適用于西藏的太陽能空氣集熱器的研發

盧漢宇，諾 桑*，盛 敏，王文雅，王萌萌，措加旺姆

(1. 西藏大學太陽紫外線實驗室，拉薩 850000；2. 西藏自治區能源研究示范中心，拉薩 850000)

0 引言

節能與環保是當今經濟發展的焦點，太陽能空氣集熱技術是其中一個有待進一步發展的重要技術環節。太陽能空氣集熱技術適用于建筑供暖、除濕、農產品干燥等領域[1-2]。

太陽能空氣集熱系統可直接應用于建筑空調、建筑供暖等建筑節能領域[3-4]，無需二次轉換，其具有性價比高、結構簡單、初始投資低、無工質泄露、工質不凍結和運行維護方便等諸多優勢[5]。太陽能空氣集熱系統的生產流程簡單，原料均來自市售材料，成本低，已規?；可a，易在建筑供暖領域實現與建筑一體化。

太陽能空氣集熱器可安裝在斜坡屋頂、平屋頂或垂直墻面上，多個太陽能空氣集熱器組裝后整體成為一個大型太陽能空氣集熱器，僅有1 個進風口和1 個出風口，安裝方便。國際上第1 個太陽能空氣集熱器于1881 年由美國人研制，此后太陽能空氣集熱技術及其應用得到了長足發展[6-9]，但相比利用液體(水、油等)的太陽能集熱技術，太陽能空氣集熱技術仍然處于落后狀態。

目前，以空氣為熱傳播介質的太陽能集熱技術及其應用在西藏自治區(下文簡稱為“西藏”)較為罕見，但西藏的太陽能資源非常豐富[10-12]，是中國太陽輻射最強的地區，其比同緯度的平原地區的太陽輻射量高出1 倍左右，日照時長也是全國之最，豐富的太陽能資源使太陽能空氣集熱技術非常適用于西藏等高寒地區的建筑供暖、除濕、農產品干燥等領域，因此，研究和開發太陽能空氣集熱技術和產品具有重要現實意義和必要性。本文針對西藏得天獨厚的地理優勢和太陽能資源優勢，為建筑供暖研發設計了一種太陽能空氣集熱器，并制造了該太陽能空氣集熱器樣機，然后在拉薩市自然太陽光條件下對其集熱性能進行了測試。

1 太陽能空氣集熱器的設計與工作原理

本文研究設計的太陽能空氣集熱器的結構主要由覆蓋于表面的透光材質的陽光板(聚碳酸酯)，內部的金屬絲網格、內部的空氣隔板，不銹鋼邊框、背板組成的集熱腔金屬外殼，以及保溫層等部件組成。其中，金屬絲網格、空氣隔板和背板均為吸收陽光的部件，涂覆黑色涂料以增強吸收陽光效率。

該太陽能空氣集熱器的長為2000 mm、寬為940 mm、高為124 mm，進風口、出風口的直徑均約為10 cm；集熱器內部體積被空氣隔板分成相等的4 個集熱腔，4 個集熱腔內部均安裝了金屬絲網格。本文研究設計的太陽能空氣集熱器的三維設計模型如圖1 所示，其結構和工作原理如圖2 所示。

圖1 本文研究設計的太陽能空氣集熱器的三維設計模型Fig. 1 3D design model of solar air collector studied and designed in this paper

圖2 本文研究設計的太陽能空氣集熱器的結構與工作原理Fig. 2 Structure and working principle of solar air collector studied and designed in this paper

該太陽能空氣集熱器的工作原理為：冷空氣從進風口進入(由太陽電池作為風機工作電源，使風機工作，產生動力推動空氣)太陽能空氣集熱器，空氣逐步進入集熱器內部的4 個集熱腔中，流動方向如圖2 中虛線所示；每個集熱腔的空氣進、出口(外側進、出風口均為圓形孔，內部4個集熱腔之間的進、出風口均為方形孔)位置設計成斜對稱位置，從而增加空氣在太陽能空氣集熱器中的流動距離；在每個集熱腔中逐步獲得熱能(通過與接收太陽輻射的集熱腔金屬碰撞來獲得熱能)，最終從太陽能空氣集熱器的出風口排出。

