傾角對(duì)兩種熱管PV/T裝置熱性能影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

鄭仁春

摘要：為研究?jī)A角對(duì)熱管PV/T裝置傳熱性能的影響，設(shè)計(jì)了無(wú)芯熱管和絲網(wǎng)芯熱管兩種熱管PV/T系統(tǒng)在不同傾斜角度下的熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，并在太陽(yáng)能可控環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中，保證傾角以外的其他因素全部不變，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到在傾角影響下熱管PV/T裝置集熱性能與傾角的關(guān)系；且對(duì)比了無(wú)芯熱管和絲網(wǎng)芯熱管應(yīng)用于熱管PV/T系統(tǒng)的差異。結(jié)論表明：1.無(wú)芯熱管與絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)，最佳傾角均為40°左右；2.傾角大于20°時(shí)，無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)的熱性能總是優(yōu)于絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)，無(wú)芯熱管更適用于最佳傾角大于20°的地區(qū)，傾角小于20°時(shí)，無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)的熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)，因此選用絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)更佳。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；PV/T；傾角；熱管

中圖分類(lèi)號(hào)：0664.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）14-175-02

前言

許多研究者認(rèn)為，在一定傾角范圍內(nèi)，熱管的傳熱系數(shù)高于其在垂直狀態(tài)下的傳熱系數(shù)，傾角對(duì)熱管的傳熱性能有較大影響。PV/T裝置在實(shí)際應(yīng)用中均為傾斜放置，其擺放傾角是影響太陽(yáng)能總收益的重要因素，傳統(tǒng)水冷型PV/T系統(tǒng)的冷卻水由泵驅(qū)動(dòng)直接通過(guò)電池板芯背部的管道，受重力的影響可以忽略，因此以接收到的太陽(yáng)能輻照總量最大作為系統(tǒng)最佳傾角的唯一判據(jù)，而在熱管PV/T系統(tǒng)中，由于傾角對(duì)熱管傳熱性能也有較大影響，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)最佳傾角時(shí)，要同時(shí)考慮接收的輻照總量和熱管熱性能的影響。

以往的研究都是針對(duì)單根熱管的傳熱分析，沒(méi)有涉及熱管PV/T系統(tǒng)熱性能受傾角影響的研究，并且室外的研究由于太陽(yáng)輻照和環(huán)境溫度等條件都隨時(shí)間變化，無(wú)法控制傾角為唯一變量，達(dá)不到研究目的。為了研究?jī)A角對(duì)系統(tǒng)熱性能的影響，選取了目前最常用的兩種熱管：無(wú)芯熱管和金屬卷繞絲網(wǎng)吸液芯熱管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)絲網(wǎng)芯熱管），分別組成兩種熱管PV/T系統(tǒng)，并且在太陽(yáng)能可控環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中針對(duì)熱管PV/T熱性能與傾角的關(guān)系以及兩種熱管PV/T系統(tǒng)的差異進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，太陽(yáng)能可控環(huán)境實(shí)驗(yàn)室能控制環(huán)境溫度和濕度，提供穩(wěn)定輻照，使得傾角成為唯一變量，這是室外實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)成的。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及工作原理

實(shí)驗(yàn)所用熱管具體規(guī)格如下：無(wú)芯熱管——HR8（24）*1400F.90.06，絲網(wǎng)芯熱管——HR8（24）*1400P.90.06，兩者尺寸均為蒸發(fā)段長(zhǎng)1300mm，外徑8mm，冷凝段長(zhǎng)90mm，外徑24mm；流道——Φ38/1Φ26/90-80-9-150焊G3/4，長(zhǎng)998mm，外徑38mm。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為無(wú)芯熱管PV/T集熱板和絲網(wǎng)芯熱管PV/T集熱板：寬880mm，高1500mm，厚95mm，實(shí)際集熱面積為0.998m²；集熱板上層壓72塊62.5*125mm的黑色單晶硅光伏電池，分成36塊串聯(lián)的兩組并聯(lián)在一起，有效覆蓋面積為0.555m²；每塊集熱板有8根熱管，熱管的冷凝段排列插在流道中，為了增大冷凝段與循環(huán)水的換熱面積，采用了非等徑的大頭熱管。

熱管PV/T實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由PV/T集熱器、循環(huán)水泵、循環(huán)管路、儲(chǔ)水箱、太陽(yáng)能逆變控制器和蓄電池組成。集熱板吸收太陽(yáng)能，將熱量傳給熱管，由水泵驅(qū)動(dòng)水循環(huán)，將熱管冷凝段的熱量不斷帶入水箱。太陽(yáng)能逆變控制器和蓄電池實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和輸出。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用12V的直流無(wú)刷水泵ZK30A-1230，最大功率4.8W。采用T型熱電偶對(duì)60L循環(huán)水箱內(nèi)的水溫進(jìn)行測(cè)量，由于儲(chǔ)水箱存在分層現(xiàn)象，為準(zhǔn)確測(cè)得溫度，在水箱內(nèi)部軸線上等間距布置5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)與電腦連接的Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集。采用速度式水表1xs-15測(cè)量冷卻水流量。

