太陽能集熱單元集熱性的實驗研究

文_李生山 青海民族大學

針對應用在建筑墻面或屋頂的太陽能集熱系統是通過集熱單元裝置把太陽輻射能轉換成空氣熱能，通過循環把熱空氣有組織地輸送到室內換熱器內，通過換熱器將空氣熱能轉換成水的熱量儲存及輸出，從而構成集熱、儲能和熱輸出的一種系統。其中組成集熱系統的集熱單元是整個系統的核心部件，該集熱單元的上面布置9個凸體集熱元件，且9個凸體按“己”字型3×3排列；集熱單元的兩端設置有導熱介質進口和出口，通過“螺旋”連接，實現集熱單元可更替性。這里結合實際建立太陽能集熱單元實驗臺，選取四種0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h風 量，以輻射強度為200～600W／m3，且室外環境溫度為0～15℃范圍內各工況下進行對集熱單元模擬實驗，并利用CFD軟件對集熱元件和集熱器進行模擬，研究工作特點。

1 太陽能集熱單元實驗簡介

太陽能集熱單元實驗設備由太陽輻射模擬裝置、集熱單元和實驗測試設備三部分組成，如圖1所示。實驗選用額定功率為350W的超高壓短弧氙燈及調節裝置作為太陽輻射模擬裝置，集熱單元由集熱元件、集熱器等部件組成，實驗測試儀器由兩個LZB-3W.3WB（精度±4%）風速流量測試儀、一個優利德UT382（精度±2.5%）照度計，一個溫濕UT331（精度±1%）測量儀、DL333380（精度±1.5%）測溫儀，風泵及儲能罐和三聯件組成。為增強空氣與集熱元件的換熱過程，設計帶有隔板的“己”型流道集熱器，流道長1000mm、寬1000mm、高100mm；隔板2個，每個隔板長650mm、寬10mm、高90mm；隔板間隔320mm，底部及四周保溫層厚度為10mm，在集熱器蓋板上按兩個隔板分成“己”型流道，確定3×3安裝集熱元件。集熱器與集熱元件螺紋連接方式，集熱元件由球型玻璃形成集熱室，其內表面涂層吸收率α=0.94，集熱元件玻璃金屬螺紋封裝內設有直徑為5mm進出口。

圖1 太陽能集熱單元實驗臺示意

實驗時空氣從集熱器入口流入，繞過各個隔板，呈“己”型往前流動，同時空氣進入集熱元件加熱，直至從集熱器出口流出。太陽輻射裝置氙燈照在集熱元件上，在集熱元件內空氣充分吸收太陽能，進入集熱單元空氣流動穩定后進行測試，提供4種風量實驗，測試數據有太陽輻射強度、集熱元件外表面平均溫度、集熱器進出口空氣溫度和風量。

2 集熱單元集熱模型

太陽能集熱元件吸收到的太陽輻射能除非常少的一部分熱量通過對流和輻射的方式散失到周圍環境中，基本全部用來加熱集熱單元內流動空氣，故其熱平衡方程為：

式中I—太陽輻射強度，W/m3；A—集熱元件的集熱面積，m2；mkq—流經集熱元件空氣的質量流量kg/s；Cp—空氣的定壓比熱容J/(kg·K)；為集熱元件出口處的空氣溫度K；Tin—室外空氣進口溫度K；Qdl—集熱元件對流損失W；Qfs—輻射熱損失W；α-涂層吸收率。

集熱單元集熱主要由9個集熱元件組成，按“己”排列的每個集熱元件面積、大小相同，接受輻射度相同，對流和輻射散失到周圍環境中小部分熱量相同，由于集熱單元小，這里可以忽略集熱器“己”支架導熱和轉彎處能量損失，因此集熱單元的熱平衡方程為：式中Tout9—集熱單元（第9個集熱元件）出口處的空氣溫度K；Tin1—室外空氣（第1個集熱元件）進口溫度K。

集熱單元效率是單位時間內太陽能集熱元件實際獲得的有用能與集熱元件吸收的太陽輻射能之比，其計算式為：

式中η—集熱單元的吸收率；I—太陽輻射強度，W/m3；A—集熱元件的集熱面積，m2；m—流經集熱元件空氣的質量流量kg/s；—空氣的定壓比熱容J/(kg·K)；Tout—集熱元件出口處的空氣溫度K；Tin—室外空氣進口溫度K；Qdl—集熱元件對流損失W；Qfs—輻射熱損失W。Tout9—集熱單元（第9個集熱元件）出口處的空氣溫度K；Tin1—室外空氣（第1個集熱元件）進口溫度K。

