微熱管陣列式太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)性能試驗

王騰月，刁彥華，趙耀華，朱婷婷，魏向前，白鳳武

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微熱管陣列式太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)性能試驗

王騰月1，刁彥華1※，趙耀華1，朱婷婷1，魏向前1，白鳳武2

（1. 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術北京市重點實驗室，北京工業(yè)大學，北京100124；2. 中國科學院太陽能利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室，中國科學院電工研究所，北京100190）

該文采用了以微熱管陣列（micro heat pipe arrays, MHPA）為核心元件的真空管型空氣集熱器與新型相變空氣蓄熱器，設計搭建了以空氣為傳熱介質的太陽能集熱-蓄熱系統(tǒng)。集熱器采用微熱管陣列與真空管結合的新形式，蓄熱器以相變溫度42 ℃的月桂酸為蓄熱相變材料，測試了系統(tǒng)在不同空氣流量下集熱過程的集熱效率，蓄放熱過程中蓄熱放熱的時間、功率，并在不同空氣流量下對蓄熱器的蓄熱、放熱特性進行了研究。研究表明：空氣流量240 m3/h工況下，集熱效率最高；蓄熱器的蓄熱時間和放熱時間最短，蓄熱功率和放熱功率最大，分別是633和486 W；而空氣流量60 m3/h能提供更加穩(wěn)定的出口溫度與放熱功率，在供暖與干燥領域更加適用。集熱-蓄熱過程和放熱過程阻力分別小于327和40 Pa，說明放熱過程系統(tǒng)阻力損失較小，選用功率較小的風機就可提供空氣流動的動力。

太陽能；相變材料；傳熱；微熱管陣列；集熱-蓄熱系統(tǒng)

0 引 言

太陽能是清潔、無污染的可再生能源，它分布廣，容易獲取，資源豐富，因此有效合理利用太陽能是節(jié)約能源的重要途徑。太陽能空氣集熱器是一種簡單的通過太陽能加熱空氣的裝置，它在農作物種子的干燥[1]，水果和蔬菜干燥[2-3]的領域應用很多，此外它與輔助能源的結合還可應用在冬季建筑的供暖[4]。由于太陽能資源具有季節(jié)性和不連續(xù)性，因此需要用蓄熱器把集熱器產(chǎn)生的熱量儲存起來，用以延長太陽能的利用時間，以期達到太陽能資源的最大化利用。目前以水為傳熱介質的真空管太陽能集熱器是最為普遍和成熟的技術，但是這種集熱器存在冬季凍漏的問題，因此以空氣為傳熱介質的集熱器的技術研究受到廣泛關注。而蓄熱器多采用相變蓄熱技術，合理的相變材料和蓄熱裝置是保證蓄熱器高效運行的關鍵。因此，將高效的空氣集熱器與蓄熱器結合起來應用，可以有效的應用于空間供暖和農產(chǎn)品的干燥，也是節(jié)約能源的有效途徑。

國內外很多科研工作者對空氣集熱器和蓄熱器進行了大量的研究工作。趙冰等[5]通過平板型太陽能集熱器和熱管式真空管太陽能集熱器的對比試驗，發(fā)現(xiàn)熱管式真空管太陽能集熱器的集熱效率波動較小。王金平等[6]分析了槽式太陽能集熱器的傳熱特點，發(fā)現(xiàn)集熱器的瞬時熱效率隨傳熱工質溫度的升高而下降。袁穎利等[7]對新型內插管式太陽能空氣集熱器進行了試驗研究，以輪廓采光面積為基準的平均集熱效率約為50%，集熱性能穩(wěn)定。Zhu等[8]研究了一種新型的太陽能空氣集熱器，并對集熱器在不同季節(jié)不同風量下的熱效率和壓力損失進行了分析，該集熱器將微熱管陣列技術應用到集熱器中，不僅改善集熱器熱性能，也比傳統(tǒng)真空管太陽能空氣集熱器減小了流動阻力。朱婷婷等[9]設計了一種微熱管陣列式太陽能空氣集熱器，它具有結構簡單，集熱效率穩(wěn)定的特點。Tanda[10]指出在所研究的中低雷諾數(shù)范圍內，肋粗糙通道比平滑通道更能提高集熱器的集熱性能。Paradis等[11]對兩端通孔型全玻璃真空管太陽能集熱器進行研究，建立數(shù)學模型并進行試驗驗證，集熱效率能達到70%左右，但是制造成本高。

