摘要：太陽能憑借其環(huán)保性和廣泛性，目前已成為各國未來綠色可持續(xù)發(fā)展首選的能源之一。文章對太陽能系統(tǒng)在火用分析這個方面比較了各種類型的太陽能集熱器和太陽能熱力系統(tǒng)。太陽能集熱器是一種可持續(xù)性的重要技術(shù)，結(jié)合火用分析給出了更有代表性的效率評估，評估能量的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱力系統(tǒng)；火用分析；經(jīng)濟性；綠色能源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK212 文章編號：1009-2374（2016）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.037

風(fēng)能、生物質(zhì)能、核能和太陽能等可再生能源的開發(fā)利用是節(jié)約化石能源和節(jié)約環(huán)境污染的重要途徑。目前太陽能技術(shù)在國內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，但由于我國現(xiàn)階段發(fā)電成本較高，大規(guī)模應(yīng)用還需國家的扶持。

能源的短缺促使人類意識到節(jié)能的重要性，但是要回答何謂節(jié)能其實并不簡單，只考慮能量平衡的熱力學(xué)第一定律并不能很好地回答這一問題，從能量的品位角度看，節(jié)能實質(zhì)上是對常規(guī)能源中的可用能“火用”的節(jié)約與利用。

1 太陽能集熱器

在眾多不同種類的太陽能集熱器的效率評估中都運用了火用分析。許多工作者在平板太陽能集熱器領(lǐng)域已經(jīng)做了相關(guān)研究，并且光伏光熱太陽集熱器（PVT）領(lǐng)域中運用火用分析也較為普遍。拋物線形槽式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器領(lǐng)域中可以運用火用分析，但并不是常用分析評估方法。拋物線形蝶式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器有高火用效率，所以許多工作者也對這方面進行了研究、分析和優(yōu)化。還有很多其他結(jié)構(gòu)的集熱器都運用過火用分析，比如復(fù)合拋物線型太陽能集熱器、熱管太陽能集熱器、空腔集熱器。

1.1 平板太陽能集熱器

在平板太陽能集熱器領(lǐng)域中廣泛地運用了火用分析。雖然在該領(lǐng)域已經(jīng)進行了很長時間的研究，但是仍存在空白等待后人進行研究和探索。前人已經(jīng)對使用常規(guī)流體（空氣和水）的集熱器做了充足的研究，但是當(dāng)使用非常規(guī)流體（例如二氧化碳和納米流體）的集熱器時，集熱器的火用分析還需更多工作者以后的投入和

努力。

Jafarkazemi等研究了平板集熱器的能量分析和火用分析算法。Fudholi對翅片雙向太陽能集熱器的火用效率進行了評估?；鹩眯室呀?jīng)被作為一個指標評價了不同類型的集熱器性能。Oztop等對太陽能空氣加熱器的能量和火用性能做了一個詳細的綜述。Bayrak等運用能和火用分析方法研究了內(nèi)嵌多孔擋板太陽能空氣加熱器。Bouadila等進行了實驗來評估一種使用帶潛熱儲存系統(tǒng)的球形膠囊填充床的新型太陽能空氣加熱器。Golneshan運用火用分析對未裝蓋板型太陽能集熱器進行了研究，這種裝置適宜于在預(yù)熱外部空氣，主要用于預(yù)熱空氣通風(fēng)和對農(nóng)作物進行干燥。作為傳熱元件，熱管最大的優(yōu)點是具有較高的傳熱率。Kargarsharifabad等對結(jié)合了熱管的平板太陽能集熱器進行了能量和火用分析。

1.2 光伏光熱一體化系統(tǒng)

光伏光熱一體化系統(tǒng)（PVT系統(tǒng)）的基本結(jié)構(gòu)是PVT集熱器和蓄水箱，輔助熱源為水箱提供能量，使水箱的熱水保持在負荷所需的某一最低溫度。PVT系統(tǒng)的原理簡單：集熱器吸收入射太陽輻射，一部分吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，而其余的能量轉(zhuǎn)化為集熱器的熱量，最終加熱流體；太陽能電池和流體之間的熱交換降低了電池的溫度，提高了電池效率；出口流體通過管道可以當(dāng)作熱水被利用，所以PVT系統(tǒng)是以把太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的綜合效率來評價的。

