節能建筑光熱系統中太陽能集熱器的研究進展

郭 峰, 李 強

(山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101)

1 概述

在建筑領域,太陽能利用的研究主要集中在太陽能發熱和太陽能發電方面[1-2]。而太陽能集熱器是節能建筑光熱系統中最重要的組成部件,因此,對太陽能集熱器的研究對太陽能開發利用具有重要意義。目前,在工程實際應用中平板型集熱器和真空管型集熱器被廣泛應用,因此,本文對這2種類型的太陽能集熱器進行綜述。

2 平板型集熱器

對平板型集熱器,集熱器吸收太陽輻射能的面積與集熱器的采光面積相等。常見的3種平板型集熱器見圖1[3]。

圖1 平板型集熱器的3種類型

Ⅰ型集熱器是由表面的透光蓋板和下方的吸熱板、底板組成,空氣流道位于透光蓋板和吸熱板之間;Ⅱ型集熱器由表面的透光蓋板、吸熱板和下方的底板組成(透光蓋板和吸熱板間有一定空隙),空氣流道位于吸熱板和底板之間;Ⅲ型集熱器由表面透光蓋板、插入空氣流道中的吸熱板、底板組成,空氣流道分為上下2層。其中Ⅰ型集熱器應用較為廣泛,其工作原理是:太陽光透過透光蓋板投射于吸熱板,吸熱板完成太陽能到熱能的轉化,然后將轉換后的熱量傳遞于工作介質(空氣),促使流道中的空氣溫度上升。集熱器通過這種方式向外提供有用能。

平板型集熱器的熱性能受透光蓋板、運行參數(空氣流量、入口空氣溫度、太陽輻射照度、傾角)、吸熱板及流道等因素的影響。

2.1 透光蓋板

通過調控透光蓋板的有效透過率、表面對流換熱系數及其自身的熱導率等參數,從而使太陽能集熱器的集熱效率發生改變。葛新石等人[4]利用差額法對多層透光蓋板-吸熱板體系中的有效透過率、吸熱板的有效吸熱率、最外層蓋板有效反射率、透光蓋板有效吸收率以及吸熱板的熱損失進行了分析,并給出了相應的計算方法。戴天紅等人[5]以玻璃罩對太陽輻射能量的吸收為基礎,從理論上導出了一種單層玻璃罩式集熱器的有效穿透系數與吸收率之積,可以在太陽能集熱器的數值模擬中使用。張志強等人[6]開發了一種新型的透明蜂窩蓋板,并將其應用于平板型集熱器。在此基礎上,對不同蜂窩結構下集熱器的集熱率進行了實驗,導出了其穿透率的計算式,由此證明了集熱管寬度與集熱率之間的相關性。

2.2 運行參數

林金清等人[7-8]在二維假設的基礎上分別對Ⅰ型和Ⅱ型2種不同集熱器的流體熱質傳遞構建了穩態數學模型,采用有限差分法求解,然后利用FORTRAN77編程計算,得到了在穩態的條件下集熱器的速度分布、溫度分布,以及集熱器的集熱率分別與空氣的流量和入口溫度、太陽輻射照度及蓋板透光率的相關性。結果表明,這2種類型的集熱器的集熱率隨空氣流量和蓋板透光率增加而增加,但是入口溫度和輻射照度對集熱率的作用卻與之相反。林金清等人的研究對這2種不同集熱器的研究開發和運行具有一定的指導意義。夏國權等人[9]在熱量傳遞的一維假設下構建了數學模型,進而推導出沿程溫度分布、介質出口溫度和全天系統集熱率在準靜態的條件下的近似解。通過計算得出介質進口溫度、介質流動速度和流道深度對集熱器的傳熱性能的影響趨勢。研究發現,全天的集熱率與介質的流動速度成正比,與介質進口溫度成反比,而隨著流道深度增大,集熱效率首先是急劇上升隨后又逐漸下降。毛潤治[10]通過實驗分析研究了3種不同氣流沖刷式蓋板集熱器的熱特性和空氣流量率的相關性。由實驗數據分析可知,集熱器總的熱損耗隨著空氣流量率增大,呈現出先增大而后又減小的趨勢,最后達到一個平穩狀態。此外,通過實驗數據歸納出空氣流沖刷式蓋板集熱器的總熱損失與流量率的關聯式,并得到熱轉移因子與流量率之間的關聯式。計算出集熱器可達到的最高工作溫度,進而求得流量率的最優值。閆崇強等人[11-12]則開展了集熱器傾角對V型集熱器的集熱性能影響的實驗研究,并提出昆明地區最優傾角是25°。