在蓄熱器研究方面，王增義等[12]將熱管作為換熱元件應用于相變蓄熱系統(tǒng)中，研制了一種套熱管式相變蓄熱器，對其蓄放熱過程進行了研究分析。胡凌霄等[13]利用Fluent軟件模擬了帶有環(huán)形肋片相變儲能設備中石蠟的相變融化過程，得到了石蠟熔化過程溫度場分布及熔化時間規(guī)律。Li等[14]設計了一種以月桂酸為相變材料的空氣蓄熱器，在不同空氣流量和進口溫度的條件下對其蓄熱器內部溫度分布以及蓄熱和放熱功率進行了試驗研究分析，相變蓄熱裝置應用了新型微熱管技術，蓄放熱溫度均勻，性能穩(wěn)定、高效。Liu等[15-16]提出一種熱管式新型相變蓄熱裝置，在不同進口溫度和流量下進行測試，結果表明蓄熱裝置可以穩(wěn)定高效的蓄熱和放熱。Zhao等[17]將金屬泡沫添加到石蠟中，結果表明金屬泡沫大幅度提高了相變過程的換熱。Dolado等[18]提出一種PCM空氣蓄熱器，采用帶凹穴的平板封裝相變材料，建立數(shù)值模擬并用試驗驗證。Malan等[19]建立了一種熱管帶翅片的模塊化相變蓄熱系統(tǒng)，并被成功應用在太陽能塔式發(fā)電中。

對于太陽能集熱與相變蓄熱相結合而形成的系統(tǒng)，國內外也有一些科研工作者在研究。唐宗斌等[20-21]建立槽式太陽能集熱與相變蓄熱耦合模型，開發(fā)數(shù)值模擬程序，研究一天中太陽輻射強度非穩(wěn)態(tài)變化引起的集熱器出口工質溫度波動對相變蓄熱單元蓄熱性能的影響規(guī)律。Esakkimuthua等[22]把太陽能空氣集熱器與相變蓄熱器結合起來形成一種熱量儲存系統(tǒng)，研究其儲熱單元在不同空氣流量下的充放熱性能，得出在蓄熱器入口溫度恒定的工況下，放熱過程在低流速下能利用更多的熱量。Khadraoui等[23]設計了2種相似的空氣集熱器（一種帶有PCM石蠟，另一種無PCM），研究發(fā)現(xiàn)有PCM集熱器的日常能源效率可達到33%，而無PCM集熱器的日常能源效率只有17%。Charvat等[24]通過試驗與模擬的方法研究了帶有潛熱蓄熱裝置的空氣太陽能集熱系統(tǒng)，結果表明這種方式的太陽能集熱系統(tǒng)具有更好的溫度穩(wěn)定性，工作溫度可以穩(wěn)定在更小的范圍內。Enibe[25-26]設計了一種帶有PCM儲熱裝置的平板太陽能空氣加熱系統(tǒng)，并成功的應用于農作物的干燥。

本文基于微熱管陣列式真空管型空氣集熱器和以月桂酸為相變材料的相變蓄熱器，建立了一種新型太陽能集熱-蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)中集熱器與蓄熱器都以微熱管陣列為核心傳熱元件[27-28]。本文通過試驗研究的方法對該系統(tǒng)在不同空氣流量下的集熱、蓄熱以及放熱工況進行性能測試，為太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)的應用提供依據(jù)。