Ooshaksaraei等利用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律研究了PVT系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性。Marletta和Evola運用熱力學(xué)第二定律對一種水冷PVT系統(tǒng)進行了研究。他們得出了如下結(jié)論：當(dāng)運用光伏電池的情況下，在較低溫度時，系統(tǒng)相對能輸出更多的電能；而在較高溫度時，系統(tǒng)相對能輸出更多的熱能。所以研究的重點是如何定義PVT系統(tǒng)的總火用并使其最大化。Dupeyrat等發(fā)表了關(guān)于一種平板PVT系統(tǒng)的能量和火用性能。Buker等研究了一種在光伏電池底部使用循環(huán)聚乙烯熱交換PVT系統(tǒng)的能量和火用性能。該系統(tǒng)被設(shè)計為屋頂?shù)囊徊糠?，與周圍恰當(dāng)融合，并成為房屋的一部分熱源，輔助房屋的制熱和制冷。Gholampour和Ameri從能量和火用的角度研究了一些參數(shù)（填料因子、翅片數(shù)量、翅片高度、環(huán)境和空間參數(shù)）對PVT系統(tǒng)的影響。

余長富分析太陽能光伏光熱一體化（PVT）系統(tǒng)熱效率、電效率和火用效率等性能的影響因素，設(shè)計并構(gòu)建了PVT實驗系統(tǒng)，得到PVT系統(tǒng)集熱器熱效率與太陽能電池覆蓋率呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，PVT系統(tǒng)集熱器電效率與太陽能電池覆蓋率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。楊天麒通過建立太陽能熱電裝置的火用分析模型，在效率分析的基礎(chǔ)上對裝置的火用效率進行了分析。

1.3 拋物面形碟式集熱器

Madadi等對一種拋物面形碟式集熱器在能量和火用性能方面進行了實驗和理論上的研究。Liu等研究了一種帶半空腔接收器的太陽能碟式集熱器，其中包括了對該模組的火用分析。Shanmugan等構(gòu)造了一種低成本的拋物面太陽能集熱器，該集熱器利用由碲化鉍組成的熱電模塊在其焦平面上發(fā)電，并對其進行了測試，評估了能量效率和火用效率。

1.4 其他集熱器種類

Nishi和Qi在最大火用效率的條件下，提出了一種熱模型，并對三維復(fù)合拋物面聚光集熱器進行了優(yōu)化。Nixon等提出了三種基于線性菲涅爾反射器新型太陽能集熱器概念。

2 應(yīng)用

目前太陽輻射能量已被廣泛應(yīng)用于生活實踐。太陽能通過向熱能的轉(zhuǎn)化，直接對空間、水和其他物質(zhì)加熱；太陽能利用相變材料的潛熱儲存能量；太陽能還可用于建筑的制熱和制冷中；太陽能還能轉(zhuǎn)化為電能被人類所利用，人類通過光伏系統(tǒng)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這些產(chǎn)生的電能可以直接連接電網(wǎng)供電，可以供應(yīng)熱泵運行，也可用于其他目的，比如用于電解水制造氫氣。

周燕等基于熱力學(xué)第二定律的火用分析方法，提出建筑能源的轉(zhuǎn)換；屠長環(huán)通過計算分析系統(tǒng)各設(shè)備的火用損失及火用利用效率，對組合能量系統(tǒng)不同類型之間的統(tǒng)一性和一致性進行了深入研究；遠義忠把火用分析方法引入到集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析中，建立了工程中最常用的一二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冬夏兩種設(shè)計工況下的擁分析模型，結(jié)合工程實例計算了兩種空調(diào)系統(tǒng)冬夏兩種設(shè)計工況下系統(tǒng)的傭效率以及各設(shè)備的擁損失；梁明姍通過介紹低火用理論，展示在空調(diào)采暖系統(tǒng)中運用低火用能源所能產(chǎn)生的巨大節(jié)能效益，同時就幾項常見的低火用技術(shù)，提出其各自的優(yōu)越性和限制條件，針對以電為能源的供暖方式，計算了一次能源效率和火用效率。

3 結(jié)語

本文基于近兩年來國內(nèi)外刊發(fā)的文獻，對太陽能熱力系統(tǒng)中所使用的火用分析方法進行了綜述，歸納了各種類型的太陽能集熱器熱力系統(tǒng)的研究和應(yīng)用?；鹩梅治鲎鳛樘柲芗療崞骺沙掷m(xù)性設(shè)計的重要指標，是一種更有代表性的性能評估。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，無論是對于單獨的太陽能集熱器還是整體系統(tǒng)，使用該分析方法能較好地評價能量的品位。

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作者簡介：艾譯文（1993-），男，湖北武漢人，海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：熱科學(xué)與技術(shù)。

（責(zé)任編輯：王 波）