大型太陽(yáng)能集熱陣列的實(shí)驗(yàn)研究

李斌，翟曉強(qiáng)

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海　200240）

大型太陽(yáng)能集熱陣列的實(shí)驗(yàn)研究

李斌*，翟曉強(qiáng)

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

為了研究太陽(yáng)能集熱陣列的熱力學(xué)性能以及集熱陣列的設(shè)計(jì)優(yōu)化，本文對(duì)熱管式太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了性能測(cè)試，分析了影響其總熱損的主要因素。隨后搭建了熱管式太陽(yáng)能集熱陣列并利用其進(jìn)行了集熱效率實(shí)驗(yàn)。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的串聯(lián)管路集熱效率沿程降低的現(xiàn)象對(duì)太陽(yáng)能集熱陣列的安裝方式進(jìn)行了探討。

太陽(yáng)能集熱陣列；熱管式集熱器；串聯(lián)管組；實(shí)驗(yàn)研究

0　引言

隨著太陽(yáng)能熱利用行業(yè)的不斷發(fā)展，大型的太陽(yáng)能集熱陣列在許多場(chǎng)所諸如賓館、大型浴室、辦公建筑、發(fā)電站中得到了廣泛的使用。然而，相對(duì)于小型的集熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目前有關(guān)大型太陽(yáng)能集熱陣列的研究還不是很完善，這給大型太陽(yáng)能集熱陣列的設(shè)計(jì)安裝增加了不少難度［1-4］。

對(duì)于大型太陽(yáng)能集熱陣列的設(shè)計(jì)安裝，陣列中集熱器的性能以及集熱陣列的排布是非常重要的兩個(gè)部分。在集熱器選型方面，KALOGIROU［5］對(duì)各種集熱器進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析并給出了相應(yīng)的應(yīng)用前景；TIAN和ZHAO［6］分析了不同的太陽(yáng)能集熱器和蓄熱水箱在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中的利用情況；SAKHRIEH等［7］實(shí)驗(yàn)研究了5種不同集熱器的運(yùn)行性能、集熱效率和可靠性，并根據(jù)其應(yīng)用價(jià)值對(duì)其進(jìn)行了比較；劉建波［8］對(duì)平板集熱器、熱管式真空管集熱器、CPC集熱器以及全玻璃管真空管集熱器進(jìn)行了熱性能分析，分析了積塵和流量對(duì)于集熱器性能的影響。在集熱陣列的排布方面，翟輝等［9］就大型平板/真空管集熱器的排列問(wèn)題進(jìn)行了研究，計(jì)算了集熱器傾角、間距、方位角對(duì)于集熱系統(tǒng)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上給出了最佳間距的計(jì)算公式；魏勝賢等［10-11］研究了集熱器的縱橫比、板間距、長(zhǎng)寬比等參數(shù)對(duì)集熱系統(tǒng)性能的影響。盡管前人針對(duì)太陽(yáng)能集熱陣列的選型和排布已經(jīng)有了一定的研究，然而其中很大的一部分都停留在理論分析以及模擬計(jì)算上面，實(shí)際的大型系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)卻并不多見(jiàn)。

本文通過(guò)搭建大型太陽(yáng)能集熱陣列，對(duì)熱管式集熱器的熱性能以及集熱陣列的運(yùn)行效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。并選取典型天氣，通過(guò)對(duì)集熱器的熱損分析和集熱陣列的效率分析，得出了熱管式集熱器運(yùn)行特性和集熱陣列排布優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路。

1　集熱器瞬時(shí)效率模型

以集熱板溫度為基準(zhǔn)溫度，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)效率方程為：

式中：

ηhp——瞬時(shí)效率；

τ——玻璃真空管透過(guò)率；

α——集熱板吸收率；

UL——總熱損系數(shù)，W/m2·K；

Tc，in——進(jìn)口水溫，℃；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

I——太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2。

在自然環(huán)境下，熱損系數(shù)受變工況的影響不斷變化。計(jì)算分析時(shí)，為了模擬精確起見(jiàn)，將總熱損系數(shù)的求取放到循環(huán)中迭代運(yùn)行，也就是在每個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)均求取一次總熱損系數(shù)。由于集熱器由熱管和集箱構(gòu)成，因此熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器的熱損主要由熱管熱損和集箱熱損構(gòu)成。