1 集熱-蓄熱系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 集熱器基本構造及原理

集熱器采用微熱管陣列與真空管相結合的形式，該集熱器主要由集熱單元、支架、軸流風機、風道組成，風道外壁粘貼擠塑保溫板。集熱器共有20個集熱單元，每個集熱單元由等截面直肋形的鋁制翅片、微熱管陣列和真空管組成。翅片規(guī)格55 mm×25 mm×80 mm，微熱管陣列規(guī)格2 000 mm×40 mm×3 mm，真空管規(guī)格58 mm× 1 800 mm。裝置如圖1所示。

鋁制翅片與微熱管陣列通過導熱膠連接，微熱管陣列插入真空管內，為保證真空管與風道貫穿處的氣密性，用橡膠圈密封真空玻璃管與風道的接觸處并涂以密封膠。翅片放置在矩形風道內，風道兩端做變徑處理，用于連接軸流風機，整個集熱單元與地面成45°角度放在支架上。該集熱器的工作原理為：太陽光照射到真空管內表面，通過內部的吸熱涂層吸收能量并加熱真空管內的空氣，并將熱量傳遞給微熱管，熱管蒸發(fā)段吸收熱量后，促進內部工質向上蒸發(fā)，在貼附翅片的冷凝段與風道內的空氣進行換熱，工質冷凝放熱又流回至蒸發(fā)段，往復循環(huán)。這樣，空氣就實現(xiàn)了加熱過程。

圖1 真空管型太陽能空氣集熱器結構示意圖

1.2 相變蓄熱器構造及原理

本試驗蓄熱裝置采用微熱管陣列（micro heat pipe arrays, MHPA）式空氣相變蓄熱器，主要由蓄熱箱體、微熱管陣列組件（傳熱元件）、相變材料月桂酸、鐵皮風道組成。箱體由3 mm厚不銹鋼板組成，箱體尺寸是390 mm×105 mm×790 mm，其中蓄熱段高度是470 mm，上下風道高度160 mm。微熱管組件由微熱管和V型翅片組成，通過焊接技術連接在一起。微熱管內部填充的工質為丙酮，填充率是20%。蓄熱器工作原理：該熱管管段分為加熱段、蓄熱段和取熱段，熱管加熱段受熱后使得內部工質蒸發(fā)，將熱量向上傳遞至冷凝段后再放出熱量，然后再回流至蒸發(fā)段，如此反復循環(huán)，原理圖如圖2所示。

圖2 微熱管陣列（MHPA）相變蓄熱器結構示意圖

微熱管陣列（MHPA）蓄熱器結構示意圖和實物圖如圖2和圖3所示，其中相變材料選用月桂酸為相變材料，箱體填充月桂酸質量15.5 kg，填充率是89%，物理性質參數(shù)見表1。箱體外用鐵皮做成平均厚度130 mm的空腔，在內部填充聚氨酯發(fā)泡劑，最后外表面再貼以鋁箔。

圖3 微熱管陣列（MHPA）相變蓄熱器實物圖

表1 月桂酸物理性質參數(shù)

2 試驗系統(tǒng)及試驗方法

2.1 試驗系統(tǒng)介紹

太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)主要由真空管型太陽能空氣集熱器、微熱管陣列（MHPA）式空氣相變蓄熱器、軸流風機、管道、數(shù)據(jù)采集儀、電腦等設備組成，集熱器與蓄熱器通過PVC管和鐵皮管道連接，管道直徑是110 mm，用厚度35 mm保溫套管包裹保溫，最后在外表面貼以鋁箔膠帶。系統(tǒng)實物圖和運行測試圖如圖4和圖5，系統(tǒng)設備儀器用表見表2。

