太阳能平板集热器热性能关键参数影响研究*

黄阔　陈国宇　郑桂兴　黄允生

学术研究

太阳能平板集热器热性能关键参数影响研究*

黄阔陈国宇郑桂兴黄允生

（广州能源检测研究院，广东 广州 510170）

通过改变影响太阳能平板集热器热性能的关键参数：通道间距、流体流量、吸热板热流密度、流体进口温度，研究流体流动与传热规律。结果表明，通道间距为0.5～1.0 mm时，流体的传热系数、温升速率、压降的变化明显比通道间距为1.0～2.5 mm时高，通道间距越小，温升速率越快；随着流体流量增大，流体出口温度逐渐减小，温升速率保持稳定，阻力系数减少，压降逐渐增大，强化传热评价因子逐渐增加；吸热板热流密度越大，流体出口温度越高，温升速率越快；流体进口温度越高，流体出口温度越高，进出口温差和温升速率保持稳定。

太阳能平板集热器；热性能；通道间距；流体流量；吸热板热流密度；流体进口温度

0　引言

在全球碳达峰、碳中和背景下，发展清洁能源已成为国际社会的普遍共识。我国太阳能资源丰富，是世界最大的太阳能热水系统生产国和安装国[1]，以真空管型和平板型太阳能集热器为代表的集热产品占据了市场主流。太阳能平板集热器因具有承压效果好、热效率高、便于与建筑一体化等特点，应用更为广 泛[2]。目前，太阳能平板集热器的研究主要集中在热水系统构建及热性能等方面。在提高集热效率方面，国内外学者主要通过改变吸热板形状和流道来实 现[3-5]。随着强化传热技术的发展，窄缝流道因结构紧凑、换热面积大而备受关注。窄缝流道根据流道窄缝间距划分为大通道（大于3 mm）、窄通道（1～3 mm）、微通道（1 um～1 mm）[6]。矩形通道作为典型的窄缝流道，众多学者对其流动和传热特性开展了大量研究。SHAH等[7]通过研究获得微矩形通道充分发展段的平均努塞尔数和泊淞数关联式。STEINKE等[8]和HRNJAK等[9]对微矩形通道内单相流动特性进行实验研究，认为常规通道的流动关系式也适用于微矩形通道。徐建军等[10]通过窄矩形通道内实验和数值模拟研究，指出现有经验关系式适用于窄矩形通道充分发展段的紊流流动与换热规律。

目前，矩形通道结构参数对流体流动与传热性能的影响研究相对较少。幸奠川等[11-12]通过改变矩形通道高宽比，对单相层流进行流体摩擦阻力特性研究，结果表明摩擦阻力随高宽比的减小而增大。马璨等[13]研究流动压降的影响，得到矩形通道高宽比与层流流动压降数学表达式。王亮等[14]研究矩形通道长宽比对集热效率影响，表明集热效率随长宽比增加而下降。上述研究仅从通道高宽比/长宽比单一影响因素开展，忽略了高宽比/长宽比的改变会影响流体进入集热器的流量。

本文以太阳能平板集热器为研究对象，研究影响其集热性能的关键参数：通道间距、流体流量、吸热板热流密度、流体进口温度的变化规律，为太阳能平板集热器结构优化和实际运行提供技术支撑。

1　太阳能平板集热器传热分析

图1　太阳能平板集热器流道示意图

太阳能平板集热器内流体吸收的有效热量主要受集热器采光面积、流体流量、流体定压比热、导热系数及流体进出口温差等影响，根据能量守恒定律，传热方程式为

式中：

out——流体出口温度，K；

in——流体进口温度，K；

——流体流动时间，s；

其中：

式中：

——矩形通道的高宽比；

温升速率作为热性能指标，计算公式为

式中：

——温升速率，K/s；

——流体流动时间，s。

式中：

2　关键参数对热性能影响

2.1　通道间距

在流体流量为0.000 05 m3/s，流体进口温度为298.15 K，吸热板热流密度为800 W/m2的条件下，以水为流体介质对不同高宽比的太阳能平板集热器进行热性能研究。太阳能平板集热器通道尺寸如表1所示。

