相變儲能型太陽能真空集熱管運行特性研究

韓喜蓮, 朱垚宇

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

在面對如今能源危機和環(huán)境問題雙重挑戰(zhàn)的同時，清潔和可再生能源技術(shù)的發(fā)展是很有必要的.太陽能作為清潔的可再生能源，具有取之不盡，用之不竭，分布廣泛等優(yōu)點，在未來很長時間有著良好的發(fā)展前景[1].然而，太陽能具有的時間-空間不匹配問題很大程度上限制了太陽能利用技術(shù)的發(fā)展.相變儲能型太陽能真空集熱管將太陽能利用和相變儲能技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以解決太陽能供求上存在的時間-空間不匹配問題，而且可以大大提高太陽能的利用效率.

國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對太陽能熱利用與相變儲能技術(shù)的結(jié)合做了大量研究工作.劉鋒等[2]提出了一種新型太陽能儲能裝置，并搭建實驗測試臺進行分析測試.測試結(jié)果表明，該新型太陽能儲能裝置整體效率達到了64.7%.陳彥康等[3]采用實驗方法對添加了相變材料的太陽能蓄熱水箱熱特性進行研究.結(jié)果表明，添加相變材料后，蓄熱水箱的蓄熱量增大，同時隨著進口體積流量的增大，蓄熱水箱混合數(shù)先減小后增大.Bai等[4]利用帶肋片的熱管來彌補相變儲能材料導(dǎo)熱能力的不足，并結(jié)合太陽能真空集熱管，發(fā)明了一種新型的太陽能利用儲能裝置來加熱空氣.Faegh等[5]在太陽能蒸餾器中加入熱管和相變儲能材料組成了具有儲能功能的太陽能蒸餾器，通過實驗研究了新型太陽能蒸餾器的性能.結(jié)果表明，添加了相變材料的太陽能蒸餾器比沒有相變材料的太陽能蒸餾器純水產(chǎn)量提高了86%.Tiari等[6-7]通過實驗研究了熱管管網(wǎng)系統(tǒng)對于相變儲能材料熔化過程的影響規(guī)律.結(jié)果表明，流體速度和溫度對于相變材料熔化過程影響很大.同時，還通過建立二維模型，研究了熱管對于具有高熔點的相變儲能材料導(dǎo)熱能力的影響效果.結(jié)果表明，自然對流對于相變材料的熔化過程有很大的影響；增加熱管的數(shù)量能夠增加相變材料的熔化率，但是同時降低了周圍墻體的溫度.Wang等[8]通過實驗研究了嵌入微型平板熱管的太陽能儲能裝置中空氣流量對于其效率的影響規(guī)律.結(jié)果表明，空氣流量大時相變材料吸熱時間縮短，瞬時傳熱量增加.相變儲能型太陽能真空集熱管方面的研究很少，薜花[9]采用實驗方法研究了運行狀態(tài)下進水流量與出水溫度的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著進水流量的增大，出水溫度逐漸減小.其研究主要集中在進水流量對于出水溫度的影響方面，對于真空管中相變材料吸熱和放熱階段熱特性側(cè)重較少.Papadimitratos等[10]以赤蘚糖醇和正三十三烷作為太陽能集熱器的相變材料，通過實驗與沒有添加相變儲能材料的太陽能集熱器進行對比.結(jié)果表明，添加了相變材料的太陽能集熱器在吸熱狀態(tài)下效率提高了66%，在放熱狀態(tài)下效率提高了26%.

在對相變儲能型太陽能真空集熱管的研究中，缺乏不同工況下真空管運行情況的比較和對串聯(lián)系統(tǒng)的實驗研究.故本文通過實驗對單根和串聯(lián)的相變儲能型太陽能真空集熱管運行時的熱特性進行研究，采集太陽輻照度、環(huán)境溫度、真空管內(nèi)相變材料溫度和進出水溫度等數(shù)據(jù)，計算每個測量周期內(nèi)吸熱階段時的集熱效率.每個測量周期可分為吸熱階段和放熱階段，單根真空管運行實驗主要研究了晴天、多云和陰天工況下真空管運行情況的差異以及各自可提供的熱水量和熱水溫度.串聯(lián)運行實驗主要研究各串聯(lián)真空管運行的差異以及整個串聯(lián)系統(tǒng)所能提供的熱水量和熱水溫度.

