蓄能型空氣式太陽能集熱器的實驗研究與分析

劉遲，李保國，羅權權，蘇樹強，肖洪海

（1.200093 上海市 上海理工大學能源與動力工程學院；2.201200 上海市 上海筑能環境科技有限公司）

0 引言

太陽能是可再生清潔能源，太陽能的利用成為解決全球變暖、實現可持續發展的有效手段。太陽能本身具有低密度和間歇性的特點，所以需要先收集再利用。太陽能集熱器是太陽能應用設備中的重要部件，根據其結構形式可分為：平板式太陽能集熱器和槽式太陽能集熱器等；根據其功能可分為：真空管式太陽能集熱器、熱管式太陽能集熱器和光伏式太陽能集熱器等[1-7]。

為提高太陽能集熱器的熱性能和太陽能利用率，許多學者做了大量的研究。孫可亮[8]等通過數值模擬對翼管式平板式太陽能集熱器的設計參數進行優化；李曉琳[9]等設計了蛇形雙流道的平板式太陽能空氣集熱器，集熱效率比傳統集熱器集熱效率高 21.74%。馬炎[10]等開發了聚光比為24 的雙軸跟蹤槽式太陽能集熱器，集熱器光學效率達到81.3%，瞬時集熱效率達到77.5%；姚遠[11]等設計的集熱面積為12 m2的小型槽式集熱器可將循環水加熱至170 ℃以上，集熱效率最高可達52%；張濤[12]等進行了不同涂層材料、內置導流板真空管太陽能集熱器自然對流實驗，驗證了提高涂層材料吸收率使熱效率升高 1.71%，內置導流板熱效率可提高2.17%；羅權權[13]等研究了有相變蓄能材料的真空管太陽能集熱器的熱效率，綜合集熱效率為96%，相比無蓄能材料的集熱器提高了60%；Kabeel[14]等設計了同軸熱管空氣式太陽能集熱器，集熱效率可達到67%；高旭娜[15]等研制的蓄能型振蕩熱管太陽能集熱器平均集熱效率大于45%；Cao[16]等將光伏太陽能集熱器應用于熱泵供暖系統中，集熱器的出口溫度可達76.6℃，熱泵單元的平均COP 達到4.1；LI[17]等開發了光伏-環路熱管太陽能集熱器，年太陽能熱利用率可達57.8%。

為提高現有太陽能集熱器的熱性能和可靠性，本文研發了內置相變蓄能芯的空氣式太陽能集熱器，對該集熱器進行實驗研究，并分析其熱性能。

1 蓄能型空氣式太陽能集熱器設計

1.1 相變蓄能芯

傳統的太陽能集熱器都以水為傳熱、蓄熱介質，容易出現凍裂、泄露和腐蝕等問題，為此設計了蓄能型空氣式太陽能集熱器，以空氣作為傳熱介質，利用相變蓄能芯代替水蓄熱，相變蓄能芯安置在真空管內部。圖1 為相變蓄能芯實物，采用鋁管將相變蓄能材料封裝而成，鋁管重量輕，導熱性好。

圖1 相變蓄能芯實物照片Fig.1 Physical photograph of phase change storage core

相變蓄能芯中使用了乙酰胺、磷酸氫二鈉和硫酸鈉等復合相變蓄能材料，熔點為100℃，凝固點為54.5℃，相變潛熱147.7 kJ/kg，具有蓄能密度高、耐熱性高、傳導性高、膨脹性低、無毒、無腐蝕等特點，經多次測量之后蓄熱能力無衰減。

1.2 空氣式太陽能集熱器

1.2.1 直通空氣真空管

為了能以空氣為傳熱介質，設計了雙通直流真空管，如圖2 所示。在真空管的一端設計了螺旋通孔，外玻璃管和螺旋玻璃管連接處為進風口，另一端為出風口，相變蓄能芯安置在真空管內。表1所示為直通空氣式真空管參數。