要研究?jī)A角對(duì)熱管PV/T系統(tǒng)性能的影響，需保證在其他條件都不變的情況下，改變集熱板的傾斜角，對(duì)比系統(tǒng)在不同傾角下的性能差異。因此，必須保證太陽(yáng)輻照、環(huán)境溫度、濕度、循環(huán)水流量、循環(huán)水量以及初始水溫不變，而太陽(yáng)能可控環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可以提供這樣的實(shí)驗(yàn)條件：干球溫度的可控范圍和精度為15～50℃±0.2℃，濕球溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725-2003的要求；由TRM-PD1人工太陽(yáng)模擬發(fā)射器提供太陽(yáng)輻照，能夠提供200-1200W的輻照。集熱器表面接收到的太陽(yáng)總輻射量采用TBQ-2A總輻射表測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)安排：設(shè)定環(huán)境溫度穩(wěn)定在25℃，每次做實(shí)驗(yàn)前都換水并加熱到25℃，保證初始水溫一致，太陽(yáng)輻照度保持在650W，循環(huán)水流量0.033kg/s，無(wú)芯熱管PV/T集熱板和絲網(wǎng)芯熱管PV/T集熱板分別組成兩個(gè)相同的系統(tǒng)，保持模擬發(fā)射器與集熱板的相對(duì)位置不變，在集熱板傾斜角為9°、20°、30°、40°、50°、60°、70°情況下測(cè)試兩個(gè)系統(tǒng)的光熱性能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)以30s/次進(jìn)行自動(dòng)保存。

2性能評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的平均熱效率主要由集熱器表面所接受到的太陽(yáng)輻照量Ht（MJ/In²）、系統(tǒng)的初始水溫（℃）和終了水溫（℃）決定，受系統(tǒng)循環(huán)水量和集熱器的傾角等影響。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法如式（3）所示：

式中，為系統(tǒng)水箱的實(shí)際得熱量，MJ/m²；為水的比熱容，KJ/（kg·℃）；m為水箱中水的總量，kg；和為系統(tǒng)終了水溫和初始水溫，℃；為熱管PV/T系統(tǒng)的熱效率。

其中，實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)水箱中布置了五個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，以五個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度作為水箱中的水溫：

由圖2可知，20°以上的角度，系統(tǒng)1的集熱效率總是高于系統(tǒng)2的效率，因?yàn)閮A角在20。以上時(shí)，無(wú)芯熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管壁的導(dǎo)熱熱阻小，而絲網(wǎng)芯熱管由于絲網(wǎng)芯的存在，管壁的導(dǎo)熱熱阻大于無(wú)芯熱管，使得整體的傳熱熱阻大于無(wú)芯熱管，導(dǎo)致系統(tǒng)2的集熱效率低于系統(tǒng)1；而在9°這樣小角度下，系統(tǒng)1基本上不工作，熱管熱阻極大，系統(tǒng)2保持正常工作，具有較高集熱效率。所以，在最佳傾角大于20°的地區(qū)，建議使用無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)，而在最佳傾角小于20°的地區(qū)，則使用絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)。

3結(jié)論

通過(guò)兩種熱管PV/T系統(tǒng)在不同傾角下的熱性能實(shí)驗(yàn)，可得如下結(jié)論：

3.1對(duì)熱管PV/T系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傾角對(duì)系統(tǒng)的熱性能有較大影響，設(shè)計(jì)熱管PV/T系統(tǒng)的擺放傾角時(shí)必須考慮傾角的影響。

3.2無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)的熱效率隨傾角的增加，先增大后減小，在40°左右熱效率最大。絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)的熱效率則從平緩到增大，最后再減小，在40°左右熱效率最大。

3.3在20°以上，無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)的熱效率總是高于絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)。無(wú)芯熱管PV/T在傾斜角20°以下熱效率急劇下降，甚至幾乎不工作，而絲網(wǎng)芯熱管在極小的角度下仍高效率工作。所以，在最佳傾角大于20°的地區(qū)，更適合采用無(wú)芯熱管PV/T系統(tǒng)，而在最佳傾角小于20°的地區(qū)，采用絲網(wǎng)芯熱管PV/T系統(tǒng)更好，此結(jié)論也適用于其他與熱管相結(jié)合的集熱裝置的傾角優(yōu)化。