圖4 太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)實物圖

太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)運行原理是：集熱-蓄熱工況中，真空管集熱器吸收太陽輻射并加熱空氣，空氣通過微熱管把熱量傳遞給翅片，風道內的空氣在軸流風機的驅動下與翅片進行對流換熱并被加熱，然后進入蓄熱器的蓄熱風道，蓄熱風道內的翅片吸收熱量后把熱量傳遞給微熱管，微熱管內工質吸收熱量蒸發(fā)并上升至冷凝段放熱，熱量通過微熱管表面的翅片傳遞給相變材料月桂酸，相變材料被加熱進行相變，實現(xiàn)蓄熱，同時冷凝工質放熱后又回到蒸發(fā)段繼續(xù)吸收熱量，實現(xiàn)往復循環(huán)。取熱時，將蓄熱風道與集熱器隔離并將蓄熱風道保溫密封，然后打開取熱風道，微熱管從蓄熱段的月桂酸中吸收熱量傳遞至取熱段，并通過軸流風機驅動下的低溫空氣以對流換熱的形式取走熱量，得到溫度較高的空氣，實現(xiàn)制取熱空氣的目的。

圖5 太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)原理圖

表2 系統(tǒng)儀表及設備用表

2.2 試驗過程

試驗工況：本試驗采用在不同風量下對太陽能空氣集熱-蓄熱系統(tǒng)的蓄熱和取熱工況進行測試，集熱-蓄熱工況下風量取值60、120、180、240 m3/h，取熱工況下風量取值是60、120、180、240 m3/h。試驗過程中空氣密度會隨著空氣溫度變化而變化，采用Ong[29]的密度修正方法對空氣密度進行修正=1.1774?0.00359 (?27)，的單位是℃。

集熱-蓄熱試驗：白天，首先將相變蓄熱器的取熱風道密閉保溫，然后開啟集熱-蓄熱系統(tǒng)的軸流風機1，調節(jié)風機風量以達到蓄熱試驗工況要求，同時用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，當蓄熱器內部月桂酸溫度（T20）達到65 ℃時導出數(shù)據(jù)，停止試驗，此過程取月桂酸溫度30～60 ℃為試驗工況。取熱試驗：傍晚，當室外環(huán)境溫度達到22 ℃左右進行取熱試驗，先把蓄熱風道從集熱-蓄熱系統(tǒng)斷開并進行密閉保溫，然后打開取熱風道，同時打開軸流風機，調節(jié)到所需試驗風量，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，當蓄熱箱體內月桂酸溫度（T20）達到25 ℃左右，導出數(shù)據(jù)，并停止試驗，取此過程月桂酸溫度60～30 ℃為試驗工況。

試驗過程中，各個部件的溫度測試布點如圖6所示。

圖6 測點布置圖

2.3 計算方法

在試驗測試中，主要通過集熱器集熱效率、蓄熱器蓄熱量、取熱量、蓄熱功率、取熱功率和系統(tǒng)壓力損失來評價系統(tǒng)集熱-蓄熱-取熱的性能，相關的數(shù)據(jù)分析如下：

1）集熱器的集熱效率[30]：

式中載熱工質體積流量，m3/h；A真空玻璃管吸熱體面積，m2；T集熱器載熱工質空氣的出口溫度，℃；T集熱器載熱工質空氣的進口溫度，℃；載熱工質空氣的密度，kg/m3；Cair空氣的比熱，J/(kg·℃)；c太陽輻照度，W/m2。

2）MHPA蓄熱器的實際蓄熱量[31]

式中Q蓄熱器理論蓄熱量，kJ；PCM相變材料的質量，kg；相變材料的比熱，kJ/(kg·K)；相變材料的結束溫度，℃；相變材料的起始溫度，℃；相變材料的相變潛熱，kJ/kg；Al蓄熱器中熱管鋁的質量，5.64 kg；Al鋁的比熱，kJ/(kg·K)。

3）MHPA蓄熱器的輸入熱量[31]

