CPC微通道太陽能集熱器運(yùn)行特性實驗系統(tǒng)設(shè)計

王雪勍， 徐榮吉， 王 岸， 宋文昊， 王瑞祥， 許淑惠

（北京建筑大學(xué)北京市建筑能源綜合高效利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

0 引 言

太陽能是未來能源的重要組成部分，但其具有區(qū)域性、分散性、間歇性等缺點，所以高效利用太陽能變得尤為重要［1-3］。復(fù)合拋物聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）可以在無跟蹤系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)一定倍數(shù)的聚光作用而廣受關(guān)注［4］。Zhang 等［5］發(fā)現(xiàn)光線通過CPC聚光后，會在吸熱器表面形成非均勻的熱流密度分布。丁虎［6］模擬了使用圓管型吸熱器的CPC聚光器在一年中不同光線入射角下的光路及熱流密度分布，發(fā)現(xiàn)吸熱器表面熱流密度不均勻會使吸熱器局部的溫度較高而降低集熱器的集熱性能。此外，有研究發(fā)現(xiàn)不均勻的熱流密度分布所導(dǎo)致的局部溫度較高會加速吸熱器的老化［7］，還會導(dǎo)致吸熱器熱應(yīng)力變形［8］。

微通道換熱器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，熱響應(yīng)速度快，等溫性能好［9］，對流換熱系數(shù)比傳統(tǒng)換熱器高50% ～100%、抗壓抗腐蝕，是基于微尺度效應(yīng)而興起的一種高效換熱器，廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)、微電子領(lǐng)域［10］，并在太陽能集熱器中有探索應(yīng)用［11］。微通道平板集熱器與傳統(tǒng)平板相比，將吸熱器由銅圓管更換為鋁微通道扁管，增加了接觸面積從而大幅度降低兩界面的接觸熱阻。王娜［12］通過數(shù)值模擬得到微通道平板型太陽能集熱器，最佳流道尺寸為0.7 mm，最佳空氣夾層間距為17 mm。且其發(fā)現(xiàn)通過減小集熱器流道尺寸，大大減少了水的體積熱容，從而獲得較高的出口溫度。陳孝根等［13］也對微通道流道尺寸進(jìn)行了三維流動傳熱數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道矩形截面高寬比為2 ～4 時微通道具有較好的換熱及流動性能。微通道的尺度效應(yīng)還表現(xiàn)在由于較高的壁厚管徑比可對表面非均勻熱流密度的起到均化作用，使內(nèi)部工質(zhì)吸熱均勻。但是由于微通道尺寸小，其內(nèi)部工質(zhì)溫度的測量比較困難。

基于CPC的聚光特性及微通道吸熱器的特點，本文提出了一種以平行流微通道為吸熱器的CPC 太陽能集熱器，設(shè)計并搭建了此集熱器的運(yùn)行特性實驗測試系統(tǒng)，加工了微通道溫度測試模塊，實現(xiàn)了11 個2.5 mm × 1.2 mm平行流道組成的微通道扁管吸熱器內(nèi)工質(zhì)的溫度測量。實驗系統(tǒng)可以通過改變環(huán)境參數(shù)（太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速）、操作參數(shù)（集熱溫度、水流量）測定集熱器的動態(tài)運(yùn)行特性。此外，通過對微通道吸熱器表面熱流密度分布的計算以及進(jìn)出口工質(zhì)溫度的測量，可以研究微通道對CPC 非均勻聚光的均化作用。該實驗測試平臺還可以用于本科生實驗實踐教學(xué)，利用真實的實驗測試環(huán)境，使學(xué)生更直觀理解集熱器動態(tài)運(yùn)行特性。

1 實驗裝置

CPC微通道太陽能集熱器運(yùn)行特性實驗系統(tǒng)，如圖1 所示，包括CPC 微通道太陽能集熱單元、恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 CPC微通道太陽能集熱單元動態(tài)特性測試系統(tǒng)

1.1 CPC微通道太陽能集熱器及集熱單元

CPC微通道太陽能集熱器主要由微通道吸熱器、CPC、蓋板、進(jìn)水管、出水管、保溫層和外殼組成，如圖2所示。透過蓋板的太陽光線一部分直接到達(dá)微通道吸熱器上表面；另一部分經(jīng)過CPC反射到達(dá)。由于CPC的聚光作用，會在微通道吸收表面形成不均勻的能量分布［14］。

圖2 太陽能集熱器示意圖

為有針對性地研究微通道吸熱器對CPC 非均勻聚光的均化作用，選取CPC微通道太陽能集熱器中的一個集熱單元進(jìn)行實驗（見圖3）。其中CPC 微通道集熱器單元是由3 D打印成型的CPC聚光器作為模具，然后聚氨酯發(fā)泡作為保溫層而成。

圖3 CPC微通道集熱器單元

1.2 恒溫水循環(huán)系統(tǒng)

恒溫水循環(huán)系統(tǒng)由恒溫水槽（DC2006，精度0.1℃）、循環(huán)水泵（無刷直流水泵4509）、閥門及連接管路組成，如圖1 所示。通過恒溫水槽及閥門可以實現(xiàn)不同集熱溫度及集熱流量實驗工況的設(shè)定。

1.3 測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括太陽能總輻射表（JTBQ-2）、風(fēng)速儀（HJF-S2，精度±（0.3 ＋0.03 ×風(fēng)速）m/s）、轉(zhuǎn)子式流量計（LZB-10）、熱電偶（OmegaT型熱電偶，精度± 0.3 ℃）、壓力傳感器（?，擲MART SENSOR AS510）、數(shù)據(jù)采集儀（安捷倫34980A）和自編的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序（見圖4）。

