平板太陽能集熱器設計分析

張拓

摘 要：平板太陽能的集熱器設計，與太陽能的傳熱效果存在直接的關系。平板太陽能集熱器的結構簡單，設計過程中，要達到耐用的標準，通過設計的方式，改善平板太陽能集熱器的設計，提高傳熱的效率，保障平板太陽能具有一定的市場競爭力，體現出傳熱的價值。因此，該文主要從吸熱板導熱系數設計、吸熱板厚度設計、吸熱板寬度設計、流量設計等方面探討了平板太陽能集熱器設計的相關內容。

關鍵詞：平板太陽能 集熱器 設計

中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0052-02

平板太陽能集熱器是由吸熱板、透明蓋板、保溫層、外部殼體構成的，主要利用太陽能低溫熱，廣泛運用在生活、工業等方面。近幾年，我國平板太陽能的數量越來越多，對集熱器設計的要求逐漸提高，為了保證平板太陽能集熱器的發展能力，應該規范好集熱器的實踐設計，完善集熱器設計的同時，確保集熱器在平板太陽能中的質量。

1 平板太陽能集熱器的傳熱設計

集熱器是平板太陽能的熱交換裝置，遵循能源平衡的關系，集熱器吸收越多的太陽能，表明熱效率越高，集熱器的傳熱設計，與太陽能集熱效率存在密切的關系，傳熱的溫度越高，集熱的性能越好。太陽能輻射到平板太陽能集熱器的透明蓋板，集熱板表面會最大程度地吸收，集熱器的系統性能越高，表明透明蓋板能夠吸收更多的太陽能，進而提高平板太陽能的吸熱水平。

2 平板太陽能集熱器的設計優化

2.1 吸熱板導熱系數設計

平板太陽能集熱器的吸熱板導熱系數設計，需根據試驗評估確定最終的系數，直接改變吸熱板的導熱系數，保持其他參數正常。吸熱板導熱系數設計的過程中，模擬集熱器的運行狀態，掌握集熱器熱性能導熱系數的吸熱規律，提前設計好模擬試驗，將吸熱板導熱系數設計的參數輸入到試驗系統內，設計好集熱器吸熱板導熱的系數[1]。例如：集熱器保溫層的導熱系數=0.043 W/（m·K），吸熱板的導熱系數=398 W/（m·K），吸熱板的溫度與出口溫度，會根據導熱系數發生變化。集熱器吸熱板經常采用鋼、銅、鋁等材料，不同的材料，導熱系數設計數值不同，鋼材料的導熱系數是36 W/（m·K），銅材料是398 W/（m·K），鋁材料是236 W/（m·K）。

2.2 吸熱板厚度設計

平板太陽能集熱器的吸熱板厚度設計，直接改變吸熱板厚度就可以，不需要改變其他的參數，就能促使平板太陽能集熱器達到優化的狀態。吸熱板厚度設計時，模擬好運行的狀態，在整體上設計吸熱板的厚度。集熱器吸熱板厚度數值越大，集熱器的溫度就會降低，減少了熱損失，增加了吸熱板的有用能量，待熱效率增加后，選擇最佳的吸熱板厚度數值。吸熱板厚度設計方面，即使持續地增加板材厚度，也不會改變熱性能，保持在最佳的狀態，設計好吸熱板厚度。

2.3 吸熱板寬度設計

吸熱板寬度很容易影響平板太陽能集熱器的性能，吸熱板的寬度增加后，熱損失隨之減少[2]。平板太陽能集熱器吸熱板的采光口總能量不變，熱效率也會降低。所以，設計吸熱板寬度試驗，當試驗中吸熱板寬度在4 cm增加到10 cm時，集熱器的性能會明顯減少，將吸熱板的厚度保持在4 cm，采光口總能量不變，光學損失不變，有用能數值最高，達到700 W，熱損失最低。

2.4 進口流量設計

平板太陽能集熱器進口流量與集熱器熱性能的關系是，當進口流量增加時，翹片效率是保持不變的，集熱器效率因子、熱移除因子、集熱效率等，均會增加。進口流量設計實驗中，數值在0.02調整到0.1 kg/s的過程中，集熱器效率因子與熱移除因子均增加到了0.95左右，集熱效率從0.3增加到了0.5，進口流量在0.1 kg/s繼續增加時，集熱器的熱性能沒有太大的變化。

