太陽能集熱器熱性能分析

1、太陽能集熱器熱性能分析摘要：本文介紹了太陽能集熱器的種類以及各自的特點。同時，闡述了太陽能集熱器熱性能的理論，包括影響太陽能集熱器熱性能的因素、太陽能集熱器熱性能的測試方法等。關(guān)鍵字：太陽能集熱器、熱性能測試、影響因素0 引言隨著能源的大量消耗和環(huán)境的急劇破壞，新能源技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)世界經(jīng)濟發(fā)展中具有決定性影響的五個技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽能因為具有取之不盡、用之不竭、無環(huán)境污染等諸多優(yōu)點而受到各國重視。2011年，我國太陽能集熱器生產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的80%，占世界保有量的60%左右，說明我國已經(jīng)成為太陽能利用大國。太陽能集熱器是將其接收的太陽輻射能向傳熱工質(zhì)傳遞熱能的裝置，因此，太陽能集熱器是太

2、陽能利用的關(guān)鍵裝置。所以，太陽能集熱器的研究、開發(fā)與應(yīng)用對太陽能資源的高效應(yīng)用至關(guān)重要。1 太陽能集熱器的種類隨著太陽能利用的大力發(fā)展，太陽能集熱器的種類也越發(fā)多樣化。根據(jù)進入采光口的太陽輻射方向是否改變，分為聚光型集熱器、非聚光型集熱器；根據(jù)集熱器的傳熱工質(zhì)類型的不同，分為液體型集熱器、空氣型集熱器；根據(jù)集熱器是否跟蹤太陽，分為跟蹤集熱器、非跟蹤集熱器；根據(jù)集熱器內(nèi)是否有真空空間，分為平板型集熱器、真空管型集熱器；根據(jù)集熱器的工作溫度范圍的不同，分為高溫集熱器（300800）、中溫集熱器（80250）、低溫集熱器（4080）。其中，太陽能熱利用產(chǎn)品最常見的有兩種-平板型太陽能集熱器與真空管型

3、太陽能集熱器。1.1 平板型太陽能集熱器及其特點平板型太陽能集熱器1的典型結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括透明蓋板、吸熱板芯、流體流道、隔熱層和箱體等部分.圖1 平板型太陽能集熱器典型結(jié)構(gòu)陽光透過透明蓋板照射到吸熱板表面，吸熱板吸收大部分太陽輻射能，將其轉(zhuǎn)化為熱能，并將熱能傳遞給流道內(nèi)的傳熱介質(zhì)，傳熱介質(zhì)攜帶熱能進入儲熱設(shè)備。這樣，傳熱工質(zhì)被加熱后，溫度逐漸升高，作為集熱器的有用熱能輸出。同時，由于吸熱體內(nèi)的溫度升高，通過透明蓋板和外殼向周圍環(huán)境散失熱量，造成了平板型太陽集熱器的各種熱損失。平板型太陽能集熱器在我國的太陽能利用中已廣泛應(yīng)用，技術(shù)日趨完善，主要特點有可承壓性好、大型集熱系統(tǒng)性能穩(wěn)定、建筑一

4、體化程度高等。同時還有不足，如熱損失大、無保溫功能、抗凍能力差等問題。1.2 真空管型太陽能集熱器基于平板型太陽能集熱器，發(fā)展出了真空管型集熱器。根據(jù)吸熱體材料的不同，可分為全玻璃真空管集熱器和金屬吸熱體（玻璃金屬）真空管集熱器兩大類。主要有全玻璃真空管式集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。近年來，由于真空管式太陽能集熱器的優(yōu)異性能，越來越受到重視。其主要特點有熱損失小，保溫效果好、使用壽命長、抗沖擊抗凍能力強。同時還有安裝復(fù)雜，承壓能力弱，維護麻煩等不足。1.2.1 全玻璃真空管型太陽能集熱器全玻璃真空管式太陽能集熱管主要由內(nèi)外玻璃管、選擇性吸收涂層、真空夾層、保護帽、消氣劑等

