大型太阳能集热阵列的实验研究

李斌，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海　200240）

大型太阳能集热阵列的实验研究

李斌*，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240）

为了研究太阳能集热阵列的热力学性能以及集热阵列的设计优化，本文对热管式太阳能集热器进行了性能测试，分析了影响其总热损的主要因素。随后搭建了热管式太阳能集热阵列并利用其进行了集热效率实验。最后根据实验中出现的串联管路集热效率沿程降低的现象对太阳能集热阵列的安装方式进行了探讨。

太阳能集热阵列；热管式集热器；串联管组；实验研究

0　引言

随着太阳能热利用行业的不断发展，大型的太阳能集热阵列在许多场所诸如宾馆、大型浴室、办公建筑、发电站中得到了广泛的使用。然而，相对于小型的集热系统来说，目前有关大型太阳能集热阵列的研究还不是很完善，这给大型太阳能集热阵列的设计安装增加了不少难度［1-4］。

对于大型太阳能集热阵列的设计安装，阵列中集热器的性能以及集热阵列的排布是非常重要的两个部分。在集热器选型方面，KALOGIROU［5］对各种集热器进行了热力学性能分析并给出了相应的应用前景；TIAN和ZHAO［6］分析了不同的太阳能集热器和蓄热水箱在太阳能集热系统中的利用情况；SAKHRIEH等［7］实验研究了5种不同集热器的运行性能、集热效率和可靠性，并根据其应用价值对其进行了比较；刘建波［8］对平板集热器、热管式真空管集热器、CPC集热器以及全玻璃管真空管集热器进行了热性能分析，分析了积尘和流量对于集热器性能的影响。在集热阵列的排布方面，翟辉等［9］就大型平板/真空管集热器的排列问题进行了研究，计算了集热器倾角、间距、方位角对于集热系统性能的影响，并在此基础上给出了最佳间距的计算公式；魏胜贤等［10-11］研究了集热器的纵横比、板间距、长宽比等参数对集热系统性能的影响。尽管前人针对太阳能集热阵列的选型和排布已经有了一定的研究，然而其中很大的一部分都停留在理论分析以及模拟计算上面，实际的大型系统的运行监测实验却并不多见。

本文通过搭建大型太阳能集热阵列，对热管式集热器的热性能以及集热阵列的运行效率进行了实验分析。并选取典型天气，通过对集热器的热损分析和集热阵列的效率分析，得出了热管式集热器运行特性和集热阵列排布优化的设计思路。

1　集热器瞬时效率模型

以集热板温度为基准温度，热管式真空管太阳能集热器的瞬时效率方程为：

式中：

ηhp——瞬时效率；

τ——玻璃真空管透过率；

α——集热板吸收率；

UL——总热损系数，W/m2·K；

Tc，in——进口水温，℃；

Ta——环境温度，℃；

I——太阳辐射强度，W/m2。

在自然环境下，热损系数受变工况的影响不断变化。计算分析时，为了模拟精确起见，将总热损系数的求取放到循环中迭代运行，也就是在每个准稳态均求取一次总热损系数。由于集热器由热管和集箱构成，因此热管式真空管太阳能集热器的热损主要由热管热损和集箱热损构成。

玻璃管内部高度真空，只需要考虑集热板与玻璃管之间的辐射热即可。根据辐射换热原理，可以得出集热板与玻璃管之间的辐射换热表达式：

式中：

Qcg——集热板与玻璃管之间的辐射换热，W；

Tc、Tg——集热板和玻璃管温度，℃；

εc、εg——集热板和玻璃管发射率；

Ac、Ag——集热板和玻璃管面积，m2；

玻璃管与环境之间的对流散热损失以及玻璃管对大气的辐照散热损失：

式中：

Qga——玻璃管与环境之间的散热损失，W；

hga——玻璃管与环境之间的对流换热系数，W/m2·K。

根据热平衡，联立方程（2）和（3）可以迭代计算得到玻璃管温度Tg，从而计算得到热管热损以及热管热损系数。

集箱由内向外的散热可认为先通过保温材料传导至集箱外表面，再通过集箱外表面对环境散热。集箱通过保温材料的导热通过下式计算：

式中：

Qnwb——集箱通过保温材料的导热量，W；

λb——集箱保温材料的导热系数，W/m·K；

Lb——集箱长度，m；

Tnw、Tb——集箱内部水温以及集箱外表面温度，℃；

Dnw、Db——集箱内径以及外径，m。

集箱与环境之间的对流散热损失以及集箱对大气的辐照散热损失：

式中：

Qba——集箱与环境之间的散热损失，W；

Ab——集箱表面积，m2；

hba——集箱与环境之间的对流换热系数，W/m2·K；

εb——集箱发射率。

玻璃管以及集箱与环境之间的对流换热系数按照室外空气外掠单管的对流换热计算［12］：

根据热平衡，联立方程（4）和（5）可以迭代计算得到集箱外表面温度Tb，从而计算得到集箱热损以及集箱热损系数。

以集热面积为基准面积求取的总热损系数为：

计算中采用的主要参数见表1。

2　集热器性能实验结果与模拟计算分析

集热器性能测试实验台由3 m2的热管式太阳能热水器搭建而成，热水泵将水从水箱中泵出送至集热器中加热，被加热的热水随后又流回水箱中，由于水在集热器中依靠太阳能被不断循环加热，所以水温会自然抬升。