1 實驗方法

1.1 實驗對象及材料

實驗的主要對象是相變儲能型太陽能真空集熱管，選用的相變材料為58號全精煉石蠟，石蠟的熱物理性質(zhì)如表1所示.石蠟作為相變材料，具有諸多優(yōu)點：首先，石蠟無過冷現(xiàn)象，不易與真空管中其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其次，石蠟價格低廉，獲取方便.但是，石蠟具有導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點，所以在U型銅管上加裝肋片可以有效提高整個系統(tǒng)的換熱效率.在實驗過程中，每根真空管中灌裝的石蠟質(zhì)量為2.4 kg.實驗準備過程中，先將固態(tài)的石蠟用加熱器加熱至液態(tài)，然后灌進已經(jīng)插入U型銅管的真空管中.灌裝完畢后，將真空管靜置使石蠟變?yōu)楣虘B(tài).

表1 石蠟的熱物理性質(zhì)

實驗采用的相變儲能型太陽能真空集熱管中真空管長度為1 800 mm，內(nèi)徑58 mm；U型銅管長度為2 000 mm，銅管內(nèi)徑9.2 mm；整個U型銅管上安裝了160個厚度為1 mm的矩形肋片，肋片材料為鋁，肋片安裝間距為10 mm，肋片長度40 mm，寬度25 mm.

1.2 測量儀器及數(shù)據(jù)采集

實驗測量的主要參數(shù)為太陽輻照度、石蠟溫度、環(huán)境溫度、進出水溫度和進水流量.測量所用儀器及相應(yīng)的參數(shù)列于表2中.各測量儀器連接到室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀中，真空集熱管吸熱階段太陽輻照度、環(huán)境溫度和真空管中石蠟溫度的采集頻率為20 s/次；而放熱階段進、出水溫度和石蠟溫度的采集頻率為2 s/次.

表2 測量儀器及參數(shù)

1.3 單根真空管運行實驗過程

實驗地點為蘭州理工大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳西南側(cè)，圖1為實驗測試照片，真空管朝向正南，傾斜角度為36°(蘭州地區(qū)緯度).進行實驗測量時，太陽輻射儀置于室外測量太陽輻照度(太陽輻照度表征了太陽輻射的大小).環(huán)境溫度的測量探頭置于室外的遮陽罩內(nèi)，環(huán)境溫度的大小主要對真空管的散熱產(chǎn)生影響.

圖1 實驗測試照片F(xiàn)ig.1 Experimental test picture

真空管中石蠟的溫度由熱電偶測量，圖2為單根真空管實驗設(shè)備連接圖，真空管中均勻布置了7個T型熱電偶來測量石蠟的溫度，自真空管底部至真空管管口位置依次為T1至T7.熱電偶布置在肋片中間，用來測量石蠟的溫度，不與肋片和銅管接觸，熱電偶線由鐵絲固定.T1熱電偶布置的位置在從U型銅管底部算起的第20和第21肋片中間，相臨兩個熱電偶之間相隔20個肋片，故T2的位置在第40和第41肋片中間，以此類推，T7布置在第140和第141肋片中間.同時，在布置熱電偶時，熱電偶探頭需要向下彎折，保證熱電偶探頭在真空管正中央.真空管冷水進口和熱水出口也都分別布置了熱電偶T8和T9來測量冷水和熱水的溫度.熱電偶另一端接到室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀上，數(shù)據(jù)采集儀與計算機連接，將采集到的數(shù)據(jù)傳入計算機進行處理.

圖2 單根真空管實驗設(shè)備連接圖Fig.2 Connection diagram of single vacuum tube experiment equipment

1.4 串聯(lián)運行實驗過程

單根相變儲能型太陽能真空集熱管所能儲存的能量較少，在實際應(yīng)用時需要多根一起使用.圖3為串聯(lián)相變儲能型太陽能真空集熱管運行實驗的測試圖片.串聯(lián)運行實驗采用了三根相變儲能型太陽能真空集熱管，編號分別為真空管1號、真空管2號和真空管3號.實驗測試時間為7月份，同樣分為吸熱階段和放熱階段.

圖3 串聯(lián)實驗測試照片F(xiàn)ig.3 Experimental picture of series experiment

為了測量真空管中石蠟的溫度，在各個真空管中也分別布置了7個熱電偶，各真空管中熱電偶的布置位置與單根真空管實驗時布置的位置相同，圖4為串聯(lián)運行實驗的設(shè)備連接圖.為了測量放熱階段各真空管的出水溫度，在三根真空管出水口也同樣布置了熱電偶.

