太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式分析

曹靜　曲春光

【摘 要】太陽(yáng)能集熱器的功能是吸收太陽(yáng)輻射并傳遞熱能，集熱器是太陽(yáng)能的重要組成部分，與太陽(yáng)能的供熱、供冷功能緊密聯(lián)系，集熱器決定整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的質(zhì)量。本文闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能集熱器的主要種類(lèi)，對(duì)太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)太陽(yáng)能集熱器的具體優(yōu)化建議，旨在提高整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能熱泵；集熱器；實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)石化能源不可再生，越用越少，開(kāi)發(fā)新型能源是必然選擇，太陽(yáng)能作為一種新型清潔能源，分布普遍，能量巨大，可直接開(kāi)發(fā)與利用，我國(guó)地大物博，三分之二以上的土地年日照時(shí)數(shù)都超過(guò)2200h，太陽(yáng)能資源非常豐富，大力開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源可以有效緩解國(guó)內(nèi)嚴(yán)峻的資源形式。太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能是太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵。太陽(yáng)能資源雖然很大，大時(shí)比較分散，只有把分散的太陽(yáng)能集中起來(lái)，才可以真正利用太陽(yáng)能為生產(chǎn)生活服務(wù)[1]。所以，集熱器就是采集分散的太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)化并傳遞熱能的關(guān)鍵部位。太陽(yáng)能有多種用途，依生產(chǎn)生活需要，集熱器也分為許多種，名稱(chēng)也不同，生活中常見(jiàn)的如太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器、用于太陽(yáng)能干燥器等，工業(yè)生產(chǎn)中的太陽(yáng)能熔爐，太陽(yáng)能熱電站等。太陽(yáng)能集熱器是將太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換為熱能的關(guān)鍵部分，是太陽(yáng)能系統(tǒng)的核心部件，太陽(yáng)能集熱器的性能決定著整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，因此，提高集熱器的熱量采集與熱能傳遞效率，對(duì)于開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能具有重要意義。

1 太陽(yáng)能集熱器的基本概念與分類(lèi)

吸收太陽(yáng)輻射并傳遞熱能至傳熱介質(zhì)的裝置即太陽(yáng)能集熱器，這個(gè)定義說(shuō)明太陽(yáng)能集熱器包含四個(gè)含義。首先，太陽(yáng)能集熱器是一種裝置。其次，太陽(yáng)能可以被這種裝置吸收利用。第三，這種裝置可以產(chǎn)生熱能。第四，熱能可以通過(guò)這種裝置進(jìn)行傳遞。太陽(yáng)能收集與吸收裝置是集熱器的主要組成部分。太陽(yáng)能集熱器的種類(lèi)繁多，根據(jù)不同分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以將太陽(yáng)能集熱器分為多個(gè)種類(lèi)。液體采集器與空氣采集器是以集熱器不同的傳熱工質(zhì)劃分的，聚光型與非聚光型集熱器根據(jù)進(jìn)入采光口的太讓輻射方向是否改變劃分，集熱器是否跟蹤太陽(yáng)又可以劃分為跟蹤集熱器與非跟蹤集熱器，以集熱器內(nèi)是否有真空空間又可將其劃分為平板型與真空管型集熱器。以溫度為劃分標(biāo)準(zhǔn)，集熱器可分為低溫、中溫、高溫集熱器。按集熱器使用材料，可將其劃分為純鋁集熱板、銅鋁復(fù)合集熱板、純銅集熱板。平板型太陽(yáng)能集熱器、全玻璃真空管集熱器，直流式真空管集熱器等是常見(jiàn)的集熱器[2]。

2 太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

太陽(yáng)能是一種可再生的清潔型能源，大量應(yīng)用太陽(yáng)能，有利于節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境。集熱器是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的核心部件，優(yōu)化集熱器的集熱與傳熱性能是太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)[3]。集熱器部件不同，集熱效果不同，本文通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)太陽(yáng)能集熱器的具體優(yōu)化建議。

2.1 設(shè)備與儀器

試驗(yàn)系統(tǒng)組成：平板式太陽(yáng)能空氣集熱器；PT100溫度傳感器；總輻射表；日晷；風(fēng)機(jī)；風(fēng)速計(jì)；無(wú)紙記錄儀。

2.2 方法

太陽(yáng)輻照度、傳熱工質(zhì)流量、集熱器結(jié)構(gòu)等是決定集熱器出口溫度的主要因素。由于相關(guān)大氣參數(shù)，如輻照度、環(huán)境溫度具有客觀性。通過(guò)更換太陽(yáng)能集熱器的重要部件，改變部件結(jié)構(gòu)，觀察集熱效率，可以獲得最佳性能結(jié)構(gòu)參數(shù)。

首先，吸熱體波紋試驗(yàn)。選擇平面無(wú)波紋、沿集熱器縱向波紋、橫向波紋，三種波紋不同的吸熱體集熱器，在環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度相近的3天內(nèi)對(duì)集熱器進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)量，比較熱能轉(zhuǎn)化率。

其次，進(jìn)出口數(shù)量選定。集熱器進(jìn)出口與外部之間采用直徑70mm的耐熱抗老化且保溫效果好的管道進(jìn)行連接，進(jìn)出口數(shù)量分為3組、1組，對(duì)集熱效果進(jìn)行對(duì)比，選擇集熱效率高的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)。

