蓄能型空气式太阳能集热器的实验研究与分析

刘迟，李保国，罗权权，苏树强，肖洪海

（1.200093 上海市 上海理工大学能源与动力工程学院；2.201200 上海市 上海筑能环境科技有限公司）

0 引言

太阳能是可再生清洁能源，太阳能的利用成为解决全球变暖、实现可持续发展的有效手段。太阳能本身具有低密度和间歇性的特点，所以需要先收集再利用。太阳能集热器是太阳能应用设备中的重要部件，根据其结构形式可分为：平板式太阳能集热器和槽式太阳能集热器等；根据其功能可分为：真空管式太阳能集热器、热管式太阳能集热器和光伏式太阳能集热器等[1-7]。

为提高太阳能集热器的热性能和太阳能利用率，许多学者做了大量的研究。孙可亮[8]等通过数值模拟对翼管式平板式太阳能集热器的设计参数进行优化；李晓琳[9]等设计了蛇形双流道的平板式太阳能空气集热器，集热效率比传统集热器集热效率高 21.74%。马炎[10]等开发了聚光比为24 的双轴跟踪槽式太阳能集热器，集热器光学效率达到81.3%，瞬时集热效率达到77.5%；姚远[11]等设计的集热面积为12 m2的小型槽式集热器可将循环水加热至170 ℃以上，集热效率最高可达52%；张涛[12]等进行了不同涂层材料、内置导流板真空管太阳能集热器自然对流实验，验证了提高涂层材料吸收率使热效率升高 1.71%，内置导流板热效率可提高2.17%；罗权权[13]等研究了有相变蓄能材料的真空管太阳能集热器的热效率，综合集热效率为96%，相比无蓄能材料的集热器提高了60%；Kabeel[14]等设计了同轴热管空气式太阳能集热器，集热效率可达到67%；高旭娜[15]等研制的蓄能型振荡热管太阳能集热器平均集热效率大于45%；Cao[16]等将光伏太阳能集热器应用于热泵供暖系统中，集热器的出口温度可达76.6℃，热泵单元的平均COP 达到4.1；LI[17]等开发了光伏-环路热管太阳能集热器，年太阳能热利用率可达57.8%。

为提高现有太阳能集热器的热性能和可靠性，本文研发了内置相变蓄能芯的空气式太阳能集热器，对该集热器进行实验研究，并分析其热性能。

1 蓄能型空气式太阳能集热器设计

1.1 相变蓄能芯

传统的太阳能集热器都以水为传热、蓄热介质，容易出现冻裂、泄露和腐蚀等问题，为此设计了蓄能型空气式太阳能集热器，以空气作为传热介质，利用相变蓄能芯代替水蓄热，相变蓄能芯安置在真空管内部。图1 为相变蓄能芯实物，采用铝管将相变蓄能材料封装而成，铝管重量轻，导热性好。

图1 相变蓄能芯实物照片Fig.1 Physical photograph of phase change storage core

相变蓄能芯中使用了乙酰胺、磷酸氢二钠和硫酸钠等复合相变蓄能材料，熔点为100℃，凝固点为54.5℃，相变潜热147.7 kJ/kg，具有蓄能密度高、耐热性高、传导性高、膨胀性低、无毒、无腐蚀等特点，经多次测量之后蓄热能力无衰减。

1.2 空气式太阳能集热器

1.2.1 直通空气真空管

为了能以空气为传热介质，设计了双通直流真空管，如图2 所示。在真空管的一端设计了螺旋通孔，外玻璃管和螺旋玻璃管连接处为进风口，另一端为出风口，相变蓄能芯安置在真空管内。表1所示为直通空气式真空管参数。

图2 双通直流空气真空管Fig.2 DC air-type vacuum tube

表1 蓄能型空气式真空管参数Tab.1 Parameters of energy storage air-type vacuum tube

1.2.2 空气式太阳能集热器结构

为提高现有太阳能集热器的可靠性，设计了蓄能型空气式太阳能集热器。在真空管一端设计成螺旋弹簧结构，可防止因热胀冷缩引起的炸裂问题。结构上，采用横向双排式结构设计代替传统的纵向单排式结构，优化了真空管排列结构，减少集热器占地面积的同时增加了采光面积，提高集热器的热性能。

如图3 所示，该集热器主要由双通直流真空管、相变蓄能芯、进风联箱、出风联箱组成，相变蓄能芯设置在真空管内，真空管两端连接进风联箱和出风联箱，空气通过进风联箱到真空管内，真空管吸收太阳能加热空气，一部分用于供热，另一部分储存在相变蓄能芯中。当太阳能辐照不足时，相变蓄能芯放出热量加热空气，持续供热。

图3 蓄能型横双排空气式太阳能集热器Fig.3 Horizontal double-row energy storage air-type solar collector

