太陽能集熱器的結構優化方式分析

曹靜　曲春光

【摘 要】太陽能集熱器的功能是吸收太陽輻射并傳遞熱能，集熱器是太陽能的重要組成部分，與太陽能的供熱、供冷功能緊密聯系，集熱器決定整個太陽能系統的質量。本文闡述了當前國內太陽能集熱器的主要種類，對太陽能集熱器的結構進行分析，并通過具體實驗，得出對太陽能集熱器的具體優化建議，旨在提高整個太陽能系統的運行質量。

【關鍵詞】太陽能熱泵；集熱器；實驗

傳統石化能源不可再生，越用越少，開發新型能源是必然選擇，太陽能作為一種新型清潔能源，分布普遍，能量巨大，可直接開發與利用，我國地大物博，三分之二以上的土地年日照時數都超過2200h，太陽能資源非常豐富，大力開發利用太陽能資源可以有效緩解國內嚴峻的資源形式。太陽的輻射能轉換為熱能是太陽能利用的關鍵。太陽能資源雖然很大，大時比較分散，只有把分散的太陽能集中起來，才可以真正利用太陽能為生產生活服務[1]。所以，集熱器就是采集分散的太陽能，轉化并傳遞熱能的關鍵部位。太陽能有多種用途，依生產生活需要，集熱器也分為許多種，名稱也不同，生活中常見的如太陽灶、太陽能熱水器、用于太陽能干燥器等，工業生產中的太陽能熔爐，太陽能熱電站等。太陽能集熱器是將太陽能熱轉換為熱能的關鍵部分，是太陽能系統的核心部件，太陽能集熱器的性能決定著整個太陽能系統的運行質量，因此，提高集熱器的熱量采集與熱能傳遞效率，對于開發利用太陽能具有重要意義。

1 太陽能集熱器的基本概念與分類

吸收太陽輻射并傳遞熱能至傳熱介質的裝置即太陽能集熱器，這個定義說明太陽能集熱器包含四個含義。首先，太陽能集熱器是一種裝置。其次，太陽能可以被這種裝置吸收利用。第三，這種裝置可以產生熱能。第四，熱能可以通過這種裝置進行傳遞。太陽能收集與吸收裝置是集熱器的主要組成部分。太陽能集熱器的種類繁多，根據不同分類標準，可以將太陽能集熱器分為多個種類。液體采集器與空氣采集器是以集熱器不同的傳熱工質劃分的，聚光型與非聚光型集熱器根據進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又可以劃分為跟蹤集熱器與非跟蹤集熱器，以集熱器內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。以溫度為劃分標準，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、銅鋁復合集熱板、純銅集熱板。平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管集熱器，直流式真空管集熱器等是常見的集熱器[2]。

2 太陽能集熱器的結構優化

太陽能是一種可再生的清潔型能源，大量應用太陽能，有利于節能減排，保護環境。集熱器是太陽能熱利用系統的核心部件，優化集熱器的集熱與傳熱性能是太陽能集熱器結構優化的重點[3]。集熱器部件不同，集熱效果不同，本文通過具體實驗，得出對太陽能集熱器的具體優化建議。

2.1 設備與儀器

試驗系統組成：平板式太陽能空氣集熱器；PT100溫度傳感器；總輻射表；日晷；風機；風速計；無紙記錄儀。

2.2 方法

太陽輻照度、傳熱工質流量、集熱器結構等是決定集熱器出口溫度的主要因素。由于相關大氣參數，如輻照度、環境溫度具有客觀性。通過更換太陽能集熱器的重要部件，改變部件結構，觀察集熱效率，可以獲得最佳性能結構參數。

首先，吸熱體波紋試驗。選擇平面無波紋、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，在環境溫度、太陽輻照度相近的3天內對集熱器進出口溫度進行測量，比較熱能轉化率。

其次，進出口數量選定。集熱器進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行連接，進出口數量分為3組、1組，對集熱效果進行對比，選擇集熱效率高的進出口結構。