圖4 串聯(lián)實驗設(shè)備連接圖Fig.4 Connection diagram of serial experiment equipment

1.5 集熱效率計算

在吸熱階段真空管中石蠟的總儲熱量和放熱階段石蠟放出的熱量可以根據(jù)下式進行計算[11]：

(1)

式中，Q為石蠟的總儲熱量或放熱量，J；m為石蠟的質(zhì)量，取2.4 kg；c1為相變材料固態(tài)時的比熱容,J·kg-1·K-1；c2為相變材料液態(tài)時的比熱容,J·kg-1·K-1；λ為石蠟的相變潛熱,J·kg-1；T1、T2、Tm分別為石蠟的初始溫度、結(jié)束溫度和熔點溫度,℃.

集熱效率的計算公式如下所示[11]：

(2)

式中，Qu為集熱器的有用能，根據(jù)石蠟的總儲熱量和吸熱時間計算得出；G為太陽輻照度的平均值，W/m2；Ap為吸熱面積,m2.

1.6 誤差分析

實驗中存在的主要誤差為隨機誤差，即在測定過程中一系列有關(guān)因素微小的隨機波動而形成的具有相互抵償性的誤差.存在隨機誤差的實驗數(shù)據(jù)包括太陽輻照度、真空管內(nèi)部熱電偶測得的石蠟溫度、環(huán)境溫度、U型銅管進出水口溫度、進水流量等.經(jīng)計算，太陽輻照度的誤差范圍為±40 W/m2；熱電偶所測量的溫度誤差為±0.1 ℃；進水流量的誤差范圍為±13.5 L/h.

在實驗測試中，儀器的測量誤差可能由于相關(guān)的獨立變量(x1,x2…,xn)引起不確定性，這些自變量包括溫度、太陽輻照度等.儲、放熱量和集熱效率的計算結(jié)果與相關(guān)獨立參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系可以描述為[4]：

y=f(x1,x2,…,xn)

(3)

因變量的不確定度可以根據(jù)以下公式計算[4]：

(4)

計算得到間接測量數(shù)據(jù)中儲熱量的不確定度為±2.8%，放熱量的不確定度為±0.7%，集熱效率的不確定度為±4.3%.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 單根真空管實驗結(jié)果分析

單根真空管實驗時間為2019年6月份，持續(xù)30天，實驗期間收集了三種工況的數(shù)據(jù)，分別是晴天工況、多云工況和陰天工況，吸熱階段時間為上午9:00至下午18:00.吸熱階段完成之后，開始通水進行真空管放熱階段實驗.冷水由真空管冷水進口流入，通過U型銅管進入真空管中與石蠟換熱，溫度升高變?yōu)闊崴笥蔁崴隹诹鞒?

2.1.1三種工況實驗結(jié)果對比

太陽輻照度表征了太陽輻射的強弱，太陽輻照度越大，太陽輻射越強.不同工況下，太陽輻照度差別較大.圖5為三種不同工況下太陽輻照度變化曲線.晴天工況的太陽輻照度變化曲線比較平滑，早上和傍晚輻照度較低，中午輻照度較高.多云工況下輻照度變化幅度較大，陰天工況下輻照度總體較低且波動劇烈.晴天、多云和陰天工況下的輻照度平均值分別為822.48、554.9、111.61W/m2.

圖5 不同工況下太陽輻照度變化曲線Fig.5 Change curve of solar irradiance under different working conditions

吸熱階段時，太陽光照射到真空管內(nèi)的選擇性吸收涂層上，涂層吸收太陽輻射，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給真空管內(nèi)的石蠟，石蠟吸熱熔化，通過顯熱儲能和潛熱儲能兩種方式儲存熱量.圖6為三種工況下真空管內(nèi)石蠟的平均溫度變化曲線.晴天工況下，由于太陽輻照度較大，真空管內(nèi)的石蠟全部發(fā)生相變，變?yōu)橐簯B(tài)，且平均溫度最高能達到187.13 ℃；多云工況下，雖然太陽輻照度波動幅度較大，但是輻照度總體水平較高，所以真空管中的石蠟也都發(fā)生了相變過程，變?yōu)橐簯B(tài)，平均溫度最高可達121.64 ℃.而陰天工況下，由于太陽輻照度總體較低，所以石蠟溫升較小，吸熱階段結(jié)束時，真空管中的石蠟仍為固態(tài)，沒有完成相變過程.

