太陽(yáng)能集熱器熱性能分析

1、太陽(yáng)能集熱器熱性能分析摘要：本文介紹了太陽(yáng)能集熱器的種類以及各自的特點(diǎn)。同時(shí)，闡述了太陽(yáng)能集熱器熱性能的理論，包括影響太陽(yáng)能集熱器熱性能的因素、太陽(yáng)能集熱器熱性能的測(cè)試方法等。關(guān)鍵字：太陽(yáng)能集熱器、熱性能測(cè)試、影響因素0 引言隨著能源的大量消耗和環(huán)境的急劇破壞，新能源技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有決定性影響的五個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽(yáng)能因?yàn)榫哂腥≈槐M、用之不竭、無(wú)環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到各國(guó)重視。2011年，我國(guó)太陽(yáng)能集熱器生產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的80%，占世界保有量的60%左右，說(shuō)明我國(guó)已經(jīng)成為太陽(yáng)能利用大國(guó)。太陽(yáng)能集熱器是將其接收的太陽(yáng)輻射能向傳熱工質(zhì)傳遞熱能的裝置，因此，太陽(yáng)能集熱器是太

2、陽(yáng)能利用的關(guān)鍵裝置。所以，太陽(yáng)能集熱器的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)太陽(yáng)能資源的高效應(yīng)用至關(guān)重要。1 太陽(yáng)能集熱器的種類隨著太陽(yáng)能利用的大力發(fā)展，太陽(yáng)能集熱器的種類也越發(fā)多樣化。根據(jù)進(jìn)入采光口的太陽(yáng)輻射方向是否改變，分為聚光型集熱器、非聚光型集熱器；根據(jù)集熱器的傳熱工質(zhì)類型的不同，分為液體型集熱器、空氣型集熱器；根據(jù)集熱器是否跟蹤太陽(yáng)，分為跟蹤集熱器、非跟蹤集熱器；根據(jù)集熱器內(nèi)是否有真空空間，分為平板型集熱器、真空管型集熱器；根據(jù)集熱器的工作溫度范圍的不同，分為高溫集熱器（300800）、中溫集熱器（80250）、低溫集熱器（4080）。其中，太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品最常見(jiàn)的有兩種-平板型太陽(yáng)能集熱器與真空管型

3、太陽(yáng)能集熱器。1.1 平板型太陽(yáng)能集熱器及其特點(diǎn)平板型太陽(yáng)能集熱器1的典型結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括透明蓋板、吸熱板芯、流體流道、隔熱層和箱體等部分.圖1 平板型太陽(yáng)能集熱器典型結(jié)構(gòu)陽(yáng)光透過(guò)透明蓋板照射到吸熱板表面，吸熱板吸收大部分太陽(yáng)輻射能，將其轉(zhuǎn)化為熱能，并將熱能傳遞給流道內(nèi)的傳熱介質(zhì)，傳熱介質(zhì)攜帶熱能進(jìn)入儲(chǔ)熱設(shè)備。這樣，傳熱工質(zhì)被加熱后，溫度逐漸升高，作為集熱器的有用熱能輸出。同時(shí)，由于吸熱體內(nèi)的溫度升高，通過(guò)透明蓋板和外殼向周圍環(huán)境散失熱量，造成了平板型太陽(yáng)集熱器的各種熱損失。平板型太陽(yáng)能集熱器在我國(guó)的太陽(yáng)能利用中已廣泛應(yīng)用，技術(shù)日趨完善，主要特點(diǎn)有可承壓性好、大型集熱系統(tǒng)性能穩(wěn)定、建筑一

4、體化程度高等。同時(shí)還有不足，如熱損失大、無(wú)保溫功能、抗凍能力差等問(wèn)題。1.2 真空管型太陽(yáng)能集熱器基于平板型太陽(yáng)能集熱器，發(fā)展出了真空管型集熱器。根據(jù)吸熱體材料的不同，可分為全玻璃真空管集熱器和金屬吸熱體（玻璃金屬）真空管集熱器兩大類。主要有全玻璃真空管式集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。近年來(lái)，由于真空管式太陽(yáng)能集熱器的優(yōu)異性能，越來(lái)越受到重視。其主要特點(diǎn)有熱損失小，保溫效果好、使用壽命長(zhǎng)、抗沖擊抗凍能力強(qiáng)。同時(shí)還有安裝復(fù)雜，承壓能力弱，維護(hù)麻煩等不足。1.2.1 全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器全玻璃真空管式太陽(yáng)能集熱管主要由內(nèi)外玻璃管、選擇性吸收涂層、真空夾層、保護(hù)帽、消氣劑等

