太陽(yáng)能平板集熱器能效提升方法 1 ＊

文/黃闊 陳國(guó)宇 陳立玲

0 引言

隨著我國(guó)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，發(fā)展清潔能源替代傳統(tǒng)能源已成為全社會(huì)共識(shí)。太陽(yáng)能作為一種清潔可再生能源，對(duì)緩解氣候變化、降低能源消耗及保護(hù)生態(tài)都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)太陽(yáng)能熱資源豐富，超過4/5的地區(qū)年均太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度大于1200KW·h/m2，年日照在2200h以上。在太陽(yáng)能熱利用中，集熱器是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的核心部件，分為平板型集熱器和真空管型集熱器兩種類型。平板型太陽(yáng)能集熱器主要在我國(guó)南方地區(qū)使用，其主要優(yōu)點(diǎn)是熱效率高、性價(jià)比高、循環(huán)快；而真空管太陽(yáng)能集熱器主要在北方使用，其主要優(yōu)點(diǎn)是保溫性能好、抗凍性能強(qiáng)，但是平均日熱效率比平板太陽(yáng)能集熱器低、價(jià)格較高。總體來(lái)看，平板型太陽(yáng)能集熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、較好的承壓性能，能夠廣泛應(yīng)用于建筑、制冷、采暖等行業(yè)的特點(diǎn)。

1 太陽(yáng)能集熱器工作原理

當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能集熱器的玻璃蓋板上時(shí)，太陽(yáng)能被涂有特殊涂層的吸熱板吸收，光能轉(zhuǎn)化為熱能，吸熱板溫度會(huì)逐漸升高，同時(shí)伴有熱輻射散熱，為了減少熱輻射散熱損失，一般選擇對(duì)長(zhǎng)波有較低發(fā)射率的涂層；被吸熱板吸收的可見光轉(zhuǎn)化為熱能后，會(huì)傳遞給通道內(nèi)的流體，流體溫度升高后流出通道流入水箱，集熱器玻璃蓋板和保溫層以對(duì)流和輻射的形式向周圍環(huán)境散熱，散熱損失包含玻璃蓋板上端熱輻射和四周外部熱損失。該能量傳遞過程循環(huán)往復(fù)直至穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能平板集熱器能量傳遞過程

2 平板集熱器結(jié)構(gòu)組成

平板集熱器一般由玻璃蓋板、集熱板（吸熱板）、保溫層及絕熱外殼體等主要構(gòu)件組成。玻璃蓋板通常置于太陽(yáng)能集熱器上方，由透明度非常高的特殊材質(zhì)制作，一般使用平板玻璃和玻璃鋼板，其中平板玻璃使用最為普遍。平板玻璃的太陽(yáng)光透過比通常和玻璃中含鐵量成反相關(guān)，含鐵量越低，則平板玻璃太陽(yáng)光透過比越高，低鐵質(zhì)的平板玻璃太陽(yáng)光透過比可達(dá)0.90以上。集熱板（吸熱板）是在熱導(dǎo)率高的基板材料如鋁、銅、鍍鋅板和不銹鋼等表面涂上涂層制作而成，吸熱涂層材料對(duì)吸熱板最大限度吸收太陽(yáng)輻射能量起核心作用。根據(jù)吸熱板涂層光學(xué)特征與照射波長(zhǎng)有無(wú)相關(guān)性，涂層主要分為非選擇性吸收和選擇性吸收兩類，有關(guān)的是選擇性吸收涂層，無(wú)關(guān)的則是非選擇性吸收涂層。選擇性的吸收涂層可以增強(qiáng)吸熱板對(duì)光輻射的吸收能力，同時(shí)降低吸熱板的散熱損失。平板型集熱器底板與四周壁面都需要使用保溫棉來(lái)抑制其散熱，保溫絕緣材料一般要求導(dǎo)熱系數(shù)低于0.055W/(m·K)，目前普遍使用聚氨酯、聚苯乙烯、巖棉、礦棉等。絕熱外殼則用于固定玻璃蓋板、吸熱板以及保溫層于一體，具有保護(hù)太陽(yáng)能集熱器的作用，其密封性能起到影響系統(tǒng)的牢固性和熱損失的重要作用。

3 平板集熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于平板型太陽(yáng)能集熱器，國(guó)外學(xué)者主要針對(duì)其傳熱性能的提高展開研究，如Linthorst等和Elsh erbiny等將平板集熱器比擬為自然對(duì)流腔體進(jìn)行研究，獲得腔體不同長(zhǎng)寬比的臨界傾角及臨界瑞利數(shù)；Abdullah等研究了在透明玻璃蓋板和熱吸收面板之間的空氣夾層內(nèi)使用蜂窩件，能夠有效減少集熱器頂端的熱量輻射，進(jìn)而提升太陽(yáng)能集熱器的熱性能；Braga等對(duì)矩形腔內(nèi)水的自由對(duì)流過程進(jìn)行了研究，獲得水溫分布圖和流體流動(dòng)圖；Dagdougui等對(duì)不同蓋板尺寸下平板集熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了各種類型變化層數(shù)的玻璃蓋板對(duì)平板集熱器頂部熱量損失，同時(shí)對(duì)太陽(yáng)光輻射面積、集熱器流道管徑、集熱器流道間距以及流體流量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高流體出口溫度。