圖6 吸熱階段不同工況下石蠟平均溫度變化曲線Fig.6 Average temperature change curve of paraffin under different working conditions in endothermic stage

觀察圖6晴天和多云工況下的石蠟平均溫度變化曲線可以看出，石蠟平均溫度在100 ℃附近時持續(xù)了一段時間，這是由于U型銅管中的水蒸發(fā)所致.在U型銅管中的水蒸發(fā)從出水口噴出之后，石蠟溫度又開始迅速提升.吸熱階段各種工況下石蠟溫度變化的數(shù)據(jù)列于表3中，由表3中數(shù)據(jù)可知，晴天工況下溫升能夠達到140.21 ℃，約為多云工況下溫升值的兩倍.而陰天工況下石蠟的溫升很低.

表3 吸熱階段三種工況下各參數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以計算得出各工況下的石蠟總儲熱量和日平均集熱效率，計算結(jié)果列于表3中.由表3的計算結(jié)果可知，單根相變儲能型太陽能真空集熱管在晴天工況下的日平均集熱效率最高，達到了44.2%，多云工況下的日平均集熱效率也達到了36.3%，而陰天工況下的日平均集熱效率偏低.在實驗測試的一個月時間里，晴天工況和多云工況下的日平均集熱效率變化范圍為30%～45%，且在環(huán)境溫度相同的情況下，不存在晴天工況下日平均集熱效率一定大于多云工況下日平均集熱效率的情況.

真空管中的石蠟在吸熱階段完成儲能之后，即開始放熱階段實驗.冷水由冷水進口流入，冷水溫度為23 ℃，冷水通過U型銅管進入真空管中，在肋片強化換熱的作用下與液態(tài)石蠟進行換熱，變?yōu)闊崴笥蔁崴隹诹鞒?圖7為三種工況下放熱階段的石蠟平均溫度變化曲線.放熱持續(xù)時間為720 s，晴天和多云工況下，前200 s石蠟溫度下降較快，200 s之后，石蠟溫度下降較慢.這是由于在200 s之前，石蠟為液態(tài)，真空管中U型銅管石蠟一側(cè)換熱方式為對流換熱；在200 s之后，石蠟溫度降低，大部分石蠟變?yōu)楣虘B(tài)，U型銅管石蠟一側(cè)換熱方式由對流換熱變?yōu)榱藷醾鲗?dǎo)，換熱效率開始下降，所以石蠟溫度下降開始變得緩慢.

圖7 放熱階段三種工況下石蠟平均溫度變化曲線Fig.7 Average temperature change curve of paraffin under three working conditions in the exothermic phase

放熱階段真空管中的石蠟由高溫的液態(tài)，最終變?yōu)榈蜏氐墓虘B(tài)，之間經(jīng)歷了相對于吸熱階段吸熱過程的三種放熱過程.在溫度降低至凝固點之前，石蠟放出的熱量為顯熱；當(dāng)溫度降低至凝固點時，石蠟通過凝固放出潛熱；石蠟完全凝固之后，繼續(xù)進行顯熱放熱.放熱階段石蠟放出的總熱量可由公式(1)計算得出，放熱階段三種工況下石蠟溫度變化的數(shù)據(jù)和放出熱量的計算結(jié)果列于表4中.

表4 放熱階段石蠟平均溫度變化數(shù)據(jù)和放熱量

真空管通水運行后，冷水通過U型銅管進入真空管，在肋片對換熱的增強作用下，通過銅管壁與石蠟進行換熱，溫度升高后的熱水由熱水出口流出.圖8為放熱階段三種工況下出水溫度變化曲線.進水流量為80 L/h，晴天工況下，出水溫度最高達95 ℃.前200 s出水溫度都在40 ℃以上，但是出水溫度下降較快，200 s以后，出水溫度開始趨于平穩(wěn)，最后在30 ℃左右保持穩(wěn)定.多云工況下，出水溫度最高也達到了94 ℃，但是溫度下降較快，在72 s時溫度就達到了40 ℃.而陰天工況下的出水溫度很低，最高時僅為33.2 ℃.

圖8 放熱階段三種工況下出水溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curve of outlet water under three working conditions during exothermic phase

對不同工況下放熱階段真空管能夠提供的熱水量進行計量，得到的數(shù)據(jù)如表5所示.晴天工況能夠提供的熱水量最多，50 ℃以上熱水能夠提供2.89 L，40℃以上的熱水能夠提供4.44 L，30 ℃以上的熱水能夠提供9.56 L.多云工況提供的熱水量不及晴天工況下的熱水量.陰天工況下只能提供30 ℃的熱水，且熱水量極少.