2 空气式太阳能集热器热性能实验

2.1 实验方法

为研究蓄能型空气式太阳能集热器的热性能，搭建了太阳能集热器热性能实验台。实验在江苏省宿迁市（33.96°N）进行，属于太阳能资源Ⅲ区，太阳能集热器安装倾斜角为当地纬度±5°，且不小于30°。实验选取不同的气候条件（晴天和多云），对有蓄能芯和无蓄能芯的太阳能集热器进行研究。测试系统如图4 所示。循环空气在集热器内吸收太阳能热量，由循环风机驱动输送至室内进行供热。系统采用1 组蓄能型空气式太阳能集热器，有效集热面积为7.48 m2，循环风机采用CY125。

图4 太阳能集热器热性能测试系统Fig.4 Thermal performance test system for solar collector

测试环境气象参数包括室外环境温度以及太阳辐射强度，集热器热性能参数主要包括集热器进出风温度以及风量。采用TBQ-2 总辐射表测量太阳辐射强度；采用Pt100 热电阻测量温度；WT330功率计测量循环风机的功率及耗功；使用FEM-32SM 智能电磁流量计测量太阳能集热器进出口风量；Agilent34970A 数据采集仪，间隔30 s 采集数据。

2.2 热性能评价指标

2.2.1 太阳能集热器供热量

太阳能集热器瞬时供热量：

式中：Qc——太阳能集热器瞬时输出热量，kW；ρa——空气密度，kg/m3；Vm——体积流量，m3/s；ca——空气比热容，J/(kg·℃)；Tout.a，Tin.a——集热器进风、出风温度，℃。

太阳能集热器总供热量：

式中：Q——太阳能集热器总输出热量，kW；Tout.ai，Tin.ai——第i 时刻集热器进风、出风温度，℃；Δt——采集相邻两次数据的时间间隔。

2.2.2 太阳能集热器集热效率

太阳能集热器瞬时集热效率：

式中：ηc——太阳能集热器的瞬时集热效率；Ic——太阳能辐射强度，W/m2；Ac——太阳能集热器的有效集热面积，m2。

太阳能集热器平均集热效率如下：

3 实验结果与分析

3.1 单双排式集热器热性能对比分析

选取2020 年5 月20 日和5 月21 日分别进行单排式（如图5 所示）和双排式太阳能集热器实验。

图5 单排式太阳能集热器示意图Fig.5 Schematic diagram of single-row solar collector

图6 为太阳能辐射强度和环境温度随时间变化情况。在测试期间，单排式集热器接收太阳能辐射强度的变化范围为143.98～938.14 W/m2，在12：40 达到最大值938.14 W/m2，而后太阳能辐射衰减，平均辐射强度为640.19 W/m2。环境温度最低为21.2 ℃，最高为33.6 ℃，平均温度为28.1 ℃；双排式集热器接收太阳能辐射强度的变化范围为225.35～950 W/m2，在12：00 达到最大值950 W/m2，平均辐射强度为671.14 W/m2。环境温度最低为21.1 ℃，最高为32.5 ℃，平均温度为28.7 ℃。在太阳能供热期间，2 种集热器所接收的太阳能辐照强度和环境温度相差不大。

图6 太阳能辐射强度和环境温度随时间变化Fig.6 Variations of solar radiation intensity and ambient temperature with time

由图7 可以看出，双排式太阳能集热器单位集热面积供热量和集热效率都高于单排式结构的。双排式结构集热器平均出风温度为121.08 ℃，单位集热面积平均供热量为417.49 W/m2，平均集热效率为63.90%；单排式结构集热器平均出风温度为108.05℃，单位集热面积平均供热量为356.25 W/m2，平均集热效率为57.12%。通过对比分析集热出风温度、单位集热面积供热量和集热效率等各项参数，双排式太阳能集热器的热性能与单排式结构的集热器相比显著提高，且分别提高了12.4%、17.11%和11.87%。

图7 单位集热面积供热量和集热效率随时间变化Fig.7 Variations of heat supply per unit heat collection area and heat collection efficiency with time

3.2 晴天工况集热器热性能分析

分别在2020 年5 月22-23 日对无蓄能芯和有蓄能芯的太阳能集热器进行测试，测试日天气晴朗。图8 为太阳能集热器无蓄能芯工况下的晴天集热系统参数变化。从图8 可看出，集热器出风温度与太阳辐照强度随时间的变化趋势相似，集热器出风温度随辐照强度的升降几乎同步，当无太阳能辐照时，集热器出风温度接近室温，不再为房间提供热量。有蓄能芯工况下的集热系统参数变化如图9 所示。

图8 晴天无蓄能芯集热器参数变化Fig.8 Parameter variations of collector without energy storage core under sunny conditions

图9 晴天有蓄能芯集热器参数变化Fig.9 Parameter variations of collector with energy storage core under sunny conditions

