武漢地區(qū)全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器冬季集熱性能影響

焦良珍，劉志玥，毛前軍

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

0 引言

太陽(yáng)能作為一種能量巨大的可再生能源，它的有效利用將有效緩解全球能源壓力和環(huán)境壓力。全玻璃真空管集熱器作為太陽(yáng)能利用中應(yīng)用最廣的方式之一[1-4]，在武漢地區(qū)也存在廣泛應(yīng)用。武漢地處我國(guó)中南部，屬于太陽(yáng)能資源可利用區(qū)，冬季晴朗天氣下可以獲得較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射用于生活、生產(chǎn)。本文對(duì)處于武漢地區(qū)冬季太陽(yáng)輻射特征下的太陽(yáng)能集熱器性能進(jìn)行研究，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集熱性能的影響，為武漢地區(qū)冬季太陽(yáng)能集熱器的應(yīng)用與性能提升提供參考。

為提升全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器集熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類因素進(jìn)行了大量研究[5-8]，其中有眾多學(xué)者針對(duì)集熱管長(zhǎng)度、安裝傾角、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等因素對(duì)流體溫度、流速等參數(shù)的影響進(jìn)行研究[9-11]。實(shí)驗(yàn)研究中，張昕雨等人[12]研究1 600～1 800 mm長(zhǎng)度的集熱管對(duì)集熱器集熱的影響，發(fā)現(xiàn)管長(zhǎng)越長(zhǎng)，流體溫度越高、效率越低。王恩宇等人[13]研究真空管太陽(yáng)能集熱器不同布置方式對(duì)熱性能影響。刁榮丹、李金平以及李仁飛等人[14-16]針對(duì)環(huán)境因素對(duì)集熱器集熱性能的影響進(jìn)行了研究，研究?jī)?nèi)容包括集熱管表面積塵量、太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等對(duì)集熱量的影響，其中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器性能影響顯著。趙薇等人[17]針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型城市集熱器最佳傾角進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)集熱器傾角與太陽(yáng)方位角相結(jié)合對(duì)集熱性能有較大影響。在模擬研究中，張濤等[18]針對(duì)47 mm、58 mm兩種集熱管管徑以及900～2 400 mm的集熱管管長(zhǎng)對(duì)集熱器集熱性能影響進(jìn)行了研究，分析流體溫度變化。孫建、張昌宓等人[19-20]對(duì)集熱器不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，內(nèi)容包括橫、豎排集熱器性能比較，不同聚光方式下集熱器性能差異以及橢圓形全玻璃真空管集熱器性能與傳統(tǒng)集熱器間性能差異。

在上述研究當(dāng)中，盡管目前對(duì)于全玻璃真空管集熱器性能已經(jīng)有廣泛深入的研究，但針對(duì)集熱器結(jié)構(gòu)并結(jié)合武漢當(dāng)?shù)靥?yáng)日運(yùn)動(dòng)、逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器進(jìn)行性能研究較為有限，故本文在集熱管管長(zhǎng)、管徑、集熱器傾角這三種影響因素建立集熱器模型，在武漢冬季氣象條件下進(jìn)行模擬，探究集熱器集熱規(guī)律，分析各因素對(duì)流體溫度、流速、Ra以及集熱效率的影響。本文研究結(jié)果可以為武漢地區(qū)全玻璃真空管集熱器性能提升與及其有效應(yīng)用提供參考。

1 模擬過(guò)程

1.1 模型建立

本文以一組全玻璃真空管集熱器為參考對(duì)象，其安裝傾角為42°，集熱器參數(shù)信息如表1所示；集熱器水箱中部設(shè)有一個(gè)溫度傳感器，精度為0.1，已校準(zhǔn)。以上述集熱器為參考，建立16管模型用于模型驗(yàn)證。集熱器結(jié)構(gòu)示意圖、模型示意圖如圖1所示。將模型簡(jiǎn)化為4管，改變集熱管長(zhǎng)度，分別建立管長(zhǎng)為1 800～2 100 mm集熱器模型；改變真空集熱管內(nèi)管管徑，分別建立內(nèi)管管徑為43～53 mm集熱器模型；改變集熱器安裝角度，分別建立安裝角度為33°～51°集熱器模型。

