倾角对两种热管PV/T装置热性能影响的对比实验研究

郑仁春

摘要：为研究倾角对热管PV/T装置传热性能的影响，设计了无芯热管和丝网芯热管两种热管PV/T系统在不同倾斜角度下的热性能测试实验装置，并在太阳能可控环境实验室中进行实验研究。在实验中，保证倾角以外的其他因素全部不变，通过数据分析，得到在倾角影响下热管PV/T装置集热性能与倾角的关系；且对比了无芯热管和丝网芯热管应用于热管PV/T系统的差异。结论表明：1.无芯热管与丝网芯热管PV/T系统，最佳倾角均为40°左右；2.倾角大于20°时，无芯热管PV/T系统的热性能总是优于丝网芯热管PV/T系统，无芯热管更适用于最佳倾角大于20°的地区，倾角小于20°时，无芯热管PV/T系统的热性能远远小于丝网芯热管PV/T系统，因此选用丝网芯热管PV/T系统更佳。

关键词：太阳能；PV/T；倾角；热管

中图分类号：0664.5文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）14-175-02

前言

许多研究者认为，在一定倾角范围内，热管的传热系数高于其在垂直状态下的传热系数，倾角对热管的传热性能有较大影响。PV/T装置在实际应用中均为倾斜放置，其摆放倾角是影响太阳能总收益的重要因素，传统水冷型PV/T系统的冷却水由泵驱动直接通过电池板芯背部的管道，受重力的影响可以忽略，因此以接收到的太阳能辐照总量最大作为系统最佳倾角的唯一判据，而在热管PV/T系统中，由于倾角对热管传热性能也有较大影响，在设计系统最佳倾角时，要同时考虑接收的辐照总量和热管热性能的影响。

以往的研究都是针对单根热管的传热分析，没有涉及热管PV/T系统热性能受倾角影响的研究，并且室外的研究由于太阳辐照和环境温度等条件都随时间变化，无法控制倾角为唯一变量，达不到研究目的。为了研究倾角对系统热性能的影响，选取了目前最常用的两种热管：无芯热管和金属卷绕丝网吸液芯热管（以下简称丝网芯热管），分别组成两种热管PV/T系统，并且在太阳能可控环境实验室中针对热管PV/T热性能与倾角的关系以及两种热管PV/T系统的差异进行了实验测试，太阳能可控环境实验室能控制环境温度和湿度，提供稳定辐照，使得倾角成为唯一变量，这是室外实验无法达成的。

1实验系统组成及工作原理

实验所用热管具体规格如下：无芯热管——HR8（24）*1400F.90.06，丝网芯热管——HR8（24）*1400P.90.06，两者尺寸均为蒸发段长1300mm，外径8mm，冷凝段长90mm，外径24mm；流道——Φ38/1Φ26/90-80-9-150焊G3/4，长998mm，外径38mm。

实验对象为无芯热管PV/T集热板和丝网芯热管PV/T集热板：宽880mm，高1500mm，厚95mm，实际集热面积为0.998m²；集热板上层压72块62.5*125mm的黑色单晶硅光伏电池，分成36块串联的两组并联在一起，有效覆盖面积为0.555m²；每块集热板有8根热管，热管的冷凝段排列插在流道中，为了增大冷凝段与循环水的换热面积，采用了非等径的大头热管。

热管PV/T实验系统如图1所示，由PV/T集热器、循环水泵、循环管路、储水箱、太阳能逆变控制器和蓄电池组成。集热板吸收太阳能，将热量传给热管，由水泵驱动水循环，将热管冷凝段的热量不断带入水箱。太阳能逆变控制器和蓄电池实现电能储存和输出。

实验系统选用12V的直流无刷水泵ZK30A-1230，最大功率4.8W。采用T型热电偶对60L循环水箱内的水温进行测量，由于储水箱存在分层现象，为准确测得温度，在水箱内部轴线上等间距布置5个温度测点，通过与电脑连接的Agilent34970A数据采集仪进行采集。采用速度式水表1xs-15测量冷却水流量。

要研究倾角对热管PV/T系统性能的影响，需保证在其他条件都不变的情况下，改变集热板的倾斜角，对比系统在不同倾角下的性能差异。因此，必须保证太阳辐照、环境温度、湿度、循环水流量、循环水量以及初始水温不变，而太阳能可控环境实验室可以提供这样的实验条件：干球温度的可控范围和精度为15～50℃±0.2℃，湿球温度满足标准GB/T7725-2003的要求；由TRM-PD1人工太阳模拟发射器提供太阳辐照，能够提供200-1200W的辐照。集热器表面接收到的太阳总辐射量采用TBQ-2A总辐射表测量。

实验安排：设定环境温度稳定在25℃，每次做实验前都换水并加热到25℃，保证初始水温一致，太阳辐照度保持在650W，循环水流量0.033kg/s，无芯热管PV/T集热板和丝网芯热管PV/T集热板分别组成两个相同的系统，保持模拟发射器与集热板的相对位置不变，在集热板倾斜角为9°、20°、30°、40°、50°、60°、70°情况下测试两个系统的光热性能，实验过程中产生的数据由计算机以30s/次进行自动保存。

2性能评价和实验结果

系统的平均热效率主要由集热器表面所接受到的太阳辐照量Ht（MJ/In²）、系统的初始水温（℃）和终了水温（℃）决定，受系统循环水量和集热器的倾角等影响。太阳能热水系统性能评价方法如式（3）所示：

式中，为系统水箱的实际得热量，MJ/m²；为水的比热容，KJ/（kg·℃）；m为水箱中水的总量，kg；和为系统终了水温和初始水温，℃；为热管PV/T系统的热效率。

其中，实验储水箱中布置了五个测温点，以五个测温点的平均温度作为水箱中的水温：

由图2可知，20°以上的角度，系统1的集热效率总是高于系统2的效率，因为倾角在20。以上时，无芯热管结构简单，管壁的导热热阻小，而丝网芯热管由于丝网芯的存在，管壁的导热热阻大于无芯热管，使得整体的传热热阻大于无芯热管，导致系统2的集热效率低于系统1；而在9°这样小角度下，系统1基本上不工作，热管热阻极大，系统2保持正常工作，具有较高集热效率。所以，在最佳倾角大于20°的地区，建议使用无芯热管PV/T系统，而在最佳倾角小于20°的地区，则使用丝网芯热管PV/T系统。

3结论

通过两种热管PV/T系统在不同倾角下的热性能实验，可得如下结论：

3.1对热管PV/T系统来说，倾角对系统的热性能有较大影响，设计热管PV/T系统的摆放倾角时必须考虑倾角的影响。

3.2无芯热管PV/T系统的热效率随倾角的增加，先增大后减小，在40°左右热效率最大。丝网芯热管PV/T系统的热效率则从平缓到增大，最后再减小，在40°左右热效率最大。

3.3在20°以上，无芯热管PV/T系统的热效率总是高于丝网芯热管PV/T系统。无芯热管PV/T在倾斜角20°以下热效率急剧下降，甚至几乎不工作，而丝网芯热管在极小的角度下仍高效率工作。所以，在最佳倾角大于20°的地区，更适合采用无芯热管PV/T系统，而在最佳倾角小于20°的地区，采用丝网芯热管PV/T系统更好，此结论也适用于其他与热管相结合的集热装置的倾角优化。