本文研究設計的太陽能空氣集熱器的特點是：1)內部采用空氣隔板分成了4 個集熱腔，使集熱器內空氣的溫度一腔一腔地逐步提升。為了增加空氣與熱傳導體的接觸面積，每個集熱腔內部設計安裝了1 片傾斜放置的金屬絲網格，以提高太陽能空氣集熱器的集熱效率，金屬絲網格與氣體流向形成斜度(1:17.09)。金屬絲網格吸收太陽輻射被加熱，使金屬絲網格的溫度升高，空氣通過對流穿過金屬絲網格后被加熱，從而增加太陽能空氣集熱器的集熱效率。2)增加了風機，以太陽電池作為風機工作電源，風機工作產生動力推動空氣，加速了集熱腔熱空氣的產出。

2 太陽能空氣集熱器的設計與制作

2.1 材料選用

從集熱器蓋板、吸熱板、吸熱涂層、空氣推進機4 個方面介紹本文研究設計的太陽能空氣集熱器的材料選用情況。

2.1.1 集熱器蓋板

太陽能空氣集熱器的蓋板(透光板)選用凱力龍科技有限公司生產的聚碳酸酯陽光板，使用壽命達15 年以上，具有抗紫外線涂層，屬于高透光率的陽光板，其理論透光率高達89.00%。

在西藏拉薩市太陽光下首次測試了該種聚碳酸酯陽光板的透光特性光譜特征，測試使用兩臺同型號儀器同時、同地進行，其中一臺不做遮蓋，另一臺在測試窗口上方放置聚碳酸酯陽光板，測試結果如圖3 所示。圖中：高位的光譜(紅色曲線)為未透過陽光板的光譜，低位的光譜(藍色曲線)為透過陽光板的光譜。

圖3 聚碳酸酯陽光板的透光特性光譜特征Fig. 3 Spectral characteristics of light transmission characteristics of polycarbonate sunlight board

從圖3 可以看出：該種聚碳酸酯陽光板除了對短波(300～400 nm 的紫外線)的吸收較強外，對其他主要光譜(可見光和紅外光)都有很好的透光效果。測試結果表明：該種聚碳酸酯陽光板的實際全波段透光率平均值達到84.97%，比廠家給出的理論透光率約小4.03%，而一般玻璃的透光率為73.00%～85.00%。

除透光率較高以外，該種聚碳酸酯陽光板的其他優點還包括：相同厚度的情況下，聚碳酸酯陽光板的質量只有玻璃的一半，而抗撞擊能力是玻璃的250～300 倍。主要缺點包括：熱脹冷縮較嚴重，需要預留3%的膨脹空間；密封時需要使用膠條。

2.1.2 吸熱板

本文研究設計的太陽能空氣集熱器中，不銹鋼邊框、空氣隔板、背板和金屬絲網格都屬于吸收陽光的吸熱板。其中，不銹鋼邊框、空氣隔板、背板均采用厚度為1.2 mm 的不銹鋼板制作。不銹鋼的太陽吸收比為0.63～0.86，發射比為0.23～0.28，在各類金屬之中排名靠前；且不銹鋼的耐性較好，比鐵更難生銹，可以經受風吹日曬，使用壽命長。

2.1.3 吸熱涂層

為了增加吸熱板對太陽光的吸收效率，本文研究設計的太陽能空氣集熱器在吸熱板表面噴涂了一般家用黑色噴漆，同時也可起到防銹的作用。

世界上最黑的涂料為碳納米管黑體，由英國Surrey NanoSystems 公司研發，該涂料能夠吸收99.96%以上的光能。本文研究設計的太陽能空氣集熱器采用市面上一般家用黑色噴漆，即平恒牌39 號黑色噴漆，該噴漆的優點是附著力強、不易脫落；涂層吸光率與涂層厚度相關，經過幾次噴涂后，采用平恒牌39 號黑色噴漆的涂層可以達到90%的吸光率，吸光率較高。