式中in蓄熱器的輸入熱量，kJ；T空氣的進口溫度，℃；T空氣的出口溫度，℃。

4）MHPA蓄熱器的輸出熱量[31]：

式中out蓄熱器的輸出熱量，kJ；T空氣的進口溫度，℃；T空氣的出口溫度，℃。

3 結果與分析

3.1 集熱器集熱特性及效率

本試驗臺位于北京工業(yè)大學暖通實驗室樓頂，測試了北京地區(qū)4、5月份的室外環(huán)境溫度、太陽輻照度、進出口溫度等參數(shù)隨時間的變化情況，測試了不同風量60、120、180、240 m3/h集熱-蓄熱系統(tǒng)的集熱器性能和蓄熱器性能。試驗以蓄熱器內部相變材料月桂酸溫度在30～60 ℃的范圍取對應集熱器的時間范圍值。圖7所示是太陽輻照度和集熱效率隨時間的變化曲線。

圖7 太陽輻照度、集熱效率、環(huán)境溫度隨時間變化曲線

在整個試驗測試范圍內，太陽輻射強度都是先增大后減小，空氣流量為60 m3/h的集熱效率變化相對較大，其他流量下集熱器的集熱效率比較平穩(wěn)，這是由于該天的太陽輻照度相對其他工況變化較大，這是影響集熱效率的重要因素。4個工況中，在12:00以后，集熱器的集熱效率都隨著太陽輻照度的降低而升高，這主要是因為真空管集熱器的熱惰性，當太陽輻照度降低時，集熱器的進出口溫度由于集熱器的熱惰性沒有及時響應發(fā)生變化，進而導致集熱效率出現(xiàn)升高的情況。

圖7中，空氣流量為60、120、180、240 m3/h工況下對應的集熱器的平均集熱效率分別是35.64%、38.00%、44.92%、51.33%。圖7中顯示，集熱器的集熱效率隨著空氣流量的增加而增大，240 m3/h時達到最大51.33%，出現(xiàn)以上結果的原因是當風道的空氣流量增大時，流速增加，增強了管道內空氣的擾動，加強了空氣與集熱組件翅片的換熱；另外，在大風量工況下，集熱器的平均溫度更低，熱損失相對較小。

圖8所示是太陽輻射強度和風速對集熱效率的影響，選取試驗風量都是240 m3/h的3 d數(shù)據(jù)。

a. 風速

a. Wind speed

b. 太陽輻射強度

b. Solar radiation

注：風速1的變化范圍為0.18～0.89 m·s-1，平均風速為0.53 m·s-1；風速2的變化范圍為0.95～2.88 m·s-1，平均風速為1.77 m·s-1；對應的集熱效率為1與2。太陽輻照度1的變換范圍是788～904 W·m-2，輻照度3的變化范圍是593～759 W·m-2；對應的集熱效率為1與3。

圖8 集熱效率隨風速和太陽輻射強度變化(240 m3.h-1)

Fig.8 Curve of collector efficiency with wind speed and solar radiation (240 m3.h-1)

圖8a中，選取太陽輻照度和環(huán)境溫度接近的2 d為試驗工況，室外風速1的變化范圍為0.18～0.89 m/s，平均風速為0.53 m/s；風速2的變化為0.95～2.88 m/s，平均風速為1.77 m/s。對應的集熱效率1和2分別是50.5%和47.1%。結果表明集熱器的集熱效率受室外風速的影響，室外風速的增大會降低集熱器的集熱效率。室外風速的增大，加強了集熱器表面與室外空氣的對流換熱，增加了熱量的散失。

圖8b所示是輻照度對集熱效率的影響，選取環(huán)境溫度和室外風速接近的2 d為試驗數(shù)據(jù)。太陽輻照度1的變換范圍是788～904 W/m2，平均輻照度是859 W/m2；輻照度3的變化范圍是593～759 W/m2，平均輻照度是672 W/m2，對應的集熱效率分別是50.5%和45.68%，可以看出，增大太陽輻射強度可以提高集熱器的集熱效率。