6:40-12:00 集热器出风温度随太阳辐射强度的升高而升高，当集热器出风温度高于相变蓄能芯的相变温度时，相变蓄能芯开始相变蓄热，储存多余的太阳能；12:00-13:40 太阳辐射强度降低，但出风温度仍在上升，在13:40 达到最高温度；14:00-18:40 集热器出风温度随太阳辐射强度的降低而降低；18:40-21:40 没有太阳能情况下，集热器仍可为系统提供3 h 的热量。

晴天时太阳能集热系统集热效率与供热量变化如图10 所示。无蓄能芯的太阳能集热器，其产生的热量直接为室内供热，随着太阳能辐射强度的增大，集热效率开始缓慢升高。随着辐照强度升高，供热量上升速度相比辐照量逐渐变慢，集热效率有所降低并趋于平缓。15:20 效率出现回升，这是由于随着辐射强度下降，集热器供热量衰减，但速率较慢。有蓄能芯的太阳能集热器，集热器产生的一部分热量用于蓄能材料的相变蓄热。随着太阳能辐射强度的增大，集热效率开始缓慢升高。在蓄能材料蓄能完成之后，集热器产生的热量主要用于为室内供热，此时集热效率趋于平缓。在13:40 集热效率开始迅速上升，是因为太阳能辐射强度降低，相变蓄能材料放出热量，当室内供热量大于太阳能辐照热量时，瞬时集热效率大于1。

图10 晴天集热器集热效率与供热量变化Fig.10 Variations of collector efficiency and heat capacity under sunny conditions

由图10 可知，有蓄能芯的供热量明显高于无蓄能芯的，且有蓄能芯供热时间长。有蓄能芯和无蓄能芯的集热器可提供的总供热量分别为136.50 MJ、115.68 MJ，平均集热效率分别为80.4%、59.4%，有蓄能芯的集热器集热效率显著提高。

3.3 多云工况集热器热性能分析

选取2020 年5 月18 日和5 月31 日，多云天气，分别对有蓄能芯和无蓄能芯的太阳能集热器进行测试。图11 为无蓄能芯的太阳能集热器在多云工况下的集热系统参数变化。从图11 可看出，太阳能集热器出风温度与辐照强度随时间波动变化，太阳能集热器出风温度波动稍滞后于辐照强度波动。当太阳能辐照为0 时，集热器出风温度与进风温度相同，无热量提供。有蓄能芯时集热系统参数变化如图12 所示。由图12 可看出，太阳辐射强度在10:00-15:00 波动变化，但由于相变蓄能芯的相变蓄热作为缓冲，集热器出风温度则平稳升降，蓄能芯在辐射强度降低时释放出辐射强度较高时储存的热量，显著提高了集热器的稳定性。

图11 多云无蓄能芯集热器参数变化Fig.11 Parameter variations of collector without energy storage core under cloudy conditions

图12 多云有蓄能芯集热器参数变化Fig.12 Parameter variations of collector with energy storage core under cloudy conditions

多云工况下集热系统集热效率与供热量变化如图13 所示。无蓄能芯时，集热器供热量随着辐照强度的波动而波动，集热效率波动较大；有蓄能芯时，集热器瞬时供热量变化规律与集热器出风温度相似，集热效率有一定的波动性，但集热器供热量却平稳升降。这是因为蓄能芯的相变蓄热放热缓冲作用所致。由图13 还看出，多云工况下有蓄能芯和无蓄能芯的集热器平均集热效率分别为79.2%、71.2%，为系统提供的总供热量分别为148.03 MJ、98.33 MJ，有蓄能芯的供热量高于无蓄能芯的供热量，集热效率有所提高，且有蓄能芯的集热器性能更稳定。

图13 多云集热器集热效率与供热量变化Fig.13 Variations of collector efficiency and heat capacity under cloudy conditions

4 结论

本文通过对研发的蓄能型空气式太阳能集热器进行测试，研究其在不同天气工况下的运行参数及热效率进行分析，现得到如下结论：：

（1）研发的蓄能型空气式太阳能集热器以空气为传热介质，真空管一端设计为螺旋弹簧结构，可提高集热器的可靠性，有效防止真空管炸裂问题。集热器采用横向双排式结构，与单排式结构集热器相比，单位集热面积供热量和集热效率分别提高了17.11%和11.87%；

（2）晴天工况下，有相变蓄能芯的蓄能型空气式太阳能集热器在太阳能辐照强度出现下降趋势后，集热器出风温度仍持续上升，集热器供热时间延长了3 h 左右。有蓄能芯的集热器相比无蓄能芯的集热器，平均集热效率提高了35.4%，总供热量增加了20.82 MJ。

（3）有相变蓄能芯的太阳能集热器在太阳辐射强度出现较大波动时，集热器出风温度仍平稳升降。相变蓄能芯减小了集热器内部的温度波动，集热器的稳定性显著提高。