5、部件組成。其工作原理簡(jiǎn)單，形狀如同拉長(zhǎng)的保溫瓶。典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器典型結(jié)構(gòu)當(dāng)內(nèi)玻璃管吸收太陽(yáng)光輻射升溫時(shí)，圓頭就形成熱脹冷縮的自由端，因此緩沖引起管開(kāi)口端的熱應(yīng)力。內(nèi)玻璃管內(nèi)裝水，內(nèi)玻璃管的外表面涂上太陽(yáng)選擇性吸收涂層，用來(lái)吸收太陽(yáng)輻射能。將內(nèi)外玻璃管之間的夾層抽成高真空，減少熱損失，起到保溫的作用。在外玻璃管尾端粘結(jié)一只金屬保護(hù)帽，以保護(hù)抽真空后封閉的排氣嘴。彈簧支架上裝有消氣劑，用于吸收真空集熱管運(yùn)行時(shí)釋放出來(lái)的氣體，以保持管內(nèi)真空度的作用。1.2.2 U型管式太陽(yáng)能集熱器U型管式太陽(yáng)能集熱器是基于全玻璃真空管式太陽(yáng)能集熱器改進(jìn)而來(lái)的。由集管、隔熱材料、集

6、熱流體、U型管等部件組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 U型管式太陽(yáng)能集熱器典型結(jié)構(gòu)U型管式真空太陽(yáng)能集熱管是在普通真空玻璃管內(nèi)插入一根U型銅管，U型銅管外包鋁型翅片，鋁型翅片與真空管內(nèi)壁接觸，真空管吸收太陽(yáng)輻射能，通過(guò)U型管中流動(dòng)的工質(zhì)傳遞熱能。因?yàn)檎婵展軆?nèi)沒(méi)有水，所以不會(huì)因一只管破損而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；真空管的熱容大大減小，同樣的天氣條件下可以獲得更多的熱量，因而提高了產(chǎn)品性能和運(yùn)行的可靠性。1.2.3 熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器同樣是基于全玻璃真空管式太陽(yáng)能集熱器改進(jìn)而來(lái)的。熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器由熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、吸氣劑等組成。其典型

7、結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器典型結(jié)構(gòu)熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器是利用太陽(yáng)輻射在表面鍍有選擇性吸收涂層的金屬吸熱板上，將吸收到的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，并傳遞給熱管，熱管吸收熱能后并加熱管內(nèi)工質(zhì)使其迅速汽化，被汽化的工質(zhì)上升到熱管冷凝端，在冷凝端放熱迅速凝結(jié)為液體，在重力的作用下液體流回蒸發(fā)端。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程就是熱管內(nèi)工質(zhì)汽-液相變循環(huán)過(guò)程。2 太陽(yáng)能集熱器熱性能分析2.1 影響集熱性能的因素集熱性能是評(píng)價(jià)與選擇太陽(yáng)能集熱器的關(guān)鍵性參數(shù)，所以，對(duì)集熱器的研究基本上都圍繞集熱器熱性能展開(kāi)的。Samareh B2等研究了影響集熱器熱損失的主要因素，包括：風(fēng)向、風(fēng)速（自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流

8、、混合對(duì)流）對(duì)熱損失的影響，集熱器自身維護(hù)結(jié)構(gòu)以及安裝位置對(duì)熱損失的影響。盧郁等3對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器熱性能進(jìn)行理論推導(dǎo)，引入效率因子，進(jìn)行模擬，得出吸熱體板芯結(jié)構(gòu)、板芯用材對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器熱性能的影響。在不降低集熱器效率因子的情況下，是翅片單位面積降低45.8%；在材料消耗相同情況下，集熱器效率因子提高了0.03。張靜敏等4對(duì)影響集熱器性能的因素進(jìn)入集熱器的空氣流量、輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、集熱器內(nèi)的蓄熱體和集熱棚的高度等參數(shù)，進(jìn)行了研究，并分析了各因素對(duì)太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)空氣集熱器性能的影響。張小粉等5對(duì)熱管真空管太陽(yáng)能集熱器的傳熱機(jī)理進(jìn)行了分析，給出了其總熱損失系數(shù)、效率因子、熱遷移因子和順