5、部件組成。其工作原理簡單，形狀如同拉長的保溫瓶。典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 全玻璃真空管型太陽能集熱器典型結(jié)構(gòu)當(dāng)內(nèi)玻璃管吸收太陽光輻射升溫時，圓頭就形成熱脹冷縮的自由端，因此緩沖引起管開口端的熱應(yīng)力。內(nèi)玻璃管內(nèi)裝水，內(nèi)玻璃管的外表面涂上太陽選擇性吸收涂層，用來吸收太陽輻射能。將內(nèi)外玻璃管之間的夾層抽成高真空，減少熱損失，起到保溫的作用。在外玻璃管尾端粘結(jié)一只金屬保護帽，以保護抽真空后封閉的排氣嘴。彈簧支架上裝有消氣劑，用于吸收真空集熱管運行時釋放出來的氣體，以保持管內(nèi)真空度的作用。1.2.2 U型管式太陽能集熱器U型管式太陽能集熱器是基于全玻璃真空管式太陽能集熱器改進而來的。由集管、隔熱材料、集

6、熱流體、U型管等部件組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 U型管式太陽能集熱器典型結(jié)構(gòu)U型管式真空太陽能集熱管是在普通真空玻璃管內(nèi)插入一根U型銅管，U型銅管外包鋁型翅片，鋁型翅片與真空管內(nèi)壁接觸，真空管吸收太陽輻射能，通過U型管中流動的工質(zhì)傳遞熱能。因為真空管內(nèi)沒有水，所以不會因一只管破損而影響整個系統(tǒng)的運行；真空管的熱容大大減小，同樣的天氣條件下可以獲得更多的熱量，因而提高了產(chǎn)品性能和運行的可靠性。1.2.3 熱管式真空管太陽能集熱器熱管式真空管太陽能集熱器同樣是基于全玻璃真空管式太陽能集熱器改進而來的。熱管式真空管太陽能集熱器由熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、吸氣劑等組成。其典型

7、結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 熱管式真空管太陽能集熱器典型結(jié)構(gòu)熱管式真空管太陽能集熱器是利用太陽輻射在表面鍍有選擇性吸收涂層的金屬吸熱板上，將吸收到的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，并傳遞給熱管，熱管吸收熱能后并加熱管內(nèi)工質(zhì)使其迅速汽化，被汽化的工質(zhì)上升到熱管冷凝端，在冷凝端放熱迅速凝結(jié)為液體，在重力的作用下液體流回蒸發(fā)端。太陽能轉(zhuǎn)化的過程就是熱管內(nèi)工質(zhì)汽-液相變循環(huán)過程。2 太陽能集熱器熱性能分析2.1 影響集熱性能的因素集熱性能是評價與選擇太陽能集熱器的關(guān)鍵性參數(shù)，所以，對集熱器的研究基本上都圍繞集熱器熱性能展開的。Samareh B2等研究了影響集熱器熱損失的主要因素，包括：風(fēng)向、風(fēng)速（自然對流、強制對流

8、、混合對流）對熱損失的影響，集熱器自身維護結(jié)構(gòu)以及安裝位置對熱損失的影響。盧郁等3對平板太陽能集熱器熱性能進行理論推導(dǎo)，引入效率因子，進行模擬，得出吸熱體板芯結(jié)構(gòu)、板芯用材對平板太陽能集熱器熱性能的影響。在不降低集熱器效率因子的情況下，是翅片單位面積降低45.8%；在材料消耗相同情況下，集熱器效率因子提高了0.03。張靜敏等4對影響集熱器性能的因素進入集熱器的空氣流量、輻射強度、環(huán)境溫度、集熱器內(nèi)的蓄熱體和集熱棚的高度等參數(shù)，進行了研究，并分析了各因素對太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)空氣集熱器性能的影響。張小粉等5對熱管真空管太陽能集熱器的傳熱機理進行了分析，給出了其總熱損失系數(shù)、效率因子、熱遷移因子和順