3.2 MHPA蓄熱器蓄熱特性

圖9a是空氣流量為60、120、180、240 m3/h，相變材料月桂酸的溫度隨時間變化情況，蓄熱初始時刻，月桂酸以顯熱的形式儲存熱量，空氣流量為240 m3/h下有更快的溫升速率，溫度增長較快；當?shù)竭_相變溫度以后，月桂酸以潛熱的形式大量儲存熱量，以穩(wěn)定不變的溫度維持一段時間；當完成整個相變過程后，溫度迅速升高，再繼續(xù)以顯熱的形式儲熱。

a. 月桂酸溫度

a. Lauric acid temperature

b. 蓄熱功率

圖9a顯示，隨著空氣流量增大，相變時間會縮短，進而蓄熱過程所用時間會減少，空氣流量為240 m3/h最先完成相變過程和蓄熱過程，出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是因為在蓄熱器的傳熱過程中，空氣側的換熱熱阻較大，增加空氣流量，流速增大，強化了蓄熱風道內蓄熱組件的換熱特性?？諝饬髁繛?0、120、180、240 m3/h下完成蓄熱過程所用的時間分別280、194、190、161 min。可以看出，在試驗流量范圍內，提高空氣流量可以有效縮短蓄熱時間。

圖9b是不同空氣流量對蓄熱功率的影響，不同空氣流量下的蓄熱功率都出現(xiàn)先增大后減少的趨勢。這是由于在蓄熱前半階段，太陽輻照強度不斷增大，被集熱器加熱的空氣溫度增長較快，同時初始階段蓄熱材料月桂酸的溫度偏低，與加熱流體空氣存在較大的傳熱溫差，導致了蓄熱功率增加；在蓄熱過程的后半階段，太陽輻照強度減小，集熱器出口（蓄熱器進口）溫度升高幅度下降，再加上蓄熱箱體溫度較高，溫差驅動下的傳熱效果變弱，導致蓄熱功率下降。

空氣流量為60、120、180、240 m3/h下所對應的平均蓄熱功率分別是360、518、525、633 W，蓄熱功率隨著空氣流量的增加而增大?？諝饬髁?20和180 m3/h所用的蓄熱時間和蓄熱功率比較接近，這主要是由于空氣流量120 m3/h的當天太陽輻照度高于風量180 m3/h的當天輻照強度。不同空氣流量的工況下，蓄熱過程蓄熱器積累的蓄熱量在5 950～6 130 kJ之間。蓄熱過程試驗說明：提高空氣流量可以增加蓄熱器的蓄熱功率。

3.3 MHPA蓄熱器放熱特性

圖10a所示是放熱過程月桂酸溫度隨時間變化情況，放熱工況在室外環(huán)境溫度22 ℃左右下進行。初始階段，相變材料月桂酸以顯熱的形式釋放熱量，溫度快速下降，當降低到相變溫度后，再以潛熱的形式釋放熱量，這個階段以穩(wěn)定不變的溫度持續(xù)較長的時間，完成相變后，再以顯熱的形式釋放熱量，溫度快速降低。圖10a顯示，隨著取熱空氣流量的增大，放熱時間會縮短，空氣流量為60、120、180、240 m3/h完成放熱過程所用的時間分別是355、208、162、154 min。

圖10 放熱過程月桂酸溫度/蓄熱功率/出口溫度隨時間變化

圖10b是不同空氣流量對放熱時間的影響情況，初始時刻，熱量以顯熱的形式釋放，放熱功率迅速下降，之后出現(xiàn)一個折點，然后再以穩(wěn)定功率放熱一段時間，然后再以較快的速率下降，這個現(xiàn)象在風量較大的情況下較明顯。出現(xiàn)折點現(xiàn)象是因為隨著放熱過程的進行，月硅酸溫度下降，當達到相變時，溫度穩(wěn)定，以潛熱的形式放熱，這導致放熱風道的進出口溫差維持在穩(wěn)定的范圍內幾乎不變，放熱功率變化很小，當完成相變過程后，再以顯熱形式放熱，放熱功率下降?？諝饬髁?0、120、180、240 m3/h工況下對應的放熱功率分別是209、360、461、486 W，整個放熱試驗工況，蓄熱器放出的總熱量在4 300～4 490 kJ之間。試驗可以得出增大空氣流量可提高平均放熱功率，但是隨著風量的增大，平均放熱功率的增長幅度在不斷變小。