第三，集熱器串聯(lián)組合試驗(yàn)。集熱器的連接方式分并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)三種。本次試驗(yàn)對(duì)集熱器進(jìn)行串聯(lián)，分別測(cè)量單個(gè)集熱器的集熱效率，串聯(lián)兩個(gè)集熱器的集熱效率、串聯(lián)三個(gè)集熱器的集熱效率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

首先，吸熱體波紋試驗(yàn)。沿集熱器橫向波紋集熱效率為83.52%，沿集熱器縱向波紋的集熱效率為73.93%，平面無(wú)波紋的集熱效率為66.05%。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，平面無(wú)波紋的集熱器，集熱效率最低。平面有波紋的集熱器，可以增大集熱器吸熱與換熱面積，因此其集熱效率較平面集熱器高。波紋集熱器可以在一定程度上阻礙工質(zhì)的流動(dòng)，這就達(dá)到減少熱阻的效果，充分換熱，集熱效率與傳熱工質(zhì)流動(dòng)方向一致的縱向波紋集熱器的集熱效率高。

其次，進(jìn)出口數(shù)量。本次試驗(yàn)顯示，集熱器出入口數(shù)量為1組時(shí)的集熱效率顯著低于三組集熱器入口。集熱器出入口較少時(shí)，集熱器內(nèi)部的某些邊角因與出入口距離過(guò)遠(yuǎn)，氣流相對(duì)穩(wěn)定，不易流動(dòng)，空氣流動(dòng)性不強(qiáng)，換熱效果不好。三組集熱器出入口沿集熱器寬度均勻分布，不易形成氣流死角，空氣流動(dòng)迅速，換熱效果顯著，從而提高了集熱器的效率。

第三，串聯(lián)組合試驗(yàn)結(jié)果。太陽(yáng)能能源豐富，但是密度小，分布分散，不易利用，單個(gè)集熱器的集熱效率較低。集熱器并聯(lián)與串聯(lián)各有優(yōu)勢(shì)，就集熱效率與并聯(lián)相比，串聯(lián)有一定的集熱效率相對(duì)較低。集熱器采集熱量時(shí)會(huì)有一定的熱損，當(dāng)將多個(gè)集熱進(jìn)行串聯(lián)時(shí)，會(huì)降低集熱器的總體集熱效率。在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，單個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器的平均集熱效率是51.41%，兩個(gè)集熱器串聯(lián)后的集熱效率為37.51%，三個(gè)集熱器串聯(lián)后的集熱效率為30.88%。由此可見(jiàn)，雖然集熱器串聯(lián)可以增加出口溫度，但是集熱器串聯(lián)越多，集熱效率越低。

3 結(jié)論

3.1 選擇與集熱器傳熱工質(zhì)流動(dòng)方向垂直的橫向波紋集熱器

由本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與集熱器傳熱工質(zhì)流動(dòng)方向垂直的橫向波紋集熱器的集熱效率顯著高于平面無(wú)波紋或縱向波紋的集熱器。

3.2 選擇合適的上下通道空間比例

本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上下通道空間比例2：1，即吸熱體距離內(nèi)殼底部40mm時(shí)，太陽(yáng)能空氣集熱器的傳熱工質(zhì)能最大限度的吸收與傳遞熱能，提高集熱器集熱效率。

3.3 設(shè)計(jì)多個(gè)進(jìn)出口

本次試驗(yàn)中，1組進(jìn)出口的集熱器，集熱效率顯著低于3組集熱器，設(shè)計(jì)多個(gè)進(jìn)出口，有利于集熱器內(nèi)部空氣流動(dòng)，均勻換熱，提高集熱效率。

3.4 根據(jù)具體需要選擇集熱器連接方式

經(jīng)測(cè)試，單個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器的平均集熱效率是51.41%，兩個(gè)集熱器串聯(lián)后的集熱效率為37.51%，三個(gè)集熱器串聯(lián)后的集熱效率為30.88%。由此可見(jiàn)，雖然集熱器串聯(lián)可以增加出口溫度，但是集熱器串聯(lián)越多，集熱效率越低，因此在實(shí)際的生產(chǎn)生活應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需要選擇集熱器連接方式。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)家正在提倡節(jié)能減排，太陽(yáng)能作為一種清潔型能源，正日益受到政府的重視，其發(fā)展前景十分廣闊，如建筑節(jié)能、供熱、發(fā)電采光照明等方面。國(guó)民生活水平不斷提高，不禁擴(kuò)大了太陽(yáng)能集熱器的市場(chǎng)，也對(duì)太陽(yáng)能集熱器也提出了更高的要求，提高太陽(yáng)能集熱器的集熱效率是提高太陽(yáng)能資源利用率的內(nèi)在要求，本文經(jīng)過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，優(yōu)化太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)，如選擇與集熱器傳熱工質(zhì)流動(dòng)方向垂直的橫向波紋集熱器，選擇合適的上下通道空間比例，設(shè)計(jì)多個(gè)進(jìn)出口，根據(jù)具體需要選擇集熱器連接方式可以顯著提高太陽(yáng)能集熱器的集熱效率。相信隨著太陽(yáng)能技術(shù)的快速發(fā)展，太陽(yáng)能資源的利用率將會(huì)大幅提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張淞源，關(guān)欣，王殿華，等.太陽(yáng)能光伏光熱利用的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31（增刊）：323.

[2]班婷，朱明，王海.太陽(yáng)能集熱器的研制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，S1：277-281.

[3]朱冬生，徐婷，蔣翔，黃銀盛，漆小玲.太陽(yáng)能集熱器研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2012，10：1582-1584.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]