2.5 進口溫度設計

集熱器設計過程中，翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子等，基本不受進口溫度的影響，而集熱器效率受進口溫度的影響最大，其會隨著進口溫度的增加，表現出降低的變化方式。當集熱器進口溫度增加時，吸熱板與周圍環境的溫度差變大，導致熱損失增加，有用能明顯降低。進口溫度與外界溫度的溫差，低于22 ℃時，光學損失是主要的能量損失，高于22 ℃時，熱損失是主體損失能源，將進口溫度控制在22 ℃，能夠確保集熱器的熱效率保持在最佳的狀態。

2.6 吸熱板發熱效率設計

吸熱板發熱效率在平板太陽能集熱器設計中起到重要的作用，吸熱板溫度增加時，吸熱板發射率會隨之降低，出口溫度也會降低[3]。吸熱板發射效率設計的過程中，吸熱板發射率從0.1到0.9的變化范圍內，采光口總能量保持不變，光學損失基本不變化，有用能從700 W降低到400 W，熱損失會從300 W增加到800 W，吸熱板發射效率設計期間，吸熱板涂層改進是一項關鍵的工作，其在集熱器熱性能中起到一定的作用。

2.7 吸熱板吸收效率設計

吸熱板吸收效率在平板太陽能集熱器設計方面，設計數值在0.45～0.95，吸熱板溫度會從56 ℃增加到62 ℃，集熱器的出口溫度會從53 ℃增加到55 ℃，有用能從500 W增加到1 100 W，光學損失從800 W降低到200 W，熱損失稍微有增加的變化趨勢。集熱器熱性能會隨著吸熱板吸收率的變化而增加，兩者表現出線性關系，經過設計后，能夠增加集熱器的熱效率。

2.8 太陽輻射強度利用

集熱器設計方面，太陽輻射強度的影響范圍很小，其中集熱器效率受太陽輻射強度的影響最大，太陽輻射強度在500增加到1 000 W/m?時，集熱器的有用能增加非?？?，此時吸熱板溫度、熱損失增加得會非常慢，也會增加集熱器的效率。

2.9 環境溫度設計控制

平板太陽能集熱器的環境溫度變化，對翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子沒有明顯的影響，集熱器效率會增加過快。集熱器所處的環境溫度增加后，吸熱板與周圍環境的溫度差會非常小，此時熱損失減小，熱效率會增加。

3 平板太陽能集熱器的效率分析

平板太陽能集熱器的效率，是設計的關鍵點，太陽能具有能量平衡的關系，一部分被集熱器吸收利用，一部分反射到外部環境內。集熱器的效率設計與分析中，需要考慮入口溫度、環境溫度、總熱損失系數的參數運用，根據平板太陽能集熱器的結構，規劃好效率參數，而且在集熱器效率分析方面，引入熱遷移因子，通過效率因子計算出集熱器瞬時效率數據，同時為集熱器的試驗提供理論的數值條件。平板太陽能集熱器設計，要注重效率的分析運用，改善集熱器的效率，最主要的是提高集熱器的熱效率水平，體現平板太陽能集熱器設計的重要性，推進平板太陽能的發展。

4 結語

平板太陽能集熱器的設計，是一項非常重要的工作，與平板太陽能的性能存在直接的關系。集熱器的傳熱設計，屬于關鍵的部分，優化好集熱器的設計過程，注重效率的分析，最終確保集熱器能夠符合平板太陽能的設計要求。平板太陽能集熱器設計中，積極落實優化措施，保證太陽能集熱器設計的有效性，避免發生傳熱問題。

參考文獻

[1] 高騰.平板太陽能集熱器的傳熱分析及設計優化[D].天津大學，2012.

[2] 施燕華.平板太陽能集熱器的若干關鍵技術研究[D].上海應用技術學院，2015.

[3] 王勇.平板太陽能微通道集熱器流體集熱效應研究與模擬[D].濟南大學，2015.