圖10c所示是放熱過程蓄熱器出口溫度變化情況，進口溫度是環(huán)境溫度?？諝饬髁繛?80和240 m3/h的放熱時間、放熱功率和出口溫度比較接近，主要是因為風量180 m3/h當天的室外環(huán)境溫度（進口溫度）偏低，導致放熱過程傳熱溫差變大。4個工況中，空氣流量60 m3/h可以提供更加穩(wěn)定的出口溫度，進出口溫差的變化較小，進而放熱功率更加穩(wěn)定（圖10b），在空間供暖或者農產(chǎn)品干燥領域，這個工況更加適用。

3.4 MHPA蓄熱器保溫性能

圖11所示是蓄熱器內月桂酸溫度在傍晚室外環(huán)境溫度下隨時間自然衰減情況，該試驗工況是在蓄熱過程完成后，蓄熱器的蓄熱風道密閉保溫的條件下進行的。自然散熱過程從晚上20:10持續(xù)到次日早晨07:30，室外環(huán)境溫度在17.1～10.6 ℃范圍變化，室外風速在0.3～2.1 m/s變化，平均風速是0.85 m/s。

圖11 自然散熱工況下月桂酸溫度隨時間變化曲線

可以看出，隨著時間推移和室外環(huán)境溫度降低，相變材料月桂酸的溫度從60.2 ℃一直降低到42 ℃，之后平穩(wěn)不變，這是因為月桂酸溫度降到相變溫度，相變過程以潛熱的形式散熱，溫度幾乎不發(fā)生變化。整個自然散熱過程持續(xù)11.3 h，溫度降低18.3 ℃，熱量散失594 kJ，熱損失占13.2%，最終月桂酸溫度維持41.6 ℃，說明了蓄熱箱體的保溫性能良好。

3.5 阻力特性

阻力特性也是評價系統(tǒng)的一個重要表征量，阻力的大小直接決定了風機功耗的大小和風機的選型。該試驗工況選取集熱-蓄熱過程（加熱過程）和蓄熱器放熱過程的4個不同空氣流量的測試點，用壓差計測量其壓力損失，測試數(shù)據(jù)如下表3所示。

表3 壓力損失測試表

圖12可以看出隨著風量的增加，兩個過程系統(tǒng)的阻力損失都在增加。集熱-蓄熱（加熱過程）試驗中，當風量是240 m3/h時，系統(tǒng)最大阻力損失是327 Pa，這主要是由于系統(tǒng)的集熱器阻力損失與蓄熱器阻力損失由較長管道的阻力損失造成的。放熱試驗時，風量在240 m3/h以下，放熱系統(tǒng)的阻力在40 Pa以下，說明放熱過程的阻力損失較小，這樣選用功率較小的風機就可提供空氣流動的動力。

圖12 集熱-蓄熱和放熱系統(tǒng)阻力特性

4 結 論

1）研究表明，微熱管陣列式集熱器的集熱效率比較穩(wěn)定，隨著空氣流量的增大，集熱器的集熱效率逐漸增大，當風量是240 m3/h，平均集熱效率是51.33%。

2）增加太陽輻射強度可以提高集熱器的集熱效率；室外風速增大，會降低集熱效率。

3）提高空氣流量可以縮短蓄熱時間和提高蓄熱功率，最短蓄熱時間是161 min，對應最大蓄熱功率是633 W。

4）增大空氣流量，可以縮短放熱時間和提高放熱功率，最大放熱功率是486 W，對應放熱時間是154 min。

5）取熱風量60 m3/h，蓄熱器能提供更加穩(wěn)定的出口溫度與放熱功率，更有利于空間供暖與農產(chǎn)品的干燥。

6）空氣流量240 m3/h以下，集熱-蓄熱過程和取熱過程阻力分別小于327和40 Pa。

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Performance experiment on solar air collection-storage system with phase change material based on micro heat pipe arrays

