大型太陽能集熱陣列的實驗研究

李斌，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上?！?00240）

大型太陽能集熱陣列的實驗研究

李斌*，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240）

為了研究太陽能集熱陣列的熱力學性能以及集熱陣列的設計優化，本文對熱管式太陽能集熱器進行了性能測試，分析了影響其總熱損的主要因素。隨后搭建了熱管式太陽能集熱陣列并利用其進行了集熱效率實驗。最后根據實驗中出現的串聯管路集熱效率沿程降低的現象對太陽能集熱陣列的安裝方式進行了探討。

太陽能集熱陣列；熱管式集熱器；串聯管組；實驗研究

0　引言

隨著太陽能熱利用行業的不斷發展，大型的太陽能集熱陣列在許多場所諸如賓館、大型浴室、辦公建筑、發電站中得到了廣泛的使用。然而，相對于小型的集熱系統來說，目前有關大型太陽能集熱陣列的研究還不是很完善，這給大型太陽能集熱陣列的設計安裝增加了不少難度［1-4］。

對于大型太陽能集熱陣列的設計安裝，陣列中集熱器的性能以及集熱陣列的排布是非常重要的兩個部分。在集熱器選型方面，KALOGIROU［5］對各種集熱器進行了熱力學性能分析并給出了相應的應用前景；TIAN和ZHAO［6］分析了不同的太陽能集熱器和蓄熱水箱在太陽能集熱系統中的利用情況；SAKHRIEH等［7］實驗研究了5種不同集熱器的運行性能、集熱效率和可靠性，并根據其應用價值對其進行了比較；劉建波［8］對平板集熱器、熱管式真空管集熱器、CPC集熱器以及全玻璃管真空管集熱器進行了熱性能分析，分析了積塵和流量對于集熱器性能的影響。在集熱陣列的排布方面，翟輝等［9］就大型平板/真空管集熱器的排列問題進行了研究，計算了集熱器傾角、間距、方位角對于集熱系統性能的影響，并在此基礎上給出了最佳間距的計算公式；魏勝賢等［10-11］研究了集熱器的縱橫比、板間距、長寬比等參數對集熱系統性能的影響。盡管前人針對太陽能集熱陣列的選型和排布已經有了一定的研究，然而其中很大的一部分都停留在理論分析以及模擬計算上面，實際的大型系統的運行監測實驗卻并不多見。

本文通過搭建大型太陽能集熱陣列，對熱管式集熱器的熱性能以及集熱陣列的運行效率進行了實驗分析。并選取典型天氣，通過對集熱器的熱損分析和集熱陣列的效率分析，得出了熱管式集熱器運行特性和集熱陣列排布優化的設計思路。

1　集熱器瞬時效率模型

以集熱板溫度為基準溫度，熱管式真空管太陽能集熱器的瞬時效率方程為：

式中：

ηhp——瞬時效率；

τ——玻璃真空管透過率；

α——集熱板吸收率；

UL——總熱損系數，W/m2·K；

Tc，in——進口水溫，℃；

Ta——環境溫度，℃；

I——太陽輻射強度，W/m2。

在自然環境下，熱損系數受變工況的影響不斷變化。計算分析時，為了模擬精確起見，將總熱損系數的求取放到循環中迭代運行，也就是在每個準穩態均求取一次總熱損系數。由于集熱器由熱管和集箱構成，因此熱管式真空管太陽能集熱器的熱損主要由熱管熱損和集箱熱損構成。