圖2 雙通直流空氣真空管Fig.2 DC air-type vacuum tube

表1 蓄能型空氣式真空管參數Tab.1 Parameters of energy storage air-type vacuum tube

1.2.2 空氣式太陽能集熱器結構

為提高現有太陽能集熱器的可靠性，設計了蓄能型空氣式太陽能集熱器。在真空管一端設計成螺旋彈簧結構，可防止因熱脹冷縮引起的炸裂問題。結構上，采用橫向雙排式結構設計代替傳統的縱向單排式結構，優化了真空管排列結構，減少集熱器占地面積的同時增加了采光面積，提高集熱器的熱性能。

如圖3 所示，該集熱器主要由雙通直流真空管、相變蓄能芯、進風聯箱、出風聯箱組成，相變蓄能芯設置在真空管內，真空管兩端連接進風聯箱和出風聯箱，空氣通過進風聯箱到真空管內，真空管吸收太陽能加熱空氣，一部分用于供熱，另一部分儲存在相變蓄能芯中。當太陽能輻照不足時，相變蓄能芯放出熱量加熱空氣，持續供熱。

圖3 蓄能型橫雙排空氣式太陽能集熱器Fig.3 Horizontal double-row energy storage air-type solar collector

2 空氣式太陽能集熱器熱性能實驗

2.1 實驗方法

為研究蓄能型空氣式太陽能集熱器的熱性能，搭建了太陽能集熱器熱性能實驗臺。實驗在江蘇省宿遷市（33.96°N）進行，屬于太陽能資源Ⅲ區，太陽能集熱器安裝傾斜角為當地緯度±5°，且不小于30°。實驗選取不同的氣候條件（晴天和多云），對有蓄能芯和無蓄能芯的太陽能集熱器進行研究。測試系統如圖4 所示。循環空氣在集熱器內吸收太陽能熱量，由循環風機驅動輸送至室內進行供熱。系統采用1 組蓄能型空氣式太陽能集熱器，有效集熱面積為7.48 m2，循環風機采用CY125。

圖4 太陽能集熱器熱性能測試系統Fig.4 Thermal performance test system for solar collector

測試環境氣象參數包括室外環境溫度以及太陽輻射強度，集熱器熱性能參數主要包括集熱器進出風溫度以及風量。采用TBQ-2 總輻射表測量太陽輻射強度；采用Pt100 熱電阻測量溫度；WT330功率計測量循環風機的功率及耗功；使用FEM-32SM 智能電磁流量計測量太陽能集熱器進出口風量；Agilent34970A 數據采集儀，間隔30 s 采集數據。

2.2 熱性能評價指標

2.2.1 太陽能集熱器供熱量

太陽能集熱器瞬時供熱量：

式中：Qc——太陽能集熱器瞬時輸出熱量，kW；ρa——空氣密度，kg/m3；Vm——體積流量，m3/s；ca——空氣比熱容，J/(kg·℃)；Tout.a，Tin.a——集熱器進風、出風溫度，℃。