圖4 LabVIEW數(shù)據(jù)采集處理界面圖

由于系統(tǒng)每個流道尺寸較小，內(nèi)部工質(zhì)溫度很難測量?；诖?，設(shè)計了微通道溫度測試模塊，并預(yù)留壓力測試孔，如圖5 所示。測試模塊斷面扁槽尺寸與微通道斷面流道尺寸對應(yīng)，裝配后微通道插入扁槽。然后有一穩(wěn)壓腔，起穩(wěn)定流動作用；考慮到扁管較寬，設(shè)置兩個工質(zhì)進(jìn)（出）口。在垂直于微通道工質(zhì)流動方向，設(shè)有11 個熱電偶測溫孔，分別與微通道11 個流道的中心相對應(yīng)，且恰好處于微通道出（入）口邊緣。熱電偶測溫孔上部孔徑為2 mm，下部孔徑為0.5 mm（熱電偶絲0.25 mm × 2）。在混合腔垂直方向中部，熱電偶測溫孔平行方向，預(yù)留3 mm的測壓孔，以便于測試微通道吸熱器工質(zhì)的壓降。該測試模塊也可設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，兩邊分別插入微通道扁管，可測量微通道中部流體溫度。

圖5 微通道溫度測試模塊圖

1.4 數(shù)據(jù)處理方式

太陽能總輻射表和風(fēng)速儀輸出信號為電壓信號，安捷倫采集到電壓信號后，用LabVIEW將其轉(zhuǎn)換為直觀的太陽輻射強(qiáng)度值和風(fēng)速值，太陽輻射強(qiáng)度與電壓信號關(guān)系為：I ＝80xI。式中：I 為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；xI為系統(tǒng)中所采集的太陽輻射電壓信號，V。

環(huán)境風(fēng)速傳感器輸出信號也為電壓信號，測試的環(huán)境風(fēng)速與電壓信號關(guān)系為

式中：v為環(huán)境風(fēng)速，m/s；xv為系統(tǒng)中所采集的風(fēng)速電壓信號，V。

將太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系式編入LabVIEW中便可獲得實時的太陽輻射強(qiáng)度值和風(fēng)速值。集熱效率作為太陽能集熱器的一項重要指標(biāo)，其瞬時效率可用下式表示：

式中：集熱單元熱量計算公式為

c為水比熱容，J/（kg·℃）；m 為水的質(zhì)量流量，kg/s；Δt為微通道進(jìn)出口溫差，℃；集熱單元照射熱量計算式為

A為集熱單元面積，m2。

為了研究微通道吸熱器表面的溫度和熱流密度分布的均勻性，在此引入均勻度概念。其值越小，說明均勻性越好。溫度均勻度K計算如下［15］：

式中：溫度的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算如下：

n為溫度測點個數(shù)；Ti為第i個測點溫度，K；σt為溫度的標(biāo)準(zhǔn)差。

熱流密度均勻度Kq計算如下：

式中：熱流密度的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算如下：

n為熱流密度測點個數(shù)；qi為第i 個測點熱流密度，W/m2；σq為熱流密度的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 實驗結(jié)果及分析

實驗測試時，先開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通入設(shè)定溫度的循環(huán)水，穩(wěn)定后，再將集熱單元蓋板揭掉開始接收太陽輻射，如圖6、7 所示。由圖可以看出，在不照射陽光時，入口11 個熱電偶最大溫差0.75 ℃，出口最大溫差0.75 ℃，整體均一化較好。當(dāng)太陽輻射穩(wěn)定后（波動＜50 W/m2，時間超過12 min），微通道吸熱器入口處11 個溫度測點溫差最大為1.5 ℃，出口處11 個溫度測點的最大溫差為2 ℃。CPC的聚光作用導(dǎo)致了吸熱器表面的不均勻熱流密度，從而導(dǎo)致了進(jìn)、出口截面溫度的溫差。

圖6 微通道入口溫度變化圖

圖7 微通道出口溫度變化圖

馬玉森［14］使用Tracepro 軟件模擬計算了光線經(jīng)過CPC到達(dá)微通道表面的熱流密度分布，根據(jù)其計算結(jié)果使用式（9）計算微通道表面熱流密度分布不均勻度，其值為0.87。而實際實驗中當(dāng)集熱單元接受太陽照射后傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)（見圖8），出口流體溫度分布不均勻度較小，均不超過0.031，證明微通道有良好的均化作用。

圖8 太陽照射后微通道出口溫度分布不均勻度變化圖

3 結(jié) 語

闡述了CPC微通道太陽能集熱器運(yùn)行特性實驗系統(tǒng)的設(shè)計與搭建關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)設(shè)計了微通道管內(nèi)溫度測試模塊，實現(xiàn)了微通道平行流扁管11 個通道管內(nèi)進(jìn)出口溫度的測試，驗證了微通道平行流扁管對非均勻熱流密度的均化作用良好?；贚abVIEW 虛擬儀器軟件設(shè)計了數(shù)據(jù)實時采集及處理系統(tǒng)，更加直觀的觀察集熱器運(yùn)行時各個參數(shù)的實時變化。可為太陽能集熱器動態(tài)性能測試系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)提供參考，也可用于本科教學(xué)實驗，使學(xué)生更直觀理解集熱器動態(tài)運(yùn)行特性，深入理解太陽輻射、環(huán)境溫度、集熱溫度、水流量等參數(shù)對集熱器性能的影響規(guī)律。該實驗系統(tǒng)具有小型化、便于移動等優(yōu)點，在熱工參數(shù)測量、太陽能利用等教學(xué)領(lǐng)域具有一定參考價值。