9、勢(shì)效率的表達(dá)式，并通過(guò)實(shí)例將順勢(shì)效率的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，兩者相對(duì)誤差小于6.74%。王勇等6對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器改進(jìn)透明蓋板、設(shè)置透明隔熱層、改進(jìn)吸收涂層、優(yōu)化吸熱板、采用納米流體等因素，使集熱器熱性能得到提升。2.2 太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)試2001年頒布實(shí)施的歐洲標(biāo)準(zhǔn)給出兩種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)試方法：一種是穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法，另一種是動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法模型相對(duì)簡(jiǎn)單，該測(cè)試是在集熱器達(dá)到穩(wěn)定的工況條件下進(jìn)行的，且測(cè)試過(guò)程中對(duì)天氣等條件的限制非常嚴(yán)格，需要相當(dāng)長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間以及比較高的測(cè)試成本,使其應(yīng)用的廣泛性受到很大的限制。相反，動(dòng)態(tài)測(cè)試法是在集熱器實(shí)際運(yùn)行工況條件下對(duì)集熱器熱性能進(jìn)行

10、測(cè)試，檢測(cè)過(guò)程所要求的條件相對(duì)寬松，測(cè)試周期短，成本低。所以，相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和科研工作者基本都是致力于研究太陽(yáng)能集熱器熱性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試法。由于穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法在測(cè)試過(guò)程中忽略了某些影響因素，所以對(duì)其的測(cè)試要求相當(dāng)嚴(yán)格。所以，在放寬測(cè)試條件的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法中，必須考慮這些因素7，包括：入射角修正系數(shù)K（）對(duì)0的影響、風(fēng)速的影響、長(zhǎng)波輻射的影響等。孫峙峰等8對(duì)同一個(gè)太陽(yáng)能集熱器熱性能分別進(jìn)行了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比，結(jié)果表明在集熱器基于入口溫度的歸一化溫差低、中溫差處，兩種測(cè)試方法得到的效率曲線重合，得出太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)測(cè)試方法與穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法的結(jié)論基本相符。在集熱器基于入口溫度的歸

11、一化溫差的高溫差出，兩種測(cè)試方法得到的效率曲線有偏差。這為進(jìn)一步對(duì)太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)測(cè)試方法的研究打下了基礎(chǔ)。3 結(jié)語(yǔ)太陽(yáng)能作為一種蘊(yùn)含量巨大的新能源，近幾十年來(lái)，得到了迅猛的發(fā)展，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)中所研究的核心問(wèn)題之一，雖說(shuō)已取得豐碩的成果，但由于集熱器復(fù)雜的傳熱機(jī)理、集熱器材料以及生產(chǎn)工藝的不完善，所以，還需要對(duì)集熱器做更深一步的研究分析，提高其傳熱效率。從而對(duì)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期高效穩(wěn)定安全的運(yùn)行產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。參考文獻(xiàn)1 GB/T6424-2007.平板型太陽(yáng)能集熱北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.2 Samareh B, Yaghoubi M. Two

12、 Dimensional Numerical Simulation of the Turbulent Wind Flow around a Large Parabolic Solar Collector.In: Proceedings of APCWEVI, Korea, 2005,151.3 盧郁，于洪文等.平板太陽(yáng)能集熱器熱性能數(shù)學(xué)建模以及模擬.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2013,27(3).4 張靜敏、張華等太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)集熱器性能的影響因素分析可再生能源，2008, 26(3).5 張小粉、張立希、張鶴飛熱超導(dǎo)管管全玻璃真空管集熱器的熱性能分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007,10(10).6 王勇，段廣彬.平板太陽(yáng)能集熱器強(qiáng)化傳熱特性研究.材料導(dǎo)報(bào)A：綜述篇.2014,28(10).7 Fischer S,