蒸发离开系统的热量，是通过强制空气对流取出的热量，是通过池壁损失的热量，是通过池底部损失的热量，是通过浮动元件损失的热量。
根据图4，能量处于静止平衡的条件是：
对于加热池，线圈在系统中提供额外的能量源（参见图3）。 加热系统的固定状态下的总体能量平衡方程式为：
其中是通过线圈壁提供给系统的热量。
材料平衡中的术语的数学表达式（包括两个模型）定义如下:
智利北部的太阳辐射是正在研究的系统的主要能量来源。
直接太阳能输入到水池[18]：
其中是I平均太阳辐射，是没有被浮动物覆盖的池塘的横截面积，eta;是捕获太阳能的效率。 因子eta;被合并以考虑由存储在池塘中的水捕获的太阳能的实际量。
由于在浮动元件和池塘壁之间的未覆盖表面与空气直接接触，假定穿过该水表面的热损失机制是通过自然对流。 通过对流离开系统的热量由以下表达式表示：
其中是传热系数.是空气温度。
为了计算由对流引起的能量损失，有必要估计对流传热系数。 对于与环境空气接触的外部水平面向上的表面，对通过以下表达式计算[24-25]：
其中是Prandtl数，是Grashof数，是空气的热导率，是作为暴露表面的面积和周长之间的比计算的特征长度。
在储水系统中，热能在热力学上与从水表面到环境空气的水蒸发相关。离开水表面的热量与对流传热系数和水表面与环境空气之间的水分压差两者成比例[20,26-28]:
其中lambda;是水的潜热蒸发热，是水表面的水蒸汽压力，是环境空气的水分压，是大气压力，是空气的特定热容量。
表面水汽压力由安托万方程[26]确定：
图3 储水池与外部加热的热平衡方案（没有外部加热的蓄水池 = 0）
图4 两个池塘设计的平均（黑线），最小（蓝线）和最大（红线）日常温度的比较 （对于这个图例中对颜色的引用的解释，读者参考本文的网络版本）
环境水分压由相对湿度确定[26]：
其中RH是环境空气的平均每日相对湿度。
为了便于比较，也使用Penman-Monteith模型计算来自未覆盖的水库的水蒸发损失。 在测量的每日平均水温下计算的每日水蒸发率的范围在2到7mm /天之间（图10）。
研究人员们提出了多种模型来估计蒸发过程中损失的水量[29-32]。 Monteith的蒸发模型，也就是Penman-Monteith模型，已经成功地用于估计开放表面的水蒸发速率和通过蒸发或作物蒸发的水损失研究[33,34]。 用于计算Penman-Monteith模型的详细算法，其用作本研究中进行的计算的指导由 等式 （9）显示了浓缩形式Penman-Monteith模型[35]：
其中是从暴露于环境的池中蒸发的水的量，lambda;是蒸发水的热（MJ / kg），是净辐射，N是储存热的变化，是水饱和度的曲线斜率，是空气的热容量（MJ / kg K），是水温下的蒸汽饱和压力，是空气中的蒸汽压力，ra是空气动力阻力，gamma;是空气湿度常数。
Penman Monteith方程的输入所需的气象数据和水温是日平均值。Penman-Monteith方程的每个变量的详细解释在附录A中给出。从每个池塘到环境的四个垂直壁的总热损失根据以下表达式确定：
其中是第j个壁的面积，j是第j个壁的总体传热系数。
根据式 （10），为了估计从池塘壁损失的能量，有必要计算总体传热系数。 根据图2的几何形状，四个壁中的每一个总体传热系数由下面的表达式[36]确定：
其中是第j个墙体的内部对流传热系数，是玻璃纤维的热导率，是隔热材料的热导率，是第j个墙体的外部对流传热系数。
假设池塘中的水通过自然对流将热传递到池壁，则使用垂直壁的表达式来估计内部对流传热系数[24,37]：
其中是水的热导率。 对于外壁，假定壁的表面通过强制对流机制向环境失去热量。 内部对流传热系数在相应的长度进行评估[24,38]：
其中Re是利用空气速度va计算的雷诺数。
通过池塘底部的热损失由下式表示：
其中和是横截面积，分别是两个池塘底部的总体传热系数。 总体传热系数根据图1所示的几何形状确定：
与水接触的内底面的对流传热系数（）计算如下：
其中内部底表面的特征长度（）被计算为与水接触的面积和周长之间的比率。
外部对流传热系数由公式 （13）使用内部底表面的特征长度进行评价：
如果我们将浮动元件视为复合壁，则对环境的热损失可以表示如下：
其中是浮动元件的横截面积，是内部热对流传递系数，是外部热对流传递系数，是高密度聚乙烯的热导率，是有效空气热抵抗性。
内部传热系数由下式确定：
lt;
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