關于太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的研究與分析

程文平　劉習武　胡慶松

摘 要：闡述了太陽能蓄熱技術的發(fā)展背景，說明了太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的工作原理。通過改變散熱管形狀和分布方式，增加換熱面積來提高蓄熱效率的技術方案。并對系統(tǒng)的特點進行分析，歸納了系統(tǒng)在應用中所面臨的問題。提出把探索新型相變材料和研發(fā)太陽能蓄能熱泵集成系統(tǒng)作為未來發(fā)展的方向，以此提高系統(tǒng)設備的蓄熱效率，降低熱損失。

關鍵詞：太陽能蓄熱技術；相變蓄熱系統(tǒng)；相變材料；蓄熱效率

引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，尋求新的能源，特別是無污染的清潔能源已成為現(xiàn)在人們研究的熱點。在余熱和太陽能能量利用系統(tǒng)中，采用合適的相變蓄熱材料可以提高能源利用效率，還能解決供需雙方在時間、地點、強度上不匹配的矛盾[1]。相變蓄熱技術在太陽能利用、電力的調(diào)峰、廢熱和余熱的回收利用等領域具有廣泛的應用前景。因此，為了能廣泛利用太陽能，就必須解決技術上的問題，提出效率更高的改進方案，從而在經(jīng)濟上同常規(guī)能源相競爭。

太陽能蓄熱系統(tǒng)的水循環(huán)系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng)，在循環(huán)水循環(huán)加熱過程中會產(chǎn)生一些不凝氣體或汽水熱氣，從而導致?lián)Q熱系數(shù)的降低，使得太陽能無法充分利用[2]?，F(xiàn)有技術的太陽能蓄熱系統(tǒng)中，基本上采用非相變材料，蓄熱能力差。針對上述問題，太陽能相變蓄熱系統(tǒng)能夠解決換熱系數(shù)低以及蓄熱能力差的問題。

1 太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的工作原理

太陽能相變蓄熱系統(tǒng)，包括集熱器、箱體、循環(huán)泵和散熱管，散熱管設置在蓄熱箱體中，如圖1所示。集熱器加熱的熱水經(jīng)過散熱管，通過散熱管將熱量傳遞給蓄熱箱體，蓄熱箱體內(nèi)設置相變蓄熱材料。相變蓄熱材料一般是石蠟或脂肪酸或者石蠟和脂肪酸混合物[3]。

為了能增加換熱面積，散熱管為并聯(lián)或串聯(lián)的多個，從而形成連片式散熱管，并在散熱管外部設置翅片。沿著熱水的流動方向，外部翅片高度不斷的增加，高度增加的幅度越來越大。通過增加翅片高度，從而增加翅片的換熱面積。散熱管是板翅式散熱管，板翅式散熱管包括扁管和設置在扁管中的翅片，其中扁管包括互相平行的管壁，翅片設置在管壁之間；翅片包括傾斜于管壁的傾斜部分，在傾斜部分上通過沖壓方式加工突尖，從而使傾斜部分兩側(cè)的流體通過傾斜部分上沖壓方式形成的孔連通，其中突尖從傾斜部分沿著熱水流動方向向外延伸，如圖2所示。

翅片包括水平部分，水平部分與管壁平行并且與管壁貼在一起，傾斜部分與水平部分連接；突尖為等腰三角形，等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，相鄰的管壁的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，相鄰的傾斜部分的距離為w，等腰三角形的頂角為b， 突尖的延伸方向與熱水的流動方向的夾角為a，傾斜部分與管壁之間的銳角的夾角為c，示意如圖3所示，滿足如下公式：

2 太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的特點及發(fā)展方向

太陽能相變蓄熱系統(tǒng)優(yōu)勢在于：一是太陽能是一種清潔、可持續(xù)的能源，應用它可減少環(huán)境污染，有利于生態(tài)平衡，帶來明顯的節(jié)能效益；二是相變材料潛熱蓄熱具有蓄熱密度大、蓄熱、釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點。故在太陽能系統(tǒng)中應用相變蓄熱材料的前景十分可觀。其缺點主要是：一是系統(tǒng)的初投資較高，整個系統(tǒng)從設計到建成的管理都比常規(guī)系統(tǒng)難度大得多，必須保證足夠的先進、可靠[4]；二是目前應用于太陽能蓄熱的相變材料溫度均維持中低溫狀態(tài)，無法用來蓄冷。為克服此問題， 應繼續(xù)探索適合的高溫相變蓄能材料，以使系統(tǒng)可同時實現(xiàn)蓄冷和蓄熱功能。

為能夠使太陽能相變蓄熱技術發(fā)揮更高效率，擬將太陽能利用技術、熱泵技術、蓄能技術等單一技術有機結(jié)合，構(gòu)成一種“高位能+再生能源-供熱（冷）-廢棄物-再生能”的閉環(huán)循環(huán)蓄熱（冷）模式。形成根據(jù)實際功能需求來配置各種能源，使多種能源和技術更好地結(jié)合和應用的路線。不斷提高系統(tǒng)設備利用率，降低蓄熱器向環(huán)境的散熱量。

3 結(jié)束語

文章闡述了太陽能相變蓄熱系統(tǒng)研究的必要性，提出了提高蓄熱效率的技術方案，并對系統(tǒng)的特點進行了分析。經(jīng)濟的高速發(fā)展導致對能源的需求量越來越大，而太陽能通過合理的采集和運用，將會發(fā)揮巨大的作用。逐步探索相變新材料，研究開發(fā)太陽能蓄能熱泵集成系統(tǒng)，從而使得多種能源和技術更好地結(jié)合，全面應用到各行業(yè)領域中。

參考文獻

[1]Hans Martin Henning. Solar Assisted Air Conditioning in Buildings[M].Springer Wien New York，2004.

[2]唐剛志，李隆健，崔文智，等.針翅管式相變蓄熱器傳熱特性的實驗研究[J].鄭州大學學報（工學版），2008，29（3）：69-72.

[3]蘇德權，王方，王全福.太陽能相變蓄熱系統(tǒng)淺析[J].應用能源技術，2011（4）：47-49.

[4]馬貴陽，鄭平，龔智立.相變蓄熱裝置的研制及放熱性能測試[J]. 遼寧石油化工大學學報，2005，25（4）：55-57.