2.1.4 空氣推進機

外面環境的冷空氣需要推入到太陽能空氣集熱器的集熱腔中，并使其在集熱腔中充分流動以獲得熱能。本設計采用功率為40 W 的風機，工作電壓為220 V(可以使用太陽能供電，也可使用市電供電)，靜壓為190 Pa，風量為150 m3/h，可以產生足夠強的熱風。

2.2 部件組裝

首先根據太陽能空氣集熱器的三維設計模型(見圖1)、太陽能空氣集熱器的結構與工作原理(見圖2)，焊接組裝太陽能空氣集熱器的集熱腔金屬外殼吸熱部件，包括進風口和出風口；然后把做好的集熱腔金屬外殼內部用39 號黑色噴漆均勻的噴涂3 次，包括內部側面；最后用密封膠條將作為太陽能空氣集熱器蓋板的陽光板密封固定在集熱腔金屬外殼上方，組裝完成。本文研究設計的太陽能空氣集熱器的組裝過程如圖4 所示，最終成品圖如圖5 所示。

圖4 本文研究設計的太陽能空氣集熱器的組裝過程Fig. 4 Assembly process of solar air collector studied and designed in this paper

圖5 本文研究設計的太陽能空氣集熱器成品圖Fig. 5 Finished product photo of solar air collector studied and designed in this paper

3 太陽能空氣集熱器的測試

太陽能空氣集熱器的集熱效率是評價該設備性能的主要參數，影響集熱效率的主要因素包括：蓋板的透光率，以及吸熱板材料、涂層材料、保溫材料的性能。

太陽能空氣集熱器的集熱效率η是指太陽能空氣集熱器產生的熱量Q與照在太陽能空氣集熱器上的太陽總輻射功率QS的百分比，其計算式可表示為：

式中：m為太陽能空氣集熱器的空氣質量流量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱，J/(kg·K)，本文取1005；ΔT為太陽能空氣集熱器出風口空氣溫度與進風口空氣溫度之間的差值，K。

太陽能空氣集熱器的空氣質量流量的計算式可表示為：

式中：v為太陽能空氣集熱器中的空氣平均流速，m/s；S為1 個太陽能空氣集熱器的有效橫截面面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3，在標準條件(0 ℃，1 個標準大氣壓)下取1.29，拉薩市的空氣密度為0.767 kg/m3。

太陽能空氣集熱器出風口空氣溫度T2與進風口空氣溫度T1之間的差值計算式為：

根據式(1)，在照在太陽能空氣集熱器上的太陽總輻射功率和太陽能空氣集熱器的空氣質量流量一定的條件下，集熱效率只與出風口空氣溫度和進風口空氣溫度之間的差值成正比，因此，出風口空氣溫度與進風口空氣溫度之間的差值越大，集熱效率越高。而太陽能空氣集熱器的出風口空氣溫度與進風口空氣溫度之間的差值除了與集熱器結構、材料和密封程度相關外，最關鍵的影響因素是照在陽光板上的太陽輻照度，沒有太陽輻射就沒有集熱可言。

制作本文研究設計的太陽能空氣集熱器樣機，然后在西藏大學進行了自然太陽光下的集熱性能測試，測試現場如圖6 所示。

圖6 本文研究設計的太陽能空氣集熱器的集熱性能測試現場Fig. 6 Test site of heat collection performance of solar air collector studied and designed in this paper

測試時使用風量為150 m3/h 的風機；采用荷蘭Kipp & Zonen 公司生產的CMP-11 型總輻射儀測量太陽輻照度，測量的波長范圍為285～2800 nm。CMP-11 型總輻射儀安裝在太陽能空氣集熱器的一角，其與太陽能空氣集熱器均正朝向太陽。

測試時間為北京時間2022 年6 月2 日10:25～18:55，該時間段包括了拉薩當地正午時刻13:56。測試當天，天氣情況為晴天和離散少云；環境溫度為20～30 ℃，日均溫度為22.45 ℃；該地的太陽輻照度為161.8～1588.0 W/m2，均值為1316.3 W/m2。在此條件下，以太陽能空氣集熱器采用跟蹤太陽的模式(即根據太陽位置，人為手動頻繁調整太陽能空氣集熱器的擺放角度)測試其集熱性能。