2.3 吸熱板

吸熱板是吸收太陽輻射能并向工作介質傳遞熱量的重要構件,因此,集熱器的集熱效率受吸熱板的結構形式、涂層、流道以及集熱腔體的構造和基板情況的影響較大。其中Ucar等人[13]基于實驗和火用分析方法,剖析了吸熱板形狀和布置方式對換熱過程的作用,并發現調整形狀和布置方式可以提升太陽輻射能的吸收量,進而強化腔體換熱效果。并且與傳統集熱器相比,其集熱效率提升了30%。EL-Sawi等人[14]通過對比人字型金屬吸熱板與平板、V型槽板的集熱效率,發現在特定工況下,應用人字型金屬吸熱板的集熱器的集熱效率較高。Peng等人[15]采用了將針狀肋陣列結構放在吸熱板之上的方法,對其進行了實驗研究和理論分析,提出當蓋板透過率為0.83時,得到各種形式針狀肋陣列的集熱效率的范圍為0.50～0.74。

目前,吸熱板的涂層主要有選擇性吸收涂層和非選擇性吸收涂層2種。為了滿足在太陽輻射下的吸收能高,又有較小的熱損耗,因此涂層材料必須選用選擇性吸收涂層[16]。其中,金屬氧化物、碳化物、氮化物以及金屬陶瓷等諸多復合材料都是選擇性吸收涂層。此外,有機聚合物作為吸熱材料也成為發展趨勢[17]。平板集熱器工作時,熱損耗主要來自于頂部、底部及邊框的熱量散失,其中所有熱損耗中頂部占比最高可達60%以上[18]。所以,想要有效提高集熱效率,就應改善頂部的熱損耗。頂部熱損耗產生的原因是,吸熱板與蓋板存在明顯的溫差,熱量經過自然對流傳遞至透明蓋板,從而引發熱損耗。所以,合理設置吸熱板與蓋板的間距,可以有效改善集熱效率[19-20]。鄧月超等人[21]通過數值模擬方法探究了不同吸熱板溫度和集熱器與水平面間傾角的工況下,自然對流熱損耗與吸熱板和夾層間距的關系。夾層間距一定時,吸熱板溫度越高,對流換熱系數越大,自然對流換熱作用越強,熱損耗越大。集熱器水平放置時,自然對流換熱作用最強,熱損耗最大,當傾角超過30°后,自然對流熱損耗基本不變。

2.4 流道

近10年,學者們熱衷于研究集熱器流道改進。丁剛等人[22]采用CFD方法數值模擬流道改進后集熱器內部工作介質的流場分布和傳熱過程,模擬發現,在不改變工況的情況下改進后的集熱器集熱效率可升高20%左右。劉一福[23]利用FLUENT軟件模擬研究了在變夾角和變間距條件下擾流板空氣集熱器集熱性能的變化趨勢。通過研究結果可知,擾流板空氣集熱器熱性能最優時的擾流板夾角和間距分別為45°和140 mm。夏佰林等人[24]則開展了蛇形流道太陽能平板集熱器集熱性能實驗探究,提出流道轉彎數量和集熱性能的關系,并確定了轉彎數量的最佳值。Hu等人[25]研究表明擋板可強化對流換熱降低熱損耗,從而改善了集熱器集熱性能,并提出在特定工況下,最佳擋板數量為3。并發現太陽輻射密度、周圍環境溫度等環境工況對集熱性能的影響較小。賈斌廣等人[26]對蛇形太陽能空氣集熱器的流道結構進行進一步的優化,提出渦旋形太陽能空氣集熱器,并指出渦旋形的結構可以通過減小空氣流動過程的渦流來降低壓力損失與強化傳熱。