玻璃管內(nèi)部高度真空，只需要考慮集熱板與玻璃管之間的輻射熱即可。根據(jù)輻射換熱原理，可以得出集熱板與玻璃管之間的輻射換熱表達(dá)式：

式中：

Qcg——集熱板與玻璃管之間的輻射換熱，W；

Tc、Tg——集熱板和玻璃管溫度，℃；

εc、εg——集熱板和玻璃管發(fā)射率；

Ac、Ag——集熱板和玻璃管面積，m2；

玻璃管與環(huán)境之間的對(duì)流散熱損失以及玻璃管對(duì)大氣的輻照散熱損失：

式中：

Qga——玻璃管與環(huán)境之間的散熱損失，W；

hga——玻璃管與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K。

根據(jù)熱平衡，聯(lián)立方程（2）和（3）可以迭代計(jì)算得到玻璃管溫度Tg，從而計(jì)算得到熱管熱損以及熱管熱損系數(shù)。

集箱由內(nèi)向外的散熱可認(rèn)為先通過(guò)保溫材料傳導(dǎo)至集箱外表面，再通過(guò)集箱外表面對(duì)環(huán)境散熱。集箱通過(guò)保溫材料的導(dǎo)熱通過(guò)下式計(jì)算：

式中：

Qnwb——集箱通過(guò)保溫材料的導(dǎo)熱量，W；

λb——集箱保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

Lb——集箱長(zhǎng)度，m；

Tnw、Tb——集箱內(nèi)部水溫以及集箱外表面溫度，℃；

Dnw、Db——集箱內(nèi)徑以及外徑，m。

集箱與環(huán)境之間的對(duì)流散熱損失以及集箱對(duì)大氣的輻照散熱損失：

式中：

Qba——集箱與環(huán)境之間的散熱損失，W；

Ab——集箱表面積，m2；

hba——集箱與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；

εb——集箱發(fā)射率。

玻璃管以及集箱與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)按照室外空氣外掠單管的對(duì)流換熱計(jì)算［12］：

根據(jù)熱平衡，聯(lián)立方程（4）和（5）可以迭代計(jì)算得到集箱外表面溫度Tb，從而計(jì)算得到集箱熱損以及集箱熱損系數(shù)。

以集熱面積為基準(zhǔn)面積求取的總熱損系數(shù)為：

計(jì)算中采用的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2　集熱器性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算分析

集熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)由3 m2的熱管式太陽(yáng)能熱水器搭建而成，熱水泵將水從水箱中泵出送至集熱器中加熱，被加熱的熱水隨后又流回水箱中，由于水在集熱器中依靠太陽(yáng)能被不斷循環(huán)加熱，所以水溫會(huì)自然抬升。

選取實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)的典型日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)日實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。

表1　太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率模型的計(jì)算參數(shù)

表2　太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試試驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)進(jìn)口水溫為23 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)水溫達(dá)到了79.7 ℃。圖1為太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化的曲線。

從圖1中可以看出，當(dāng)天的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在正午12∶00左右達(dá)到最大值，此時(shí)的集熱器水溫的升幅也達(dá)到最大，但是由于熱水系統(tǒng)普遍存在有熱慣性的問(wèn)題，所以集熱器水溫升幅最大處相較于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大處稍有滯后。13∶20左右由于云層的遮擋太陽(yáng)輻照度有較大波動(dòng)，總體來(lái)看略有下降，而這時(shí)水溫的升幅也變得較為平緩。

圖2表示太陽(yáng)能集熱器陣列瞬時(shí)效率的實(shí)驗(yàn)值、模擬計(jì)算值以及根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的瞬時(shí)效率曲線。擬合得到的效率方程為：

取夏季冬季的兩個(gè)典型工況進(jìn)行對(duì)照，代入此方程得到：當(dāng)I為700 W/m2、Tc，in為85 ℃、Ta為 34 ℃時(shí)，ηhp為43.7%；當(dāng)I為500 W/m2，Tc，in為45 ℃，Ta為-2 ℃時(shí)，ηhp為37.5%。

對(duì)照發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。尤其是在溫度較低時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合情況十分良好，但是隨著溫度升高，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差變得越來(lái)越大。當(dāng)（Tc，in-Ta）/I ＞ 0.07后，計(jì)算值的下降幅度變得越來(lái)越小，曲線也漸漸趨于平緩。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了當(dāng)隨著進(jìn)口溫度升高，