第三，集熱器串聯組合試驗。集熱器的連接方式分并聯、串聯和串并聯三種。本次試驗對集熱器進行串聯，分別測量單個集熱器的集熱效率，串聯兩個集熱器的集熱效率、串聯三個集熱器的集熱效率。

2.3 試驗結果

首先，吸熱體波紋試驗。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%，平面無波紋的集熱效率為66.05%。由試驗數據可知，平面無波紋的集熱器，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的流動，這就達到減少熱阻的效果，充分換熱，集熱效率與傳熱工質流動方向一致的縱向波紋集熱器的集熱效率高。

其次，進出口數量。本次試驗顯示，集熱器出入口數量為1組時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，集熱器內部的某些邊角因與出入口距離過遠，氣流相對穩定，不易流動，空氣流動性不強，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，空氣流動迅速，換熱效果顯著，從而提高了集熱器的效率。

第三，串聯組合試驗結果。太陽能能源豐富，但是密度小，分布分散，不易利用，單個集熱器的集熱效率較低。集熱器并聯與串聯各有優勢，就集熱效率與并聯相比，串聯有一定的集熱效率相對較低。集熱器采集熱量時會有一定的熱損，當將多個集熱進行串聯時，會降低集熱器的總體集熱效率。在試驗時間內，單個太陽能空氣集熱器的平均集熱效率是51.41%，兩個集熱器串聯后的集熱效率為37.51%，三個集熱器串聯后的集熱效率為30.88%。由此可見，雖然集熱器串聯可以增加出口溫度，但是集熱器串聯越多，集熱效率越低。

3 結論

3.1 選擇與集熱器傳熱工質流動方向垂直的橫向波紋集熱器

由本文試驗數據可知，與集熱器傳熱工質流動方向垂直的橫向波紋集熱器的集熱效率顯著高于平面無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

本次試驗中發現，當上下通道空間比例2：1，即吸熱體距離內殼底部40mm時，太陽能空氣集熱器的傳熱工質能最大限度的吸收與傳遞熱能，提高集熱器集熱效率。

3.3 設計多個進出口

本次試驗中，1組進出口的集熱器，集熱效率顯著低于3組集熱器，設計多個進出口，有利于集熱器內部空氣流動，均勻換熱，提高集熱效率。

3.4 根據具體需要選擇集熱器連接方式

經測試，單個太陽能空氣集熱器的平均集熱效率是51.41%，兩個集熱器串聯后的集熱效率為37.51%，三個集熱器串聯后的集熱效率為30.88%。由此可見，雖然集熱器串聯可以增加出口溫度，但是集熱器串聯越多，集熱效率越低，因此在實際的生產生活應用中，應根據具體需要選擇集熱器連接方式。

4 結語

當前國家正在提倡節能減排，太陽能作為一種清潔型能源，正日益受到政府的重視，其發展前景十分廣闊，如建筑節能、供熱、發電采光照明等方面。國民生活水平不斷提高，不禁擴大了太陽能集熱器的市場，也對太陽能集熱器也提出了更高的要求，提高太陽能集熱器的集熱效率是提高太陽能資源利用率的內在要求，本文經過試驗認為，優化太陽能集熱器的結構，如選擇與集熱器傳熱工質流動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，設計多個進出口，根據具體需要選擇集熱器連接方式可以顯著提高太陽能集熱器的集熱效率。相信隨著太陽能技術的快速發展，太陽能資源的利用率將會大幅提高。

【參考文獻】

[1]張淞源，關欣，王殿華，等.太陽能光伏光熱利用的研究進展[J].化工進展，2012，31（增刊）：323.

[2]班婷，朱明，王海.太陽能集熱器的研制及結構優化[J].農業工程學報，2011，S1：277-281.

[3]朱冬生，徐婷，蔣翔，黃銀盛，漆小玲.太陽能集熱器研究進展[J].電源技術，2012，10：1582-1584.

[責任編輯：楊玉潔]