3 真空管集熱管

為了克服平板型太陽能空氣集熱器頂部的透明蓋板熱損失大的缺點,相關學者將真空管引入了太陽能空氣集熱器中,設計了真空管太陽能集熱器[27]。此種集熱器的制作成本更低并且加工制作相對簡單,所以這種集熱器市場占有率很高,是目前使用范圍最廣的一種集熱器[28]。目前,真空管集熱器應用廣泛,在供熱供暖系統、太陽能輔助熱泵系統、食品干燥處理及海水淡化等都有應用。但是,真空管集熱器并不是完美的,在實際應用中,它的集熱性能還有進一步的發展空間。

3.1 真空管集熱器的發展

真空管集熱器的內部和外部玻璃管之間存在一個真空環境,且在真空管內側面涂有選擇性吸收層,該真空結構不僅可以降低熱損耗還可提高抗凍性能[29]。初期,水作為真空管內換熱介質被廣泛應用,但太陽能利用率較低。主要原因是升溫后的水被儲存于蓄熱水箱,而未被直接利用。因此,具有高換熱性能及應用強制對流換熱方式的U形真空管集熱器迎來了良好的發展契機[30]。此外,考慮到液體工質會遇到凍結、堵塞和泄漏等問題,因此許多學者開始研究以氣體為介質的集熱管[31]。隨著研究的推進,發現集熱器集熱性能不好的原因之一是氣體換熱系數較液體小。為了提升集熱性能,Lamnatou等人[32]研制了一種以相變材料作為傳熱介質的熱管太陽能集熱器。其熱管蒸發段設置在真空管內,而凝結部分與換熱流體進行換熱,其換熱效率得到了極大的提升。

3.2 真空管集熱器的改進設計

以往學者通過優化真空管結構及改進換熱材料以達到提高換熱性能的目的。其中優化結構的常見措施是:提高吸收板的粗糙度,造成傳熱面上的分層流動;采用空氣射流,使換熱面周圍的空氣流動發生改變以提高換熱;增加氣流的循環頻率,進而提高空氣流動速度;設置擾流板,以此來強化流動干擾等。改進換熱材料的舉措有:選用不同的吸收材料,探索能強化吸收太陽輻射能的材料;將換熱介質替換成納米流體,以實現增強換熱流體換熱系數的目標;應用相變材料使集熱器內部溫度降低,以此減少熱損耗。

Mittal等人[33]探究了不同吸熱板粗糙度的真空管集熱器的熱性能,研究傳熱系數與摩擦系數的關系,并建立了公式。該研究結果表明,當雷諾數大于1 200時,肋片傾斜比不傾斜熱效率高;當雷諾數小于1 200時,有金屬網的集熱器比沒有金屬網的集熱器的熱效率更高?？諝馍淞鲗療崞鳠嵝实奶嵘Ч黠@,與雷諾數、迎角、射流直徑和噴射距離相關[34]。Belusko等人[35]指出相比于傳統集熱器,射流方式的集熱器的熱性能提升了約20%。Wang等人[36]研制了一種帶有微型熱管陣列的真空管集熱器,采用高導熱性的微型熱管陣列和絕熱真空管可有效改善集熱率并且減小壓力損失,并且發現集熱器的效率可達到82.7%,壓力損失小于20 Pa。此外,增加風量有利于熱效率的提升。梁若冰[37]則對U形真空管集熱器的結構進行了改進。其探究結果表明U形集熱管根數為1、2、3時的換熱率分別升高至74%、77%和82%。Kabeel等人[38]設計了由2根同心銅管組成的新型熱管集熱器,這種新型集熱器熱效率最大達到67%。

