太陽能集熱單元集熱性的實驗研究

文_李生山 青海民族大學(xué)

針對應(yīng)用在建筑墻面或屋頂?shù)奶柲芗療嵯到y(tǒng)是通過集熱單元裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成空氣熱能，通過循環(huán)把熱空氣有組織地輸送到室內(nèi)換熱器內(nèi)，通過換熱器將空氣熱能轉(zhuǎn)換成水的熱量儲存及輸出，從而構(gòu)成集熱、儲能和熱輸出的一種系統(tǒng)。其中組成集熱系統(tǒng)的集熱單元是整個系統(tǒng)的核心部件，該集熱單元的上面布置9個凸體集熱元件，且9個凸體按“己”字型3×3排列；集熱單元的兩端設(shè)置有導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)口和出口，通過“螺旋”連接，實現(xiàn)集熱單元可更替性。這里結(jié)合實際建立太陽能集熱單元實驗臺，選取四種0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h風(fēng) 量，以輻射強(qiáng)度為200～600W／m3，且室外環(huán)境溫度為0～15℃范圍內(nèi)各工況下進(jìn)行對集熱單元模擬實驗，并利用CFD軟件對集熱元件和集熱器進(jìn)行模擬，研究工作特點。

1 太陽能集熱單元實驗簡介

太陽能集熱單元實驗設(shè)備由太陽輻射模擬裝置、集熱單元和實驗測試設(shè)備三部分組成，如圖1所示。實驗選用額定功率為350W的超高壓短弧氙燈及調(diào)節(jié)裝置作為太陽輻射模擬裝置，集熱單元由集熱元件、集熱器等部件組成，實驗測試儀器由兩個LZB-3W.3WB（精度±4%）風(fēng)速流量測試儀、一個優(yōu)利德UT382（精度±2.5%）照度計，一個溫濕UT331（精度±1%）測量儀、DL333380（精度±1.5%）測溫儀，風(fēng)泵及儲能罐和三聯(lián)件組成。為增強(qiáng)空氣與集熱元件的換熱過程，設(shè)計帶有隔板的“己”型流道集熱器，流道長1000mm、寬1000mm、高100mm；隔板2個，每個隔板長650mm、寬10mm、高90mm；隔板間隔320mm，底部及四周保溫層厚度為10mm，在集熱器蓋板上按兩個隔板分成“己”型流道，確定3×3安裝集熱元件。集熱器與集熱元件螺紋連接方式，集熱元件由球型玻璃形成集熱室，其內(nèi)表面涂層吸收率α=0.94，集熱元件玻璃金屬螺紋封裝內(nèi)設(shè)有直徑為5mm進(jìn)出口。

圖1 太陽能集熱單元實驗臺示意

實驗時空氣從集熱器入口流入，繞過各個隔板，呈“己”型往前流動，同時空氣進(jìn)入集熱元件加熱，直至從集熱器出口流出。太陽輻射裝置氙燈照在集熱元件上，在集熱元件內(nèi)空氣充分吸收太陽能，進(jìn)入集熱單元空氣流動穩(wěn)定后進(jìn)行測試，提供4種風(fēng)量實驗，測試數(shù)據(jù)有太陽輻射強(qiáng)度、集熱元件外表面平均溫度、集熱器進(jìn)出口空氣溫度和風(fēng)量。

2 集熱單元集熱模型

太陽能集熱元件吸收到的太陽輻射能除非常少的一部分熱量通過對流和輻射的方式散失到周圍環(huán)境中，基本全部用來加熱集熱單元內(nèi)流動空氣，故其熱平衡方程為：

式中I—太陽輻射強(qiáng)度，W/m3；A—集熱元件的集熱面積，m2；mkq—流經(jīng)集熱元件空氣的質(zhì)量流量kg/s；Cp—空氣的定壓比熱容J/(kg·K)；為集熱元件出口處的空氣溫度K；Tin—室外空氣進(jìn)口溫度K；Qdl—集熱元件對流損失W；Qfs—輻射熱損失W；α-涂層吸收率。

集熱單元集熱主要由9個集熱元件組成，按“己”排列的每個集熱元件面積、大小相同，接受輻射度相同，對流和輻射散失到周圍環(huán)境中小部分熱量相同，由于集熱單元小，這里可以忽略集熱器“己”支架導(dǎo)熱和轉(zhuǎn)彎處能量損失，因此集熱單元的熱平衡方程為：式中Tout9—集熱單元（第9個集熱元件）出口處的空氣溫度K；Tin1—室外空氣（第1個集熱元件）進(jìn)口溫度K。

集熱單元效率是單位時間內(nèi)太陽能集熱元件實際獲得的有用能與集熱元件吸收的太陽輻射能之比，其計算式為：

式中η—集熱單元的吸收率；I—太陽輻射強(qiáng)度，W/m3；A—集熱元件的集熱面積，m2；m—流經(jīng)集熱元件空氣的質(zhì)量流量kg/s；—空氣的定壓比熱容J/(kg·K)；Tout—集熱元件出口處的空氣溫度K；Tin—室外空氣進(jìn)口溫度K；Qdl—集熱元件對流損失W；Qfs—輻射熱損失W。Tout9—集熱單元（第9個集熱元件）出口處的空氣溫度K；Tin1—室外空氣（第1個集熱元件）進(jìn)口溫度K。

3 集熱單元集熱實驗分析

參照西寧地區(qū)晴朗天氣 (2021年5月6～8日) 7：30～l5：00測量的太陽輻射強(qiáng)度和室外環(huán)境溫度，選取太陽輻射強(qiáng)度I=250W/m2、外界環(huán)境溫度T=8℃進(jìn)行分析。