太陽能集熱器總供熱量：

式中：Q——太陽能集熱器總輸出熱量，kW；Tout.ai，Tin.ai——第i 時刻集熱器進風、出風溫度，℃；Δt——采集相鄰兩次數據的時間間隔。

2.2.2 太陽能集熱器集熱效率

太陽能集熱器瞬時集熱效率：

式中：ηc——太陽能集熱器的瞬時集熱效率；Ic——太陽能輻射強度，W/m2；Ac——太陽能集熱器的有效集熱面積，m2。

太陽能集熱器平均集熱效率如下：

3 實驗結果與分析

3.1 單雙排式集熱器熱性能對比分析

選取2020 年5 月20 日和5 月21 日分別進行單排式（如圖5 所示）和雙排式太陽能集熱器實驗。

圖5 單排式太陽能集熱器示意圖Fig.5 Schematic diagram of single-row solar collector

圖6 為太陽能輻射強度和環境溫度隨時間變化情況。在測試期間，單排式集熱器接收太陽能輻射強度的變化范圍為143.98～938.14 W/m2，在12：40 達到最大值938.14 W/m2，而后太陽能輻射衰減，平均輻射強度為640.19 W/m2。環境溫度最低為21.2 ℃，最高為33.6 ℃，平均溫度為28.1 ℃；雙排式集熱器接收太陽能輻射強度的變化范圍為225.35～950 W/m2，在12：00 達到最大值950 W/m2，平均輻射強度為671.14 W/m2。環境溫度最低為21.1 ℃，最高為32.5 ℃，平均溫度為28.7 ℃。在太陽能供熱期間，2 種集熱器所接收的太陽能輻照強度和環境溫度相差不大。

圖6 太陽能輻射強度和環境溫度隨時間變化Fig.6 Variations of solar radiation intensity and ambient temperature with time

由圖7 可以看出，雙排式太陽能集熱器單位集熱面積供熱量和集熱效率都高于單排式結構的。雙排式結構集熱器平均出風溫度為121.08 ℃，單位集熱面積平均供熱量為417.49 W/m2，平均集熱效率為63.90%；單排式結構集熱器平均出風溫度為108.05℃，單位集熱面積平均供熱量為356.25 W/m2，平均集熱效率為57.12%。通過對比分析集熱出風溫度、單位集熱面積供熱量和集熱效率等各項參數，雙排式太陽能集熱器的熱性能與單排式結構的集熱器相比顯著提高，且分別提高了12.4%、17.11%和11.87%。

圖7 單位集熱面積供熱量和集熱效率隨時間變化Fig.7 Variations of heat supply per unit heat collection area and heat collection efficiency with time

3.2 晴天工況集熱器熱性能分析

分別在2020 年5 月22-23 日對無蓄能芯和有蓄能芯的太陽能集熱器進行測試，測試日天氣晴朗。圖8 為太陽能集熱器無蓄能芯工況下的晴天集熱系統參數變化。從圖8 可看出，集熱器出風溫度與太陽輻照強度隨時間的變化趨勢相似，集熱器出風溫度隨輻照強度的升降幾乎同步，當無太陽能輻照時，集熱器出風溫度接近室溫，不再為房間提供熱量。有蓄能芯工況下的集熱系統參數變化如圖9 所示。

圖8 晴天無蓄能芯集熱器參數變化Fig.8 Parameter variations of collector without energy storage core under sunny conditions

圖9 晴天有蓄能芯集熱器參數變化Fig.9 Parameter variations of collector with energy storage core under sunny conditions

6:40-12:00 集熱器出風溫度隨太陽輻射強度的升高而升高，當集熱器出風溫度高于相變蓄能芯的相變溫度時，相變蓄能芯開始相變蓄熱，儲存多余的太陽能；12:00-13:40 太陽輻射強度降低，但出風溫度仍在上升，在13:40 達到最高溫度；14:00-18:40 集熱器出風溫度隨太陽輻射強度的降低而降低；18:40-21:40 沒有太陽能情況下，集熱器仍可為系統提供3 h 的熱量。

晴天時太陽能集熱系統集熱效率與供熱量變化如圖10 所示。無蓄能芯的太陽能集熱器，其產生的熱量直接為室內供熱，隨著太陽能輻射強度的增大，集熱效率開始緩慢升高。隨著輻照強度升高，供熱量上升速度相比輻照量逐漸變慢，集熱效率有所降低并趨于平緩。15:20 效率出現回升，這是由于隨著輻射強度下降，集熱器供熱量衰減，但速率較慢。有蓄能芯的太陽能集熱器，集熱器產生的一部分熱量用于蓄能材料的相變蓄熱。隨著太陽能輻射強度的增大，集熱效率開始緩慢升高。在蓄能材料蓄能完成之后，集熱器產生的熱量主要用于為室內供熱，此時集熱效率趨于平緩。在13:40 集熱效率開始迅速上升，是因為太陽能輻射強度降低，相變蓄能材料放出熱量，當室內供熱量大于太陽能輻照熱量時，瞬時集熱效率大于1。