选取实验阶段内的典型日数据进行分析。当日实验工况如表2所示。

表1　太阳能集热器瞬时效率模型的计算参数

表2　太阳能集热器性能测试试验工况

实验开始时进口水温为23 ℃，实验结束时水温达到了79.7 ℃。图1为太阳辐照度和太阳能集热器进出口温度随时间变化的曲线。

从图1中可以看出，当天的太阳辐射强度在正午12∶00左右达到最大值，此时的集热器水温的升幅也达到最大，但是由于热水系统普遍存在有热惯性的问题，所以集热器水温升幅最大处相较于太阳辐射强度最大处稍有滞后。13∶20左右由于云层的遮挡太阳辐照度有较大波动，总体来看略有下降，而这时水温的升幅也变得较为平缓。

图2表示太阳能集热器阵列瞬时效率的实验值、模拟计算值以及根据实测数据拟合得到的瞬时效率曲线。拟合得到的效率方程为：

取夏季冬季的两个典型工况进行对照，代入此方程得到：当I为700 W/m2、Tc，in为85 ℃、Ta为 34 ℃时，ηhp为43.7%；当I为500 W/m2，Tc，in为45 ℃，Ta为-2 ℃时，ηhp为37.5%。

对照发现模拟结果与实测数据基本相符。尤其是在温度较低时，计算结果与实验结果的吻合情况十分良好，但是随着温度升高，计算值和实验值的偏差变得越来越大。当（Tc，in-Ta）/I ＞ 0.07后，计算值的下降幅度变得越来越小，曲线也渐渐趋于平缓。这个现象说明了当随着进口温度升高，

实际情况下的热损会偏离计算值，变得越来越大。

图1　太阳辐射强度以及太阳能集热器进出口水温变化曲线

图2　热管式太阳能集热器瞬时集热效率变化曲线

分析该情况发生的原因：从集热器建模过程中可以发现，影响热管热损的主要因素是环境温度和风速，而影响集箱热损的主要因素除了上述两个参数以外，还有集箱进口温度。图3对模拟计算中不同进口水温下集箱和热管的热损系数做出了分析。

在环境条件一定的情况下，热管的热损系数不会随着集热器的进口温度变化而变化，而集箱的热损系数则会随着进口温度的上升呈现出线性上升的趋势。这就导致当温度较低时，集箱的热损系数与热管的热损系数相差不大，但是当温度较高时，这种差距就很大了。在图3中，当进口水温达到80℃时，集箱的热损系数达到了热管热损系数的5倍。由此可见，对于热管式太阳能集热器来说，集箱热损大小是影响总热损的主要因素，这种影响在高温区尤为明显。

图3　热管式太阳能集热器热损系数变化曲线

3　集热器阵列集热效率实验结果及分析

3.1实验装置说明

太阳能集热实验阵列中一共布置了27组热管式太阳能集热器，每9组集热器串联成一排，从而形成并联布置的三排太阳能集热器，具体集热器阵列排布图见图4。同时，为了防止因集热器内水的汽化而引发的管道振动、流量减小等事故，三排管道上均设置自动排气阀。

实验过程中，水经过水泵输入到集热器阵列中，然后分流至三个串联管路经由太阳能加热，最终汇流后流回储水箱。

图4　太阳能集热器阵列排布图

3.2集热阵列集热效率实验

前文中，我们已经对热管式真空管太阳能集热器进行了效率测试。然而，对于大型太阳能集热器阵列，除了集热器的热损以外，管路的热损也相当严重。因此，有必要对太阳能集热器阵列整体的集热效率进行测试分析。

