季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究(2)

太阳能受到纬度、地势和天气的影响，从低纬度向高纬度递减，高山、高原区相对丰富。而冻土也呈明显的纬度地带性，集中于高纬地带和高山垂直带上部，分布面积与深度自北而南逐渐减小。可见，冻土与太阳能的地理分布规律具有一致性。我国各地太阳年辐射量范围为3 300～8 400 MJ·m-2，根据年辐照量差别，分为5类地区，见表1[22]。其中，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类地区是太阳能资源丰富或较丰富的地区，中国东北、西北及华北等深季节性冻土分布区域多属于Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类地区，年日照量普遍大于2 200 h·a-1，因此太阳能面向路基供热具有良好的资源条件。

表1 中国太阳能分布的分级标准类型Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ年日照量/(h·a-1)3 200～3 300 3 000～3 200 2 200～3 000 1 400～2 000 1 000～1 400辐射总量/(MJ·m-2·a-1)6 680～8 400 5 852～6 680 5 016～5 852 4 180～5 016 3 344～4 180分布地区青海西部、西藏西部、新疆南部、甘肃北部、宁夏北部青海东部、西藏东南部、新疆南部、甘肃中部、内蒙古南部、宁夏南部、山西北部、河北西北部吉林、辽宁、新疆北部、甘肃东南部、陕西北部、山西南部、河北东南部、山东、河南、广东南部湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、安徽南部四川、贵州

3 路基专用太阳能供热装置

3.1 供热装置

路基专用太阳能供热装置如图1所示，型式为立式柱状，便于通过机械化钻孔布设。供热装置主要由集热段和供热段2部分构成。集热段采用新型金属吸热体真空管，通过特制的玻璃-金属封接材料将1根玻璃管与外壁溅镀太阳能吸收涂层的金属管连接为同轴套管。金属管与玻璃管之间密封真空。金属吸热管在低温环境下的热量损失小，光热转化率和热储能力优于传统的玻璃吸热管，同时，金属吸热管力学强度高，即使外管破裂也不会引起金属吸热管内部液态热媒的泄露。供热段采用1根中空金属管，埋设在路基冻胀地层。集热段金属管与供热段通过法兰连接，二者内部连通并注满高温导热油。供热装置自成一体化的热量转化单元，工作原理为在有日照的晴朗天气，太阳能吸收涂层将投射在金属管的太阳光转化为热能，热能通过金属吸热体管壁向内传递至导热油并使其升温，导热油热动平衡效率高，在温差驱动作用下集热段内导热油存储的热量会以静态热传导形式向下传递至供热段，进而传递给周围路基土体。由于金属吸热管与玻璃管之间真空隔热，装置只能单向吸收太阳能并向下传递，而不会产生逆向的地基热量散失。

图1 路基专用太阳能供热装置1-差压计；2-高强螺栓；3-密封垫；4-法兰；5-封接节；6-吸气剂；7-高硼硅玻璃管；8-真空腔；9-光谱选择性吸收涂层；10-供热段；11-吸热体；12-导热油。

装置的1种布设方案如图2所示，即在路基2侧横向对称、纵向均匀布置。装置“孤岛”式自驱运行，因此布设间距、位置可以灵活调整，也可以将集热段与供热段异轴倾斜安装，布设方案取决于路基冻胀分布条件及供热需求。

图2 路基专用太阳能供热装置布设方案

工作模式为全季节运行，路基相当于1个热量载体，只要有太阳辐照，装置就可以进行光热转化与传递。太阳辐射存在季节性差异，夏季太阳辐射强度大，大气温度高，光热转化效率高、热损失少。因此，夏季是装置供热的主要时节，向路基预储大量热能，使入冬时的路基温度大幅提高，增强抵抗冬季热损的潜能，延迟负温出现，减小冻结深度。入冬之后，在晴朗天气下，也可以实时地补充部分热量。

3.2 供热装置性能指标

1）太阳能集热量

太阳能真空集热管性能指标包括集热温度、集热量和集热效率等[23]。图1装置中地表集热段的太阳能有效集热量Qe为集热段吸收的太阳辐射热能Qs减去向周围环境散失的热量Ql，即

其中，

式中：Ap为装置集热段有效吸热面积，m2；I为太阳辐射强度，W·m-2；τ和α分别为太阳光透过率和吸收率；A为吸热体面积，m2；UL为热损系数，W·m-2·℃-1；Tp和Ta分别为吸热体和环境温度，℃。

2）光热转化率

装置光热转化率?是集热性能的评价指标，为有效集热量与太阳辐照量的比值，即

式中：S为太阳辐照量，J。

3）传热效率

传热效率ξ是供热性能的评价指标，为路基热储量变化值Qf与集热量Qe的比值，即

其中，

文章来源：《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1257.html