表5 不同工況能夠提供的熱水量

2.1.2吸熱階段真空管內(nèi)石蠟溫度分布差異

吸熱階段，由于U型銅管內(nèi)殘留的水和液態(tài)石蠟的自然對流作用，真空管內(nèi)的石蠟溫度分布存在差異.圖9為晴天工況下真空管中各個測點的石蠟溫度變化曲線.由圖9可以看出，在9∶00時石蠟的初始溫度呈現(xiàn)頂部溫度低、底部溫度高的現(xiàn)象.這是由于在6月15日實驗結(jié)束之后至6月16日早上9∶00之間無太陽輻射，整個系統(tǒng)處于自然散熱狀態(tài)，真空管整體除了通過輻射換熱向周圍環(huán)境散失熱量外，還會有局部的散熱差異.真空管管口布置有保溫塞，保溫塞上的透氣孔和裸露在真空管外部的U型銅管散熱是局部熱量散失的主要方式.所以距離管口位置越近的石蠟溫度越低，位于真空管底部的石蠟距離管口位置最遠，所以溫度最高.

圖9 晴天工況下各個測點的石蠟溫度變化曲線Fig.9 Paraffin temperature change curve of each measuring point under sunny conditions

在太陽輻射之后，真空管中的選擇性吸收涂層吸收太陽輻射，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給真空管中的石蠟，石蠟溫度開始提升.在太陽輻射剛開始時，真空管中的石蠟仍為固態(tài)，但是U型銅管中存留有前一天實驗留下的水.隨著太陽輻射的增強，熱量由選擇性吸收涂層不斷傳入真空管中的石蠟，石蠟又通過肋片和U型銅管管壁將熱量傳遞給U型銅管內(nèi)的水.U型銅管中的水接收到熱量之后溫度升高，開始發(fā)生自然對流，頂部水的溫度高，底部水的溫度低.當(dāng)頂部U型銅管中的水溫高于石蠟溫度時，熱量便由水通過U型銅管管壁和肋片傳遞給石蠟.這種熱量傳遞只發(fā)生在距離管口位置較近的頂部石蠟和相應(yīng)位置U型銅管中的水之間，從圖9可以看到，位于最頂端T7測點處的石蠟溫度在有太陽輻射不久后便開始迅速提升.

當(dāng)真空管中的石蠟溫度大于58 ℃時，石蠟完全熔化為液態(tài).此時不光U型銅管中的水發(fā)生自然對流，真空管中的液態(tài)石蠟也會發(fā)生自然對流.在自然對流的作用下，整個吸熱階段真空管中的石蠟溫度分布呈現(xiàn)出頂部石蠟溫度高，底部石蠟溫度低的現(xiàn)象，此現(xiàn)象一直持續(xù)到吸熱結(jié)束.

2.2 串聯(lián)運行實驗結(jié)果分析

2.2.1吸熱階段

串聯(lián)相變儲能型太陽能真空集熱管實驗吸熱時間同樣為上午9∶00至下午18∶00.在相同的太陽輻照度下，三根真空管的溫升情況會有所不同.圖10為7月20日的太陽輻照度隨時間變化的曲線，當(dāng)日天氣為晴轉(zhuǎn)多云.當(dāng)日太陽輻照度的平均值為857.34 W/m2，最大值為1 105.56 W/m2，輻照度最大值的出現(xiàn)時刻為14∶51.當(dāng)日環(huán)境溫度的平均值為29.22 ℃.

圖10 7月20日太陽輻照度變化曲線Fig.10 Change curve of solar irradiance on July 20

吸熱階段開始后，三根真空管同時開始吸熱.圖11為吸熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線.由圖11可知，在12∶00之前，三根真空管中的石蠟平均溫度基本相同，但是12∶00之后，真空管3號中的石蠟平均溫度大于其他兩根真空管中的石蠟平均溫度，真空管2號中的石蠟平均溫度在很長時間里大于真空管1號中的石蠟平均溫度.這是由于三根真空管連接方式為串聯(lián)，真空管3號的出水口為整個系統(tǒng)的出水口，在石蠟吸熱升溫的過程中，各真空管內(nèi)U型銅管中的水和水蒸氣發(fā)生著自然對流，而這三根U型銅管也互相連接，使得自然對流的方向變?yōu)橛蛇M水口流向出水口，造成三根真空管中石蠟平均溫度出現(xiàn)圖11所示的差異.