表1 全玻璃真空管集熱器參數(shù)

圖1 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器示意圖

1.2 控制方程

研究表明，全玻璃真空管集熱器內(nèi)流體溫度溫差不超過(guò)10 ℃，因此采用Boussinesq模型模擬全玻璃真空管集熱器日間集熱情況。集熱器內(nèi)流體為不可壓縮流體，各控制方程如下。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

式中ux，uy，uz分別為x，y，z軸方向上的速度分量。

(2)根據(jù)動(dòng)量守恒定律，X,Y,Z三個(gè)方向上動(dòng)量方程分別為

(2)

(3)

(4)

式中p——流體微元體受到的壓力/N；

τxx,τxy,τxz——因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量；

Fx,Fy,FZ——微元體上的體力，若體力只有重力，且Z軸豎直向上，則Fx=0,Fy=0,Fz=-ρg

(3)能量方程為

(5)

式中cρ——比熱容/J·(kg·K)-1;

T——溫度/K;

K——流體的傳熱系數(shù)/W·(m2·K)-1;

St——流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

(4)輻射方程為

(6)

式中r——位置向量；

s——方向向量；

s′——散射方向；

s——沿程長(zhǎng)(行程長(zhǎng)度)/m；

α——吸收系數(shù)；

n——折射系數(shù)；

σs——散射系數(shù)；

σ——斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)/W·(m2·k4)-1,σ=5.672×10-8W/(m2·K4)；

I——輻射強(qiáng)度W/m2，依賴于位置(r)與方向(s)；

T——當(dāng)?shù)販囟?K；

Φ——相位函數(shù)；

Ω′——空間立體角/rad；

α+σs——介質(zhì)的光學(xué)深度。

1.3 模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證集熱器模型的可行性，將相同條件下集熱器模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。其中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由集熱器儲(chǔ)熱水箱中部溫度傳感器獲取，于4月23日至4月30日進(jìn)行為期一周的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)比較、篩選，最終發(fā)現(xiàn)4月29日測(cè)量數(shù)據(jù)較為合理，選取當(dāng)日日間集熱期間整點(diǎn)時(shí)刻水箱流體溫度數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。由圖2可知，水箱流體溫度模擬值高于實(shí)測(cè)值，這是由于在模擬過(guò)程中忽略了集熱器各部位聯(lián)結(jié)處的散熱導(dǎo)致模擬值高于實(shí)測(cè)值；水箱溫度實(shí)測(cè)值與模擬值之間的變化趨勢(shì)趨于一致，經(jīng)計(jì)算得出，模擬值與實(shí)測(cè)值之間擬合度達(dá)到90%以上，因此該模型較為可靠。

圖2 模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2 集熱器日間集熱流體的流動(dòng)與傳熱

日間集熱時(shí)集熱器內(nèi)流體流速云圖如圖3所示。由圖3可知，集熱初始，真空管開始接收太陽(yáng)輻射，靠近壁面的流體首先被加熱，溫度上升導(dǎo)致密度減小，在自然對(duì)流的作用下，真空管內(nèi)熱流體沿著上壁面流入儲(chǔ)熱水箱，冷流體沿著下管壁流入真空管。由于真空管主要是上部分接收太陽(yáng)輻射，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增大，管內(nèi)自然對(duì)流增強(qiáng)，流體流入、流出的速度增大，熱流體經(jīng)由真空管管口上部流入水箱，冷流體經(jīng)由真空管管口下部流入真空管，冷、熱流體在管內(nèi)摻混。

圖3 集熱器內(nèi)流體不同時(shí)刻速度云圖

集熱過(guò)程中集熱器內(nèi)流體溫度分布云圖如圖4所示。靠近管上壁的流體溫度升溫速率最高，越靠近真空管底部和真空管背部，流體溫度越低；水箱下層流體溫度與中、上層流體溫度差異明顯，當(dāng)太陽(yáng)輻射熱輸入逐漸減小，集熱結(jié)束時(shí)，流體溫度分層情況明顯，在水箱內(nèi)流體溫度趨于一致，真空管內(nèi)越靠近底部流體溫度越低。