3.1 集熱元件表面溫度

由于9個集熱元件采用“己”字型3×3排列，這里測量每一行中間集熱元件的表面溫度，選擇0.448m3/h風(fēng)量下進(jìn)行測試，集熱元件表面的平均溫度隨時間的變化如圖2所示。從圖2看出三個中間的集熱元件開始時溫度基本一致，隨著時間推移表面溫度升溫變化不同，在7min時趨于穩(wěn)定，8min時溫度變化基本一致。

圖2 同一風(fēng)量下中間集熱原件表面溫度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4種風(fēng)量下測量，進(jìn)口第一個集熱元件表面平均溫升隨時變化如圖3所示。從圖3看出集熱元件表面平均溫升隨著太陽輻射模擬裝置開機(jī)迅速升高 ，9min后基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。四種風(fēng)量下穩(wěn)定運行時，集熱元件表面平均溫升分別為0.55℃，0.52℃，0.46℃，0.37℃，即第一個集熱元件表面平均溫升隨進(jìn)口風(fēng)量的增大而逐步降低。

圖3 進(jìn)口第一個集熱原件在不同風(fēng)量時表面溫度

3.2 集熱單元出口溫度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4種風(fēng)量下，集熱單元空氣出口溫度隨時間的變化情況如圖4所示。從圖4看出與集熱元件表面平均溫度變化相比，空氣出口溫度變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)有些滯后。穩(wěn)定運行時，出口空氣溫度分別為12.95℃，12.68℃，12.14℃，11.33℃，因進(jìn)口空氣溫度為8℃，故空氣溫升分別為 4.95℃，4.68℃，4.14℃，3.33℃，可見出口空氣溫升隨集熱單元進(jìn)口風(fēng)量的增大而下降。

圖4 集熱單元在不同進(jìn)口風(fēng)量時出口溫度

4 集熱器內(nèi)流體流動狀況

“己”型集熱器內(nèi)流體從進(jìn)氣口進(jìn)入后先直線流動，同時在漩渦加熱點加熱，在集熱器遇內(nèi)壁面時偏轉(zhuǎn)180°繼續(xù)向前流動，轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生漩渦，流體重復(fù)前面情況，直到流體從集熱器出口流出。通過CFD確定工質(zhì)流入集熱器后，隨著工質(zhì)進(jìn)口流速的加大，集熱器工質(zhì)出口溫度開始降低，由于漩渦一般都發(fā)生在左側(cè)內(nèi)壁和加熱點附近，且在流道內(nèi)部沿左側(cè)內(nèi)壁的溫度較右側(cè)高，流道內(nèi)上層溫度較下層高，漩渦的發(fā)生使局部雷諾數(shù)變大，集熱器內(nèi)更趨于紊流，換熱系數(shù)增加，換熱效果明顯，但是隨著進(jìn)口工質(zhì)流速的增加，工質(zhì)在流道內(nèi)部停留時間變短，加熱時間減少，從而使得出口溫度降低。

5 集熱單元熱效率分析

這里設(shè)定集熱元件表面所吸收的太陽輻射能全部轉(zhuǎn)換成空氣熱能，將各參數(shù)在穩(wěn)定運行時的數(shù)值代人計算公式(3)中。為簡化模型的計算量和加快求解速度，利用Gambit軟件建立集熱元件幾何模型時僅選取第一個進(jìn)口球型集熱元件及進(jìn)出口空氣作為研究對象，最終確定模型的網(wǎng)格數(shù)量為162789。集熱單元局部實驗面積為0.0104132m2，模型中集熱元件的面積0.001061m2，因此模型可靠。西寧空氣密度取1.271kg/m3，空氣的定壓比熱容為1.004kJ/(kg·K)，集熱效率變化如表1所示。

表1 集熱單元實驗值和集熱元件模擬值對比

可見空氣在 0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h4種進(jìn)口風(fēng)量下經(jīng)過單個集熱元件性能模擬時效率分別為35.04%、50.65%、53.43%、54.46%。集熱單元在四種風(fēng)速下效率分別為30.83%、44.46%、48.75%和48.80%，即集熱效率隨進(jìn)口風(fēng)速的增大而逐步升高，集熱效率的快速增加量逐步趨緩。原因是隨著風(fēng)量的逐漸增大，集熱元件表面平均溫度是降低，集熱元件與周圍環(huán)境的傳熱溫差變小，集熱元件相應(yīng)的對流和輻射熱損失減小。集熱器“己”支架內(nèi)部轉(zhuǎn)彎處趨于紊流，流速減慢，便于冷熱空氣混合，集熱器出口溫度增加，由熱平衡方程知，太陽能集熱元件獲得的實際有用能增大，因此集熱單元的集熱效率隨出口風(fēng)量的增大而升高。

6 結(jié)語

集熱元件按3×3固定排列在“己”型流道集熱器上面，增大了工質(zhì)的有效吸熱面積和減小散熱面積，增加了工質(zhì)在集熱器中的流程和太陽輻射能轉(zhuǎn)化熱能時間，從而提高集熱器工質(zhì)出口溫度。

新型集熱單元可根據(jù)房屋安裝外墻面面積靈活相互連接，只需朝向陽面，在不同角度下均可保證一定的集熱效率。

集熱元件和集熱單元集熱效率隨進(jìn)口風(fēng)量的增大而逐步升高，隨風(fēng)量的增大，集熱元件和集熱單元集熱效率的快速增加量逐步趨緩，適合不同地區(qū)使用。