9、勢效率的表達式，并通過實例將順勢效率的理論值與實驗值進行了比較，兩者相對誤差小于6.74%。王勇等6對平板太陽能集熱器改進透明蓋板、設(shè)置透明隔熱層、改進吸收涂層、優(yōu)化吸熱板、采用納米流體等因素，使集熱器熱性能得到提升。2.2 太陽能集熱器熱性能測試2001年頒布實施的歐洲標(biāo)準(zhǔn)給出兩種太陽能集熱器熱性能測試方法：一種是穩(wěn)態(tài)測試方法，另一種是動態(tài)測試方法。穩(wěn)態(tài)測試方法模型相對簡單，該測試是在集熱器達到穩(wěn)定的工況條件下進行的，且測試過程中對天氣等條件的限制非常嚴格，需要相當(dāng)長的測試時間以及比較高的測試成本,使其應(yīng)用的廣泛性受到很大的限制。相反，動態(tài)測試法是在集熱器實際運行工況條件下對集熱器熱性能進行

10、測試，檢測過程所要求的條件相對寬松，測試周期短，成本低。所以，相關(guān)的科研機構(gòu)和科研工作者基本都是致力于研究太陽能集熱器熱性能的動態(tài)測試法。由于穩(wěn)態(tài)測試方法在測試過程中忽略了某些影響因素，所以對其的測試要求相當(dāng)嚴格。所以，在放寬測試條件的動態(tài)測試方法中，必須考慮這些因素7，包括：入射角修正系數(shù)K（）對0的影響、風(fēng)速的影響、長波輻射的影響等。孫峙峰等8對同一個太陽能集熱器熱性能分別進行了動態(tài)和穩(wěn)態(tài)測試，并對實驗結(jié)果進行了分析和對比，結(jié)果表明在集熱器基于入口溫度的歸一化溫差低、中溫差處，兩種測試方法得到的效率曲線重合，得出太陽能集熱器動態(tài)測試方法與穩(wěn)態(tài)測試方法的結(jié)論基本相符。在集熱器基于入口溫度的歸

11、一化溫差的高溫差出，兩種測試方法得到的效率曲線有偏差。這為進一步對太陽能集熱器動態(tài)測試方法的研究打下了基礎(chǔ)。3 結(jié)語太陽能作為一種蘊含量巨大的新能源，近幾十年來，得到了迅猛的發(fā)展，并且應(yīng)用越來越廣泛。太陽能集熱器作為太陽能光熱系統(tǒng)中所研究的核心問題之一，雖說已取得豐碩的成果，但由于集熱器復(fù)雜的傳熱機理、集熱器材料以及生產(chǎn)工藝的不完善，所以，還需要對集熱器做更深一步的研究分析，提高其傳熱效率。從而對太陽能光熱系統(tǒng)能夠長期高效穩(wěn)定安全的運行產(chǎn)生深遠的意義。參考文獻1 GB/T6424-2007.平板型太陽能集熱北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.2 Samareh B, Yaghoubi M. Two

12、 Dimensional Numerical Simulation of the Turbulent Wind Flow around a Large Parabolic Solar Collector.In: Proceedings of APCWEVI, Korea, 2005,151.3 盧郁，于洪文等.平板太陽能集熱器熱性能數(shù)學(xué)建模以及模擬.濟南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2013,27(3).4 張靜敏、張華等太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)集熱器性能的影響因素分析可再生能源，2008, 26(3).5 張小粉、張立希、張鶴飛熱超導(dǎo)管管全玻璃真空管集熱器的熱性能分析.機械設(shè)計與制造，2007,10(10).6 王勇，段廣彬.平板太陽能集熱器強化傳熱特性研究.材料導(dǎo)報A：綜述篇.2014,28(10).7 Fischer S,