圖10 晴天集熱器集熱效率與供熱量變化Fig.10 Variations of collector efficiency and heat capacity under sunny conditions

由圖10 可知，有蓄能芯的供熱量明顯高于無蓄能芯的，且有蓄能芯供熱時間長。有蓄能芯和無蓄能芯的集熱器可提供的總供熱量分別為136.50 MJ、115.68 MJ，平均集熱效率分別為80.4%、59.4%，有蓄能芯的集熱器集熱效率顯著提高。

3.3 多云工況集熱器熱性能分析

選取2020 年5 月18 日和5 月31 日，多云天氣，分別對有蓄能芯和無蓄能芯的太陽能集熱器進行測試。圖11 為無蓄能芯的太陽能集熱器在多云工況下的集熱系統參數變化。從圖11 可看出，太陽能集熱器出風溫度與輻照強度隨時間波動變化，太陽能集熱器出風溫度波動稍滯后于輻照強度波動。當太陽能輻照為0 時，集熱器出風溫度與進風溫度相同，無熱量提供。有蓄能芯時集熱系統參數變化如圖12 所示。由圖12 可看出，太陽輻射強度在10:00-15:00 波動變化，但由于相變蓄能芯的相變蓄熱作為緩沖，集熱器出風溫度則平穩升降，蓄能芯在輻射強度降低時釋放出輻射強度較高時儲存的熱量，顯著提高了集熱器的穩定性。

圖11 多云無蓄能芯集熱器參數變化Fig.11 Parameter variations of collector without energy storage core under cloudy conditions

圖12 多云有蓄能芯集熱器參數變化Fig.12 Parameter variations of collector with energy storage core under cloudy conditions

多云工況下集熱系統集熱效率與供熱量變化如圖13 所示。無蓄能芯時，集熱器供熱量隨著輻照強度的波動而波動，集熱效率波動較大；有蓄能芯時，集熱器瞬時供熱量變化規律與集熱器出風溫度相似，集熱效率有一定的波動性，但集熱器供熱量卻平穩升降。這是因為蓄能芯的相變蓄熱放熱緩沖作用所致。由圖13 還看出，多云工況下有蓄能芯和無蓄能芯的集熱器平均集熱效率分別為79.2%、71.2%，為系統提供的總供熱量分別為148.03 MJ、98.33 MJ，有蓄能芯的供熱量高于無蓄能芯的供熱量，集熱效率有所提高，且有蓄能芯的集熱器性能更穩定。

圖13 多云集熱器集熱效率與供熱量變化Fig.13 Variations of collector efficiency and heat capacity under cloudy conditions

4 結論

本文通過對研發的蓄能型空氣式太陽能集熱器進行測試，研究其在不同天氣工況下的運行參數及熱效率進行分析，現得到如下結論：：

（1）研發的蓄能型空氣式太陽能集熱器以空氣為傳熱介質，真空管一端設計為螺旋彈簧結構，可提高集熱器的可靠性，有效防止真空管炸裂問題。集熱器采用橫向雙排式結構，與單排式結構集熱器相比，單位集熱面積供熱量和集熱效率分別提高了17.11%和11.87%；

（2）晴天工況下，有相變蓄能芯的蓄能型空氣式太陽能集熱器在太陽能輻照強度出現下降趨勢后，集熱器出風溫度仍持續上升，集熱器供熱時間延長了3 h 左右。有蓄能芯的集熱器相比無蓄能芯的集熱器，平均集熱效率提高了35.4%，總供熱量增加了20.82 MJ。

（3）有相變蓄能芯的太陽能集熱器在太陽輻射強度出現較大波動時，集熱器出風溫度仍平穩升降。相變蓄能芯減小了集熱器內部的溫度波動，集熱器的穩定性顯著提高。