實(shí)際情況下的熱損會(huì)偏離計(jì)算值，變得越來(lái)越大。

圖1　太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口水溫變化曲線

圖2　熱管式太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)集熱效率變化曲線

分析該情況發(fā)生的原因：從集熱器建模過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，影響熱管熱損的主要因素是環(huán)境溫度和風(fēng)速，而影響集箱熱損的主要因素除了上述兩個(gè)參數(shù)以外，還有集箱進(jìn)口溫度。圖3對(duì)模擬計(jì)算中不同進(jìn)口水溫下集箱和熱管的熱損系數(shù)做出了分析。

在環(huán)境條件一定的情況下，熱管的熱損系數(shù)不會(huì)隨著集熱器的進(jìn)口溫度變化而變化，而集箱的熱損系數(shù)則會(huì)隨著進(jìn)口溫度的上升呈現(xiàn)出線性上升的趨勢(shì)。這就導(dǎo)致當(dāng)溫度較低時(shí)，集箱的熱損系數(shù)與熱管的熱損系數(shù)相差不大，但是當(dāng)溫度較高時(shí)，這種差距就很大了。在圖3中，當(dāng)進(jìn)口水溫達(dá)到80℃時(shí)，集箱的熱損系數(shù)達(dá)到了熱管熱損系數(shù)的5倍。由此可見(jiàn)，對(duì)于熱管式太陽(yáng)能集熱器來(lái)說(shuō)，集箱熱損大小是影響總熱損的主要因素，這種影響在高溫區(qū)尤為明顯。

圖3　熱管式太陽(yáng)能集熱器熱損系數(shù)變化曲線

3　集熱器陣列集熱效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明

太陽(yáng)能集熱實(shí)驗(yàn)陣列中一共布置了27組熱管式太陽(yáng)能集熱器，每9組集熱器串聯(lián)成一排，從而形成并聯(lián)布置的三排太陽(yáng)能集熱器，具體集熱器陣列排布圖見(jiàn)圖4。同時(shí)，為了防止因集熱器內(nèi)水的汽化而引發(fā)的管道振動(dòng)、流量減小等事故，三排管道上均設(shè)置自動(dòng)排氣閥。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水經(jīng)過(guò)水泵輸入到集熱器陣列中，然后分流至三個(gè)串聯(lián)管路經(jīng)由太陽(yáng)能加熱，最終匯流后流回儲(chǔ)水箱。

圖4　太陽(yáng)能集熱器陣列排布圖

3.2集熱陣列集熱效率實(shí)驗(yàn)

前文中，我們已經(jīng)對(duì)熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了效率測(cè)試。然而，對(duì)于大型太陽(yáng)能集熱器陣列，除了集熱器的熱損以外，管路的熱損也相當(dāng)嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)太陽(yáng)能集熱器陣列整體的集熱效率進(jìn)行測(cè)試分析。

同樣根據(jù)典型日實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)日為晴天，天氣情況見(jiàn)表3。

表3　太陽(yáng)能集熱器陣列集熱效率測(cè)試試驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的輻照變化以及環(huán)境溫度變化如圖5所示。集熱器進(jìn)口水溫從初始時(shí)刻的34℃上升到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的86℃。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬和，結(jié)果如圖6所示，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的瞬時(shí)效率方程為：

圖5　太陽(yáng)能集熱器陣列集熱效率測(cè)試的環(huán)境條件

圖6　熱管式太陽(yáng)能集熱器陣列的瞬時(shí)集熱效率變化曲線

從圖6中可以看出，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的瞬時(shí)效率隨進(jìn)口水溫的升高快速下降，在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)集熱器陣列進(jìn)口水溫為45℃時(shí)，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率46.2%，當(dāng)集熱器進(jìn)口水溫為85℃時(shí)，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率僅為10.6%。這說(shuō)明熱管式真空管太陽(yáng)能集熱陣列在低溫區(qū)有著較高的集熱效率；當(dāng)（Tc，in-Ta）/I ＜ 0.06時(shí)，其集熱效率都在30%以上；與此相對(duì)的，在高溫區(qū)的表現(xiàn)較差。