在國(guó)內(nèi)，平板型太陽(yáng)能集熱器屬于太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)中最先進(jìn)行研究與應(yīng)用的一類典型產(chǎn)品，近五十年來(lái)產(chǎn)品應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展，性能得以進(jìn)一步提升，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比差距越來(lái)越小。國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于平板型太陽(yáng)能集熱器的研究主要集中在其流動(dòng)與傳熱特性方面，如陳則韶等對(duì)集熱器空氣夾層開展研究，發(fā)現(xiàn)空氣夾層厚度在6cm時(shí)熱損失最??；王輝等利用超聲速火花噴漆工藝、等離子噴涂工藝輔以氣溶膠-凝膠薄膜工藝生產(chǎn)的新型涂層和復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)該條件下集熱器吸熱板涂層的太陽(yáng)光吸收比高達(dá)0.92；林金清等對(duì)流道內(nèi)流動(dòng)特性開展研究，發(fā)現(xiàn)空氣集熱器熱效率的影響因素包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、氣體流速和進(jìn)口溫度等，熱效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣體流速成正比、與氣流進(jìn)口溫度成反比；集熱器吸熱板的溫度隨時(shí)變動(dòng)難以穩(wěn)定、溫度分布規(guī)律難以獲得，丁剛等通過改變流道，將單出入口流道設(shè)計(jì)為多出入口流道，流體出口溫度得以提高，熱分布在流道內(nèi)更加均勻；流體吸熱的太陽(yáng)能越多，集熱器瞬時(shí)效率也越高?？梢?，結(jié)合研究現(xiàn)狀來(lái)看，透明蓋板、集熱器空氣夾層、吸熱板涂層、流道結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)參數(shù)等，均可不同程度改變集熱器熱效率。

4 平板集熱器傳熱過程分析

當(dāng)太陽(yáng)能輻射到平板集熱器的玻璃蓋板后，部分能量被涂有涂層的吸熱板吸收后轉(zhuǎn)化為熱能Q0；被轉(zhuǎn)化的熱能傳遞給通道內(nèi)的流體，流體溫度升高后流入水箱，被工質(zhì)吸收的熱量稱為有效能Q1；集熱器玻璃蓋板和保溫層以對(duì)流和輻射的形式向周圍環(huán)境散熱，散熱損失包含玻璃蓋板上端熱輻射Q2和四周外部熱損失Q3。根據(jù)能量守衡定律，有：

式（1）至式（5）中：Q0為有效輻射能，W；Q1為集熱器自身溫度升高而儲(chǔ)存的能量，W；Q2為集熱器內(nèi)流體吸收的熱量，W；Q3為集熱器系統(tǒng)的熱損失，W；A為太陽(yáng)能集熱器集熱面積，m2；G為太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度，W/m2；(τ? )e為集熱器吸熱板對(duì)太陽(yáng)光吸收比與玻璃蓋板透射比乘積，無(wú)量綱；m為太陽(yáng)能集熱器內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg/s；Cp為流體的定壓比熱，J/(kg·K)；Tout為太陽(yáng)能集熱器內(nèi)流體出口溫度，K；Tin為流體進(jìn)口溫度，K；a2為邊緣熱損失系數(shù)，W/(m2·℃ )；A2為周邊面積，m2；T2為周邊緣保溫棉外表面溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K；a3為底部熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；A3為底部面積，m2；T3為底部保溫棉外表面溫度，K。

集熱器熱效率是太陽(yáng)能集熱器內(nèi)流體吸收的有效熱量與太陽(yáng)光輻射到集熱器能量之比。集熱器正反平衡熱效率分別為：

基于平板集熱器傳熱過程分析，結(jié)合式(6)和式(7)，提高集熱器熱效率的主要途徑有研發(fā)高透射比涂層、增加流動(dòng)工質(zhì)的吸熱量和減少熱損失。

5 結(jié)語(yǔ)

基于平板型太陽(yáng)能集熱器工作原理及結(jié)構(gòu)，本文分析了平板集熱器傳熱過程及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱器熱效率提升主要圍繞提高流體工質(zhì)的吸熱能力和減少散熱損失開展。當(dāng)前提升平板型太陽(yáng)能集熱器熱效率的主要方法有研發(fā)太陽(yáng)透射比高的玻璃蓋板、開發(fā)高效吸熱涂層技術(shù)、提高流動(dòng)工質(zhì)的傳熱速率及提高保溫性能和密封性以減少熱損失。與其他類型的集熱器比較，平板型太陽(yáng)能集熱器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)，其熱效率進(jìn)一步提升后的應(yīng)用與發(fā)展前景將更為廣闊。