圖4 集熱器內(nèi)流體不同時(shí)刻溫度云圖

3 結(jié)果分析

集熱器在天氣狀況良好時(shí)能較大程度發(fā)揮集熱效果，通過(guò)比較分析，2020年12月31日，武漢冬季天氣狀況良好，選擇當(dāng)日氣象參數(shù)作為集熱器模擬條件，氣象參數(shù)如圖5所示。

圖5 不同時(shí)刻氣象參數(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)日間集熱器內(nèi)流體溫度變化影響

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管內(nèi)徑均為47 mm的條件下，真空集熱管長(zhǎng)度L分別為1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm時(shí)，集熱器水箱內(nèi)流體溫度隨時(shí)間變化如圖6所示。由圖6可知，隨著管長(zhǎng)的增加，集熱器水箱內(nèi)流體溫度逐漸上升，其中真空集熱管管長(zhǎng)為2 100 mm時(shí)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)；流體溫度為23.48 ℃，與真空集熱管長(zhǎng)1 900 mm相比，水箱內(nèi)流體溫升高了0.78 ℃，與真空集熱管長(zhǎng)1 800 mm相比，水箱內(nèi)流體溫升高1.08 ℃；同時(shí)隨著真空集熱管管長(zhǎng)增加，與1 900 mm時(shí)水箱溫度相比，1 800 mm時(shí)水箱溫度減小1.30%，2 000 mm時(shí)水箱溫度增加1.8%，2 100 mm時(shí)水箱溫度增加3.45%。

圖6 不同集熱管管長(zhǎng)L下水箱流體溫

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管長(zhǎng)度均為1 900 mm的條件下，真空集熱管內(nèi)徑Φ分別為43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm時(shí)，集熱器水箱內(nèi)流體溫度隨時(shí)間變化如圖7所示。由圖7可知，隨著管徑的增加，流體溫逐漸升高，其中管徑為53 mm時(shí)流體溫度最高為23.09 ℃，相比于真空集熱管管徑為47 mm時(shí)流體溫度，管徑為41 mm時(shí)流體溫度下降5.02%，管徑為53 mm時(shí)流體溫度升高1.73%。

圖7 不同集熱管管徑Φ下水箱流體溫度

在保持集熱器模型真空集熱管長(zhǎng)度均為1 900 mm，真空集熱管內(nèi)徑均為47 mm的條件下，集熱器模型傾角α分別為33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°時(shí)，集熱器水箱內(nèi)流體溫度隨時(shí)間變化如圖8所示。由圖8可知，隨著集熱器安裝傾角的增加，水箱內(nèi)流體溫度逐漸升高，傾角為51°時(shí)達(dá)到最大為23.16 ℃。與傾角42°時(shí)的流體溫度相比，傾角為33°時(shí)流體溫度減少4.99%，傾角為51°時(shí)，流體溫度升高2.02%。

圖8 不同傾角α下水箱流體溫度

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集熱器內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響

在真空集熱管內(nèi)選取五個(gè)參考截面，分析不同參數(shù)下各參考截面流體流動(dòng)狀態(tài)。截面的位置γ由截面至集熱管管口距離與集熱管管長(zhǎng)的比值決定，γ的值分別為0，0.25，0.5，0.75，1。

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管內(nèi)徑均為47 mm的條件下，真空集熱管長(zhǎng)度L分別為1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm時(shí)，真空集熱管內(nèi)不同截面處流體的平均流速、Ra如圖9示。由圖9可知，當(dāng)截面越靠近集熱管底部，流速越小，Ra也越??；隨著真空集熱管長(zhǎng)度增加，集熱器不同截面處流速均有所增大，管長(zhǎng)為1 900 mm時(shí)集熱管內(nèi)各截面Ra變化幅度最小。

圖9 管長(zhǎng)L改變時(shí)不同截面位置處流體的流速、Ra

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管長(zhǎng)度均為1 900 mm的條件下，真空集熱管內(nèi)徑Φ分別為43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm時(shí)，真空集熱管內(nèi)不同截面處流體的平均流速、Ra如圖10所示。由圖10可知，越靠近集熱管底部，截面平均流速越小，隨著管徑的增大，各截面處流體平均流速均隨之降低；越靠近集熱管底部，截面流體Ra越??；隨著管徑的增大，各截面流體Ra均增大，底部截面流體Ra均趨于0。