此規(guī)律可以通過(guò)圖7所表示的熱管式太陽(yáng)能集熱器陣列進(jìn)出口水溫變化曲線進(jìn)一步得到闡述。

由圖7可知，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的進(jìn)出口溫差隨著進(jìn)口水溫的升高逐漸減小，實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻進(jìn)出口的溫差約保持在10℃左右，但是到實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，溫差近乎為0。太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于地板采暖、熱水供應(yīng)等熱水溫度要求不很高的工況，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列具有較高的集熱效率。

圖7　熱管式太陽(yáng)能集熱器陣列進(jìn)出口水溫變化曲線

同時(shí)，將集熱器陣列的集熱效率實(shí)驗(yàn)與前文中所研究的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器效率實(shí)驗(yàn)相比，可以明顯發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱陣列的集熱效率有所降低，這主要是由于兩方面的原因：第一，太陽(yáng)能集熱器的串聯(lián)安裝使得集熱器的進(jìn)口水溫沿著串聯(lián)管路逐步上升，進(jìn)而使得集熱器的集熱效率沿程遞減；第二，管路損失，在實(shí)際安裝中，管道長(zhǎng)度將近100 m，在循環(huán)過(guò)程中存在有很大的管路熱損。因此，對(duì)于大型的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，合理設(shè)計(jì)、盡量縮短管路長(zhǎng)度、采取良好的保溫措施具有重要的意義。

3.3太陽(yáng)能集熱器陣列排布方式探討

以現(xiàn)有的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列為例，對(duì)太陽(yáng)能集熱器陣列的安裝方式進(jìn)行分析：利用集熱器效率方程進(jìn)行理論分析與計(jì)算，圖8表示對(duì)應(yīng)于不同的進(jìn)口水溫，串聯(lián)管組中沿程各組集熱器的效率變化曲線，由圖8可知，將太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)連接會(huì)導(dǎo)致集熱器效率逐片遞減。在本實(shí)驗(yàn)中，每9組熱管式真空管集熱器組成一個(gè)串聯(lián)集熱陣列，這就導(dǎo)致末端太陽(yáng)能集熱器的集熱效率相比于第一塊集熱器的集熱效率降低了6.5%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集熱器串聯(lián)陣列的進(jìn)口水溫有所不同時(shí)，其效率下降幅度近似相同，說(shuō)明了太陽(yáng)能集熱器集熱效率的沿程下降幅度與進(jìn)口水溫?zé)o關(guān)。繼續(xù)研究集熱器串聯(lián)組數(shù)與效率降低的關(guān)系，其變化規(guī)律如圖9所示，隨著串聯(lián)組數(shù)的增加，集熱器的效率近似于線性降低，串聯(lián)組數(shù)越多，效率下降越大。上述分析表明太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)運(yùn)行是以損失集熱效率為代價(jià)來(lái)提高出口水溫，這固然是一種簡(jiǎn)單可行的方法，但是，對(duì)于大型太陽(yáng)能集熱器陣列，為了保證集熱效率，建議通過(guò)合理調(diào)節(jié)流量，適當(dāng)減少串聯(lián)集熱器數(shù)量，以并聯(lián)安裝為主。

圖8　串聯(lián)熱管式太陽(yáng)能集熱器陣列沿程集熱效率變化曲線

圖9　串聯(lián)熱管式太陽(yáng)能集熱器陣列沿程集熱效率損失變化曲線

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)熱管式太陽(yáng)能集熱器的性能實(shí)驗(yàn)以及集熱器陣列的集熱效率實(shí)驗(yàn)，研究得出以下結(jié)論。

1）對(duì)于熱管式太陽(yáng)能集熱器來(lái)說(shuō)集箱熱損大小是影響總熱損的主要因素。

2）熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的瞬時(shí)效率隨進(jìn)口水溫的升高快速下降，導(dǎo)致其在高溫區(qū)的使用效果遠(yuǎn)不如在低溫區(qū)。因此對(duì)于地板采暖、熱水供應(yīng)等熱水溫度要求不很高的工況，熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器陣列具有較高的集熱效率。

3）對(duì)于大型太陽(yáng)能集熱器陣列，可以通過(guò)串聯(lián)方式來(lái)提高出口水溫度，但是為了保證集熱效率，建議合理調(diào)節(jié)流量，適當(dāng)減少串聯(lián)集熱器數(shù)量，以并聯(lián)安裝為主。

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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，碩士在讀。研究方向：太陽(yáng)能集熱相關(guān)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：13524860987。E-mail：wood12300@sjtu.edu.cn。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（No.2012BAA05B01）