真空管集熱器的熱量主要來自于管內涂層對太陽輻射的吸收,因此,集熱器的性能主要受涂層的影響。Zhao等人[39]采用的涂層材料是TiC-TiN/Al2O3,在溫度為82 ℃條件下,該涂層有較高的吸收率(0.92)和較低的發射率(0.11)。此外,換熱工質在熱量輸運過程中是不可或缺的重要部分,且換熱流體必須具備換熱系數大、流動阻力小及高比熱容等特性。因此,研究換熱工質的物理性質對改善集熱器集熱性能具有重要意義。Olfian等人[40]將真空管集熱器中經常使用的納米流體進行了歸納總結,并給出了納米粒子相符的幾何尺寸和體積分數。除了前面提及的幾種方法外,將相變蓄熱材料與真空管集熱器的耦合是一次重大的改變和創新。Qiu等人[41]采用超臨界二氧化碳作為傳熱介質應用于拋物槽式集熱器,該系統的熱效率最高可達84.17%。Algarni等人[42]采用納米流體并結合相變材料以提高換熱工質的換熱系數和蓄熱能力,系統熱效率提高了32%。

3.3 相變型真空管集熱器

相變蓄熱材料的潛熱特性可以有效應對換熱介質比熱容低的問題,其蓄熱特性能降低儲罐的造價和擴大空間使用率。鑒于此,近些年眾多學者致力于研究相變蓄熱材料與真空管集熱器的耦合。

常見相變蓄熱材料可分為有機物和無機物2種,其中常用于真空管集熱器的相變蓄熱材料見表1。

表1 常用于真空管集熱器的相變蓄熱材料

在實際的工程中,針對不同的應用環境應選用合適的相變蓄熱材料,但由于相變蓄熱材料具有熱導率低、穩定性差、具有腐蝕性及易泄漏等缺陷,因此,需要加入膨脹石墨等物質來改善其特性,從而克服以上缺陷。

相變蓄熱材料與真空管集熱器的結合形式包括將相變蓄熱材料嵌入真空管內部、單獨布置相變蓄熱單元、聯箱內嵌入相變蓄熱材料以及管道中嵌入相變蓄熱材料。Felinski等人[43]設計了以石蠟為相變蓄熱材料的真空管集熱器,研究發現改進的結構可以減少約30%的熱量損失。Chopra等人[44]在集熱器聯箱中填充了硬脂酸,發現該系統的熱效率最高可達到72.5%。Arkar等人[45]將相變蓄熱材料嵌入建筑供暖系統通風管道,經過實驗分析得出該系統的太陽能供熱率可達到63%。

4 存在問題及發展方向

4.1 平板型集熱器

目前,僅改變平板型集熱器的結構已無法提高其集熱性能,因此只能通過探索新的涂層材料和傳熱工質,進一步提升其集熱性能。此外,由于集熱器熱損失較大,集熱效率較低,平板型集熱器在寒冷區域得不到廣泛應用。鑒于上述原因,針對平板型集熱器的發展方向應從以下幾方面考慮:

① 基于環保和經濟條件下,研究制備具有高吸收率和低發射率特性的新型涂層材料以及具備高透光率和保溫性能良好的透光蓋板。

② 研究探索擁有高換熱系數的傳熱工質。

③ 從建筑美學視角出發,提高太陽能集熱器與建筑的結合性,進而降低建筑能耗。

4.2 真空管集熱器

雖然真空管集熱器的集熱效率高于平板型集熱器,但真空管集熱器中的換熱介質常采用水作為工作流體,因此,在實際工程應用中,真空管集熱器仍存在凍結、堵塞、泄漏以及熱應力損壞等諸多問題。因此,針對真空管集熱器的發展方向,做了如下總結:

① 可進一步優化真空管集熱器結構和換熱工作介質,從而提升設備集熱性能。

② 研制具有高換熱系數和低熱損耗特性的相變蓄熱材料耦合真空管集熱器。