3 集熱單元集熱實驗分析

參照西寧地區晴朗天氣 (2021年5月6～8日) 7：30～l5：00測量的太陽輻射強度和室外環境溫度，選取太陽輻射強度I=250W/m2、外界環境溫度T=8℃進行分析。

3.1 集熱元件表面溫度

由于9個集熱元件采用“己”字型3×3排列，這里測量每一行中間集熱元件的表面溫度，選擇0.448m3/h風量下進行測試，集熱元件表面的平均溫度隨時間的變化如圖2所示。從圖2看出三個中間的集熱元件開始時溫度基本一致，隨著時間推移表面溫度升溫變化不同，在7min時趨于穩定，8min時溫度變化基本一致。

圖2 同一風量下中間集熱原件表面溫度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4種風量下測量，進口第一個集熱元件表面平均溫升隨時變化如圖3所示。從圖3看出集熱元件表面平均溫升隨著太陽輻射模擬裝置開機迅速升高 ，9min后基本進入穩定狀態。四種風量下穩定運行時，集熱元件表面平均溫升分別為0.55℃，0.52℃，0.46℃，0.37℃，即第一個集熱元件表面平均溫升隨進口風量的增大而逐步降低。

圖3 進口第一個集熱原件在不同風量時表面溫度

3.2 集熱單元出口溫度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4種風量下，集熱單元空氣出口溫度隨時間的變化情況如圖4所示。從圖4看出與集熱元件表面平均溫度變化相比，空氣出口溫度變化達到穩定狀態有些滯后。穩定運行時，出口空氣溫度分別為12.95℃，12.68℃，12.14℃，11.33℃，因進口空氣溫度為8℃，故空氣溫升分別為 4.95℃，4.68℃，4.14℃，3.33℃，可見出口空氣溫升隨集熱單元進口風量的增大而下降。

圖4 集熱單元在不同進口風量時出口溫度

4 集熱器內流體流動狀況

“己”型集熱器內流體從進氣口進入后先直線流動，同時在漩渦加熱點加熱，在集熱器遇內壁面時偏轉180°繼續向前流動，轉彎處產生漩渦，流體重復前面情況，直到流體從集熱器出口流出。通過CFD確定工質流入集熱器后，隨著工質進口流速的加大，集熱器工質出口溫度開始降低，由于漩渦一般都發生在左側內壁和加熱點附近，且在流道內部沿左側內壁的溫度較右側高，流道內上層溫度較下層高，漩渦的發生使局部雷諾數變大，集熱器內更趨于紊流，換熱系數增加，換熱效果明顯，但是隨著進口工質流速的增加，工質在流道內部停留時間變短，加熱時間減少，從而使得出口溫度降低。

5 集熱單元熱效率分析

這里設定集熱元件表面所吸收的太陽輻射能全部轉換成空氣熱能，將各參數在穩定運行時的數值代人計算公式(3)中。為簡化模型的計算量和加快求解速度，利用Gambit軟件建立集熱元件幾何模型時僅選取第一個進口球型集熱元件及進出口空氣作為研究對象，最終確定模型的網格數量為162789。集熱單元局部實驗面積為0.0104132m2，模型中集熱元件的面積0.001061m2，因此模型可靠。西寧空氣密度取1.271kg/m3，空氣的定壓比熱容為1.004kJ/(kg·K)，集熱效率變化如表1所示。

表1 集熱單元實驗值和集熱元件模擬值對比

可見空氣在 0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h4種進口風量下經過單個集熱元件性能模擬時效率分別為35.04%、50.65%、53.43%、54.46%。集熱單元在四種風速下效率分別為30.83%、44.46%、48.75%和48.80%，即集熱效率隨進口風速的增大而逐步升高，集熱效率的快速增加量逐步趨緩。原因是隨著風量的逐漸增大，集熱元件表面平均溫度是降低，集熱元件與周圍環境的傳熱溫差變小，集熱元件相應的對流和輻射熱損失減小。集熱器“己”支架內部轉彎處趨于紊流，流速減慢，便于冷熱空氣混合，集熱器出口溫度增加，由熱平衡方程知，太陽能集熱元件獲得的實際有用能增大，因此集熱單元的集熱效率隨出口風量的增大而升高。

6 結語

集熱元件按3×3固定排列在“己”型流道集熱器上面，增大了工質的有效吸熱面積和減小散熱面積，增加了工質在集熱器中的流程和太陽輻射能轉化熱能時間，從而提高集熱器工質出口溫度。

新型集熱單元可根據房屋安裝外墻面面積靈活相互連接，只需朝向陽面，在不同角度下均可保證一定的集熱效率。

集熱元件和集熱單元集熱效率隨進口風量的增大而逐步升高，隨風量的增大，集熱元件和集熱單元集熱效率的快速增加量逐步趨緩，適合不同地區使用。