太陽能空氣集熱器的集熱性能測試結果如圖7 所示。

圖7 太陽能空氣集熱器的集熱性能測試結果Fig. 7 Test results of heat collection performance of solar air collector

從圖7 可以看出：測試當天，太陽能空氣集熱器的進風口空氣溫度(即環境溫度)約在20～30 ℃之間，平均值為22.45 ℃；出風口空氣溫度約達到51～85 ℃，平均值達到68.00 ℃；則太陽能空氣集熱器出風口空氣溫度均值與進風口空氣溫度均值之間的差值約為46.00 ℃。太陽能空氣集熱器加熱的空氣最高溫度約達到85 ℃，已接近拉薩地區水的沸點(約為86 ℃)，說明該太陽能空氣集熱器的集熱效率非常高。

在正常運行時，由于太陽能空氣集熱器被嚴格密封，其送出熱氣的風量與風機風量相同，可達到150 m3/h。由于風量為風道的有效橫截面面積和風速的乘積，因此太陽能空氣集熱器進風口風速可達到5.31 m/s。當太陽能空氣集熱器出風口空氣溫度與進風口空氣溫度之間的最大差值約為60 ℃(17:20 時)，此時照射在集熱器上的太陽輻照度為1522 W/m2、風量為150 m3/h，根據式(1)，可計算出太陽能空氣集熱器的最高集熱效率達到了89%。而一般平板太陽能集熱器在低海拔、自然太陽光條件下測試得到的集熱效率在55%以下[13]。

從圖7 還可以看出：測試當天的環境溫度基本穩定在20～30 ℃之間，太陽能空氣集熱器出風口空氣溫度隨太陽輻照度幾乎同步協調變化，具有很強的相關性和一致性。實際上，測試期間太陽能空氣集熱器并未做保溫措施，如果采取了保溫措施，這種高度一致性的呈現時間將會延后，太陽能空氣集熱器的出風口空氣溫度不會迅速隨著太陽輻照度的變化而變化，可以改善太陽能空氣集熱器輸送熱氣的持續性。由于西藏陽光直射時吸熱板的溫度會超過200 ℃，因此太陽能空氣集熱器的保溫措施需要考慮耐高溫的保溫材料。

需要說明的是，本次測試只針對單個太陽能空氣集熱器進行了集熱性能測試，未對串聯在一起的太陽能空氣集熱器陣列進行集熱性能測試。而在實際應用中，串聯后太陽能空氣集熱器陣列的集熱效率是否為單個太陽能空氣集熱器集熱效率的疊加還需要進一步研究。另外，在研制和測試過程中發現，該太陽能空氣集熱器的密封性存在一定問題，主要表現在陽光板和不銹鋼邊框之間的密封性方面，由于不銹鋼板和陽光板的熱脹冷縮系數不同，導致局部接口出現開裂現象，需要進一步研究和改進。

4 結論

本文針對西藏得天獨厚的地理優勢和太陽能資源優勢，為建筑供暖研發設計了一種太陽能空氣集熱器，并制造了該太陽能空氣集熱器樣機，然后首次在拉薩市自然太陽光下對其集熱性能進行了測試。測試結果表明：在拉薩市太陽輻射條件下，環境溫度為20～30 ℃時，該太陽能空氣集熱器采用跟蹤太陽模式，可產出溫度在51～85 ℃之間、風量為150 m3/h 的熱空氣，集熱效率非常高。

但該太陽能空氣集熱器的密封性存在一定問題，由于不銹鋼板和陽光板的熱脹冷縮系數不同，導致陽光板和不銹鋼邊框之間局部接口出現開裂現象，需要進一步研究和改進。另外，由于西藏陽光直射時吸熱板的溫度會超過200 ℃，因此太陽能空氣集熱器的保溫措施需要考慮耐高溫的保溫材料。