Wang Tengyue1, Diao Yanhua1※, Zhao Yaohua1, Zhu Tingting1, Wei Xiangqian1, Bai Fengwu2

(1.100124,;2.100190,)

Solar energy is a clean, free-pollution renewable energy source. Rational utilization of solar energy provides significant potential in space heating and drying of agricultural crops, and it is an important measure for saving energy. In order to prolong the time of using solar energy, and to maximize the value of use, in this study, a new style solar air collection-storage thermal system is designed, which utilizes micro heat pipe arrays (MHPA) as heat transfer core element. Collection-storage system includes air collector of vacuum glass tube and phase change thermal storage device. The collector adopts a new form of combining MHPA with vacuum glass tubes. Collector includes 20 collecting units, which consists of aluminum fins, MHPA and vacuum glass tube. Aluminum fins are attached by heat-conducting glue. Polystyrene board is used as thermal insulation material of air duct. Thermal storage device uses the lauric acid (a kind of fatty acid) as phase change material (PCM) with phase change temperature 42 ℃. The thermal storage device size is 390 mm × 105 mm × 790 mm, which is filled with 15.5 kg lauric acid with filling fraction of 89%. Circle thermal insulation pipe is applied to connect solar collector and thermal storage device. Axial fan is installed in circle pipe to provide air flowing power from solar collector to thermal storage device. In heat storage process, lauric acid is heated and its temperature is rising. Temperature measuring point between 30 and 60℃ is selected as experiment temperature scale. The experiment data are recorded by data acquisition instrument Agilent 34970A. Weather parameters including ambient temperature, solar radiation, wind speed is collected by meteorological station. The measurement of air volume flow rate is performed by air volume cover TS18371. Air volume flow rates of 60, 120, 180, and 240 m3/h are chosen as working conditions which include heat storage process and heat release process. The thermal performance of collection-storage system (heat storage process) is analyzed. The experiment tests the collector efficiency, and thermal charging and discharging time, thermal charging and discharging power of phase change thermal storage device under different air volume flow rate. In a range of tests, air volume flow rate of 60, 120, 180, and 240 m3/h produces collector efficiency of 35.64%, 38.00%, 44.92% and 51.33%, respectively, and 240 m3/h air volume flow rate has the maximum collector efficiency. It is concluded that increasing air volume flow rate can enhance collector efficiency. A high air volume flow rate can strengthen airdisturbance and heat convection between air and fins. A large air volume flow rate contributes to short thermal charging and discharging times, and a high thermal charging and discharging power. In the experimental range, 240 m3/h air volume flow rate has a shortest thermal charging and discharging time, which is 161 and 154 min, respectively; and it has the maximum thermal charging power of 633 W and discharging power of 486 W. During heat storage process, thermal charging power is firstly increased and then decreased, which is determined by solar radiation and mean temperature of lauric acid in thermal storage device. In addition, in heat release process, experimental working condition with 60 m3/h air volume flow rate can provide a small fluctuation of outlet temperature and stable thermal discharging power, so it is more suitable in the field of space heating and agricultural products drying domain. Resistance is an important parameter of evaluation system, and it determines the selection and energy consumption of the fan. Pressure drop of collection-storage and heat release process is less than 327 and 40 Pa, respectively. Hence, heat release process has a small resistance loss. And fan with low power can provide impetus to finish air flowing.

solar energy; phase change materials; heat transfer; micro heat pipe arrays; collection-storage system

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.020

TK51

A

1002-6819(2017)-18-0148-09

2017-05-19

2017-08-19

中國科學院太陽能利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室資助（No.40004020201606）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAA13B02）

王騰月，河北張家口人，主要從事太陽能集熱技術及相變蓄熱技術研究。Email：wangtengyue@emails.bjut.edu.cn

刁彥華，河北衡水人，副教授，主要從事太陽能利用與強化傳熱技術研究。Email：diaoyanhua@bjut.edu.cn