圖10 管內(nèi)徑Φ改變時(shí)不同截面位置處流體流速、Ra

在保持集熱器模型真空集熱管長(zhǎng)度均為1 900 mm，真空集熱管內(nèi)徑均為47mm的條件下，集熱器模型傾角α分別為33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°時(shí)，真空集熱管內(nèi)不同截面處流體的平均流速和Ra如圖11所示。由圖11可知，越靠近集熱管底部截面平均流速越小，在管口底部流速均趨于0，隨著集熱器安裝傾角增大，各截面流速均有所增加，其中傾角為42°各截面流速增加幅度最大；隨著傾角的增加，集熱管管口處截面流體Ra逐漸減小，在距管口四分之一截面處各截面流體Ra趨于相同，隨著截面逐漸靠近集熱管底部，不同傾角在相同位置處截面流體Ra之間的差異逐漸增大，直至集熱管底部截面處，傾角越小Ra越大。

圖11 傾角α改變時(shí)不同截面位置處流體流速、Ra

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)日間集熱器集熱效率的影響

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，集熱器日間集熱效率如圖12所示。由圖12可知，隨著集熱管長(zhǎng)由1 800 mm增至2 100 mm，集熱器集熱效率逐漸降低，最終集熱器集熱效率降低至12.06%，效率降低9.53%；管徑由41 mm增至53 mm，隨著管徑的增加，集熱器效率逐漸降低至11.54%，效率降低15.08%；隨著集熱器安裝傾角由33°增至51°，集熱器效率逐漸增大至13.07%，效率增大10.20%。其中真空集熱管管徑的改變對(duì)集熱器集熱效率變化影響最大。

圖12 集熱器效率

真空集熱管管長(zhǎng)和真空集熱管管徑變化會(huì)導(dǎo)致單位吸熱面積容水量發(fā)生改變，不同單位吸熱面積容水量下的集熱器水箱流體溫度、集熱器集熱效率如表2、表3所示。由表2、表3可知，僅當(dāng)真空集熱管長(zhǎng)度改變，單位吸熱面積容水量越大時(shí)，集熱器水箱流體溫度越小，集熱器集熱效率越大；僅當(dāng)真空集熱管管徑改變時(shí)，單位吸熱面積容水量越大時(shí)，集熱器水箱流體溫度越小，集熱器集熱效率越大。

表2 不同集熱管管長(zhǎng)下單位吸熱面積容水量

表3 不同集熱管管徑下單位吸熱面積容水量

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)武漢地區(qū)冬季不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能集熱器日間集熱性能影響進(jìn)行研究，模擬中考慮了太陽(yáng)日運(yùn)動(dòng)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐時(shí)變化的影響。得出結(jié)果如下：

(1)集熱管管長(zhǎng)由1800 mm增加至2100 mm時(shí)，水箱流體溫度升高6.42%，升高了1.08 ℃，集熱效率降低了1.28%；集熱管管徑由41 mm增加至53 mm時(shí)，水箱流體溫度升高7.10%，升高了1.04 ℃，集熱效率降低了2.05%；集熱器安裝傾角由33°增加至51°時(shí)，水箱流體溫度升高7.37%，升高了1.59 ℃，集熱效率升高了1.21%。

(2)Ra能較為準(zhǔn)確反映流體自然對(duì)流強(qiáng)弱，流體越靠近真空管底部Ra越小，真空管底部流體對(duì)流換熱強(qiáng)度弱，流速趨于0 m/s，易形成滯流區(qū)。真空集熱管管徑對(duì)流體Ra影響較大，集熱管管徑由41 mm增加至53 mm時(shí)，集熱管內(nèi)各截面處流體Ra擴(kuò)大約1倍，較大管徑有助于強(qiáng)化管內(nèi)流體對(duì)流換熱。

(3)為了獲取較高流體溫度、集熱器效率,武漢地區(qū)集熱器的傾角不應(yīng)小于51°。當(dāng)集熱器某一結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化從而導(dǎo)致集熱器單位吸熱面積容水量發(fā)生改變時(shí)，單位吸熱面積容水量越大，水箱流體溫度越低、集熱器集熱效率越高。