表1　太阳能平板集热器通道尺寸 单位：mm

在相同流体流量下，分析通道间距对流体流速、雷诺数、传热系数、努塞尔数、流体出口温度、温升速率、阻力系数、压降、强化传热评价因子的影响。

流体流速和雷诺数随通道间距变化曲线如图2所示。

图2　流体流速和雷诺数随通道间距变化曲线

由图2可知，随着通道间距减小，流体流速逐渐增大，雷诺数变化较为平缓。

传热系数和努塞尔数随通道间距变化曲线如图3所示。

图3　传热系数和努塞尔数随通道间距变化曲线

流体出口温度和温升速率随通道间距变化曲线如图4所示。

图4　流体出口温度和温升速率随通道间距变化曲线

阻力系数和压降随通道间距变化曲线如图5所示。

图5　阻力系数和压降随通道间距变化曲线

强化传热评价因子随通道间距变化曲线如图6所示。

图6　强化传热评价因子随通道间距变化曲线

由图6可知，随着通道间距减小，强化传热评价因子变化平缓。总体而言，通道间距减小有利于太阳能平板集热器综合热性能的提高。

2.2　流体流量

在太阳能平板集热器通道长度为2 000 mm，宽度为500 mm，高度为1.0 mm，流体进口温度为298.15 K，吸热板热流密度为800 W/m2的条件下，研究流体流量对太阳能平板集热器热性能的影响。流体流速和雷诺数随流体流量变化曲线如图7所示，传热系数和努塞尔数随流体流量变化曲线如图8所示。

图7　流体流速和雷诺数随流体流量变化曲线

图8　传热系数和努塞尔数随流体流量变化曲线

由图7、8可以看出，随着流体流量增大，流体流速和雷诺数逐渐增大，传热系数和努塞尔数稳定。

流体出口温度和温升速率随流体流量变化曲线如图9所示。

由图9可知，随着流体流量增大，流体出口温度逐渐减小，温升速率保持稳定。由此可知，流体流量影响流体出口温度，对温升速率影响不大。

阻力系数和压降随流体流量变化曲线如图10所示。

由图10可知，随着流体流量增大，阻力系数逐渐减少，压降逐渐增大。在流体流量0.000 02 m3/s时，压降为1.93×103Pa；在流体流量0.000 06 m3/s时，压降为5.78×103Pa。

强化传热评价因子随流体流量变化曲线如图11所示。

图9　流体出口温度和温升速率随流体流量变化曲线

图10　阻力系数和压降随流体流量变化曲线

图11　强化传热评价因子随流体流量变化曲线

由图11可知，随着流体流量增大，强化传热评价因子逐渐增加。在流体流量0.000 02 m3/s时，强化传热评价因子为6.12；在流体流量0.000 06 m3/s时，强化传热评价因子为8.83。由此可知，增大流量有利于太阳能平板集热器综合热性能的提高。

2.3　吸热板热流密度

在太阳能平板集热器通道长度为2 000 mm，宽度为500 mm，高度为1.0 mm，流体流量为0.000 05 m3/s，进口温度为298.15 K的条件下，研究吸热板热流密度对太阳能平板集热器热性能影响。

流体出口温度和温升速率随吸热板热流密度变化曲线如图12所示。

图12　出口温度和温升速率随吸热板热流密度变化曲线

由图12可知，随着吸热板热流密度增大，流体出口温度和温升速率逐步增大。当吸热板热流密度为700 W/m2时，流体出口温度为301.45 K，温升速率为0.165 K/s；当吸热板热流密度为1 100 W/m2时，流体出口温度为303.45 K，温升速率为0.265 K/s，温升速率提高了60%。由此可知，吸热板热流密度越大，流体出口温度和温升速率越高。