同样根据典型日实验结果进行分析，当日为晴天，天气情况见表3。

表3　太阳能集热器阵列集热效率测试试验工况

实验过程中的辐照变化以及环境温度变化如图5所示。集热器进口水温从初始时刻的34℃上升到实验结束时的86℃。

根据实验结果进行拟和，结果如图6所示，热管式真空管太阳能集热器阵列的瞬时效率方程为：

图5　太阳能集热器阵列集热效率测试的环境条件

图6　热管式太阳能集热器阵列的瞬时集热效率变化曲线

从图6中可以看出，热管式真空管太阳能集热器阵列的瞬时效率随进口水温的升高快速下降，在本实验中，当集热器阵列进口水温为45℃时，热管式真空管太阳能集热器阵列的集热效率46.2%，当集热器进口水温为85℃时，热管式真空管太阳能集热器阵列的集热效率仅为10.6%。这说明热管式真空管太阳能集热阵列在低温区有着较高的集热效率；当（Tc，in-Ta）/I ＜ 0.06时，其集热效率都在30%以上；与此相对的，在高温区的表现较差。

此规律可以通过图7所表示的热管式太阳能集热器阵列进出口水温变化曲线进一步得到阐述。

由图7可知，热管式真空管太阳能集热器阵列的进出口温差随着进口水温的升高逐渐减小，实验初始时刻进出口的温差约保持在10℃左右，但是到实验终止时，温差近乎为0。太阳能集热器阵列的集热效率实验结果表明，对于地板采暖、热水供应等热水温度要求不很高的工况，热管式真空管太阳能集热器阵列具有较高的集热效率。

图7　热管式太阳能集热器阵列进出口水温变化曲线

同时，将集热器阵列的集热效率实验与前文中所研究的热管式真空管太阳能集热器效率实验相比，可以明显发现太阳能集热阵列的集热效率有所降低，这主要是由于两方面的原因：第一，太阳能集热器的串联安装使得集热器的进口水温沿着串联管路逐步上升，进而使得集热器的集热效率沿程递减；第二，管路损失，在实际安装中，管道长度将近100 m，在循环过程中存在有很大的管路热损。因此，对于大型的太阳能集热系统的管路设计来说，合理设计、尽量缩短管路长度、采取良好的保温措施具有重要的意义。

3.3太阳能集热器阵列排布方式探讨

以现有的热管式真空管太阳能集热器阵列为例，对太阳能集热器阵列的安装方式进行分析：利用集热器效率方程进行理论分析与计算，图8表示对应于不同的进口水温，串联管组中沿程各组集热器的效率变化曲线，由图8可知，将太阳能集热器串联连接会导致集热器效率逐片递减。在本实验中，每9组热管式真空管集热器组成一个串联集热阵列，这就导致末端太阳能集热器的集热效率相比于第一块集热器的集热效率降低了6.5%。同时发现，当集热器串联阵列的进口水温有所不同时，其效率下降幅度近似相同，说明了太阳能集热器集热效率的沿程下降幅度与进口水温无关。继续研究集热器串联组数与效率降低的关系，其变化规律如图9所示，随着串联组数的增加，集热器的效率近似于线性降低，串联组数越多，效率下降越大。上述分析表明太阳能集热器串联运行是以损失集热效率为代价来提高出口水温，这固然是一种简单可行的方法，但是，对于大型太阳能集热器阵列，为了保证集热效率，建议通过合理调节流量，适当减少串联集热器数量，以并联安装为主。

图8　串联热管式太阳能集热器阵列沿程集热效率变化曲线

图9　串联热管式太阳能集热器阵列沿程集热效率损失变化曲线

4　结论

本文通过对热管式太阳能集热器的性能实验以及集热器阵列的集热效率实验，研究得出以下结论。

1）对于热管式太阳能集热器来说集箱热损大小是影响总热损的主要因素。

2）热管式真空管太阳能集热器阵列的瞬时效率随进口水温的升高快速下降，导致其在高温区的使用效果远不如在低温区。因此对于地板采暖、热水供应等热水温度要求不很高的工况，热管式真空管太阳能集热器阵列具有较高的集热效率。

3）对于大型太阳能集热器阵列，可以通过串联方式来提高出口水温度，但是为了保证集热效率，建议合理调节流量，适当减少串联集热器数量，以并联安装为主。

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Experimental Study of Large Scale Solar Collector Array

LI Bin*，ZHAI Xiao-qiang，
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In order to investigate the thermal performance and the strategies of design and optimization for the solar collector array，the performance of heat pipe solar collector has been tested，and the main factors of the overall heat loss have been analyzed.Then the heat pipe solar collector array has been built，and the efficiency experiments of it have been conducted.Finally，according to the efficiency decrease along the pipeline for collectors in series，the installation and arrangement of solar collector array are discussed.

Solar collector array；Heat pipe solar collector；Series；Experimental study

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.102

*李斌（1992-），男，硕士在读。研究方向：太阳能集热相关技术。联系地址：上海市东川路800号上海交通大学制冷与低温研究所，邮编：200240。联系电话：13524860987。E-mail：wood12300@sjtu.edu.cn。

国家科技支撑计划课题（No.2012BAA05B01）