圖11 吸熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線

吸熱階段開始時，各真空管中的石蠟平均溫度為45～47 ℃，如表6中數(shù)據(jù)所示，整個吸熱階段三根真空管中石蠟溫升都在128 ℃以上，結(jié)束時溫度為173～183 ℃，最高溫度可達到177～187 ℃.同樣根據(jù)公式(1)可以計算得出各串聯(lián)真空管在整個吸熱階段內(nèi)石蠟的總儲熱量，結(jié)合之前計算得出的太陽輻照度數(shù)據(jù)，由公式(2)可以計算得出各真空管的日平均集熱效率值，計算結(jié)果列于表6中.

表6 吸熱階段三根真空管中參數(shù)計算結(jié)果

2.2.2放熱階段

吸熱階段完成之后，開始對串聯(lián)真空管通水進行放熱階段實驗.進水流量為160 L/h，進水溫度為20.65 ℃，通水時間為720 s.圖12為通水運行后三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線.在開始通水之后，三根真空管中的石蠟溫度開始迅速下降，通水開始300 s后，溫度下降趨于平緩.這是由于300 s之前真空管中石蠟為液態(tài)，300 s之后石蠟變?yōu)楣虘B(tài)，使得傳熱效率下降所致.另外，在通水放熱階段，真空管3號中的石蠟平均溫度始終大于其他兩個真空管，而真空管2號的石蠟平均溫度也大于真空管1號.

圖12 放熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線Fig.12 Average temperature change curve of paraffin in three vacuum tubes during the exothermic phase

串聯(lián)實驗放熱階段石蠟放出的總熱量同樣根據(jù)公式(1)進行計算.放熱階段三根真空管中石蠟溫度變化數(shù)據(jù)和放熱量計算結(jié)果列于表7中.由表中數(shù)據(jù)可知，放熱階段結(jié)束時真空管1號中石蠟平均溫度最低，真空管3號中石蠟平均溫度最高.真空管1號至真空管3號的放熱量依次遞減.

表7 放熱階段三根真空管中石蠟平均溫度數(shù)據(jù)

放熱階段開始后，冷水由整個串聯(lián)系統(tǒng)的冷水進口流入，分別通過三根真空管從真空管3號的出水口流出.圖13為三根真空管的出水溫度變化曲線.在通水的720 s 時間里，真空管1號至真空管3號的出水溫度依次遞增.開始時刻出水溫度高于100 ℃，這是因為初始時刻真空管中石蠟溫度過高，出水口噴出的是高溫的水蒸汽，最高溫度可達130.78 ℃.經(jīng)計算，整個串聯(lián)系統(tǒng)所能提供60 ℃以上熱水量為7.64 L，40 ℃以上熱水量13.07 L.

圖13 放熱階段各真空管出水溫度變化曲線Fig.13 Temperature change curve of the outlet water in each vacuum tube during endothermic phase

3 結(jié)論

1) 單根相變儲能型太陽能真空集熱管實驗中，晴天和多云工況下在吸熱階段期間，計算得到的日平均集熱效率能夠達到30%～45%，而陰天工況下太陽輻照度較低，石蠟的溫升也較低，未能完全熔化，日平均集熱效率只達到了6%左右.同時在吸熱階段時，由于U型銅管中水和液化后石蠟的自然對流作用，真空管中的石蠟會存在頂部石蠟溫度高和底部石蠟溫度低的溫度分層現(xiàn)象.放熱階段不同工況下真空管所能提供的熱水量也有所不同，晴天工況下提供的熱水量最多，熱水溫度也較高.經(jīng)計算，能夠提供40 ℃的熱水量達到了4.44 L，30 ℃的熱水量達到了9.56 L.

2) 在相變儲能型太陽能真空集熱管串聯(lián)運行的實驗中，由于U型銅管中水的自然對流作用，各真空管中的石蠟平均溫度會存在差異，離串聯(lián)系統(tǒng)出水口近的真空管內(nèi)石蠟平均溫度高，離串聯(lián)系統(tǒng)出水口遠的真空管內(nèi)石蠟平均溫度低.真空管串聯(lián)運行后，能夠儲存的總熱量明顯增多，提供的熱水量和熱水溫度也有所增加.串聯(lián)系統(tǒng)在單日實驗中能夠提供60 ℃的熱水7.64 L，40 ℃的熱水13.07 L.