2.4　流体进口温度

在太阳能平板集热器通道长度为2 000 mm，宽度为500 mm，高度为1.0 mm，流体流量为0.000 05 m3/s，吸热板热流密度为800 W/m2的条件下，研究流体进口温度对太阳能平板集热器热性能的影响。流体出口温度和温升速率随流体进口温度变化曲线如图13所示。

由图13可知，随着流体进口温度增大，流体出口温度逐渐增大，出口温度和进口温度温差始终保持在3.7 K；温升速率为0.185 K/s，保持稳定。

图13　流体出口温度和温升速率随流体进口温度变化曲线

3　结论

本文通过研究影响太阳能平板集热器热性能的关键参数：通道间距、流体流量、吸热板热流密度、流体进口温度的变化规律，为太阳能平板集热器结构优化和实际运行提供技术支撑。结论如下：

1）通道间距越小，流体温升速率越快；

2）随着流体流量增大，流体出口温度逐渐减小，温升速率保持稳定；阻力系数减少，压降逐渐增大；强化传热评价因子逐渐增大，总体而言，增大流量有利于太阳能平板集热器综合热性能的提高；

3）吸热板热流密度越大，流体出口温度越高，温升速率越快；

4）流体进口温度越高，流体出口温度越高，进出口温差和温升速率始终保持稳定。

综上所述，通道间距和吸热板热流密度影响流体温升速率，流体流量和吸热板热流密度影响流体出口温度；当吸热板热流密度一定时，通道间距越小、流体流量越小，流体温升速率越大，出口温度越高。

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Study on the Influence of Key Parameters of Thermal Performance of Solar Flat-panel Collector

HUANG Kuo CHEN Guoyu ZHENG Guixing HUANG Yunsheng

(Guangzhou Energy Testing and Research Institute, Guangzhou 510170, China)

By changing the key parameters that affect the thermal performance of the solar flat plate collector: channel spacing, fluid flow, heat flow density of the heat sink, fluid inlet temperature, the flow and heat transfer laws of the fluid are studied. The results show that when the channel spacing is 0.5～1.0 mm, the changes of heat transfer coefficient, temperature rise rate and pressure drop of fluid are significantly higher than those when the channel spacing is 1.0～2.5 mm. The smaller the channel spacing is, the faster the temperature rise rate of fluid is; With the increase of fluid flow, the outlet temperature of fluid decreases gradually, the temperature rise rate remains stable, the resistance coefficient decreases, the pressure drop increases, and the comprehensive thermal performance evaluation factor increases gradually; The higher the heat flux of the heat absorbing plate is, the higher the fluid outlet temperature is, and the faster the temperature rise rate is; The higher the fluid inlet temperature is, the higher the fluid outlet temperature is, and the temperature difference between the inlet and outlet and the temperature rise rate remain stable.

solar flat-plate collector; thermal performance; channel spacing; fluid flow; heat flow density of heat absorbing plate; fluid inlet temperature

TK513

A

1674-2605(2022)05-0004-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.05.004

黄阔,陈国宇,郑桂兴,等.太阳能平板集热器热性能关键参数影响研究[J].自动化与信息工程,2022,43(5):17-22,49.

HUANG Kuo, CHEN Guoyu, ZHENG Guixing, et al. Study on the influence of key parameters of thermal performance of solar flat-panel collector[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(5):17-22,49.

广东省市场监督管理局科技项目（2020CZ05）；广东省自然科学基金面上项目（2020A1515010947）；广州市市场监督管理局科技项目（2020kj33，2020kj34）；广州市基础与应用基础研究项目（202002030439）。

黄阔，男，1982年生，博士，高级工程师，主要研究方向：能源计量及节能。E-mail:huangkuo2006@126.com

陈国宇，男，1990年生，博士，高级工程师，主要研究方向：能源计量及节能。

郑桂兴，男，1985年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：节能。

黄允生，男，1987年生，本科，工程师，主要研究方向：节能。