玻璃管內部高度真空，只需要考慮集熱板與玻璃管之間的輻射熱即可。根據輻射換熱原理，可以得出集熱板與玻璃管之間的輻射換熱表達式：

式中：

Qcg——集熱板與玻璃管之間的輻射換熱，W；

Tc、Tg——集熱板和玻璃管溫度，℃；

εc、εg——集熱板和玻璃管發射率；

Ac、Ag——集熱板和玻璃管面積，m2；

玻璃管與環境之間的對流散熱損失以及玻璃管對大氣的輻照散熱損失：

式中：

Qga——玻璃管與環境之間的散熱損失，W；

hga——玻璃管與環境之間的對流換熱系數，W/m2·K。

根據熱平衡，聯立方程（2）和（3）可以迭代計算得到玻璃管溫度Tg，從而計算得到熱管熱損以及熱管熱損系數。

集箱由內向外的散熱可認為先通過保溫材料傳導至集箱外表面，再通過集箱外表面對環境散熱。集箱通過保溫材料的導熱通過下式計算：

式中：

Qnwb——集箱通過保溫材料的導熱量，W；

λb——集箱保溫材料的導熱系數，W/m·K；

Lb——集箱長度，m；

Tnw、Tb——集箱內部水溫以及集箱外表面溫度，℃；

Dnw、Db——集箱內徑以及外徑，m。

集箱與環境之間的對流散熱損失以及集箱對大氣的輻照散熱損失：

式中：

Qba——集箱與環境之間的散熱損失，W；

Ab——集箱表面積，m2；

hba——集箱與環境之間的對流換熱系數，W/m2·K；

εb——集箱發射率。

玻璃管以及集箱與環境之間的對流換熱系數按照室外空氣外掠單管的對流換熱計算［12］：

根據熱平衡，聯立方程（4）和（5）可以迭代計算得到集箱外表面溫度Tb，從而計算得到集箱熱損以及集箱熱損系數。

以集熱面積為基準面積求取的總熱損系數為：

計算中采用的主要參數見表1。

2　集熱器性能實驗結果與模擬計算分析

集熱器性能測試實驗臺由3 m2的熱管式太陽能熱水器搭建而成，熱水泵將水從水箱中泵出送至集熱器中加熱，被加熱的熱水隨后又流回水箱中，由于水在集熱器中依靠太陽能被不斷循環加熱，所以水溫會自然抬升。

選取實驗階段內的典型日數據進行分析。當日實驗工況如表2所示。

表1　太陽能集熱器瞬時效率模型的計算參數

表2　太陽能集熱器性能測試試驗工況

實驗開始時進口水溫為23 ℃，實驗結束時水溫達到了79.7 ℃。圖1為太陽輻照度和太陽能集熱器進出口溫度隨時間變化的曲線。

從圖1中可以看出，當天的太陽輻射強度在正午12∶00左右達到最大值，此時的集熱器水溫的升幅也達到最大，但是由于熱水系統普遍存在有熱慣性的問題，所以集熱器水溫升幅最大處相較于太陽輻射強度最大處稍有滯后。13∶20左右由于云層的遮擋太陽輻照度有較大波動，總體來看略有下降，而這時水溫的升幅也變得較為平緩。

圖2表示太陽能集熱器陣列瞬時效率的實驗值、模擬計算值以及根據實測數據擬合得到的瞬時效率曲線。擬合得到的效率方程為：

取夏季冬季的兩個典型工況進行對照，代入此方程得到：當I為700 W/m2、Tc，in為85 ℃、Ta為 34 ℃時，ηhp為43.7%；當I為500 W/m2，Tc，in為45 ℃，Ta為-2 ℃時，ηhp為37.5%。

對照發現模擬結果與實測數據基本相符。尤其是在溫度較低時，計算結果與實驗結果的吻合情況十分良好，但是隨著溫度升高，計算值和實驗值的偏差變得越來越大。當（Tc，in-Ta）/I ＞ 0.07后，計算值的下降幅度變得越來越小，曲線也漸漸趨于平緩。這個現象說明了當隨著進口溫度升高，

實際情況下的熱損會偏離計算值，變得越來越大。

圖1　太陽輻射強度以及太陽能集熱器進出口水溫變化曲線

圖2　熱管式太陽能集熱器瞬時集熱效率變化曲線

分析該情況發生的原因：從集熱器建模過程中可以發現，影響熱管熱損的主要因素是環境溫度和風速，而影響集箱熱損的主要因素除了上述兩個參數以外，還有集箱進口溫度。圖3對模擬計算中不同進口水溫下集箱和熱管的熱損系數做出了分析。

在環境條件一定的情況下，熱管的熱損系數不會隨著集熱器的進口溫度變化而變化，而集箱的熱損系數則會隨著進口溫度的上升呈現出線性上升的趨勢。這就導致當溫度較低時，集箱的熱損系數與熱管的熱損系數相差不大，但是當溫度較高時，這種差距就很大了。在圖3中，當進口水溫達到80℃時，集箱的熱損系數達到了熱管熱損系數的5倍。由此可見，對于熱管式太陽能集熱器來說，集箱熱損大小是影響總熱損的主要因素，這種影響在高溫區尤為明顯。

圖3　熱管式太陽能集熱器熱損系數變化曲線

3　集熱器陣列集熱效率實驗結果及分析

3.1實驗裝置說明

太陽能集熱實驗陣列中一共布置了27組熱管式太陽能集熱器，每9組集熱器串聯成一排，從而形成并聯布置的三排太陽能集熱器，具體集熱器陣列排布圖見圖4。同時，為了防止因集熱器內水的汽化而引發的管道振動、流量減小等事故，三排管道上均設置自動排氣閥。

實驗過程中，水經過水泵輸入到集熱器陣列中，然后分流至三個串聯管路經由太陽能加熱，最終匯流后流回儲水箱。

圖4　太陽能集熱器陣列排布圖

3.2集熱陣列集熱效率實驗

前文中，我們已經對熱管式真空管太陽能集熱器進行了效率測試。然而，對于大型太陽能集熱器陣列，除了集熱器的熱損以外，管路的熱損也相當嚴重。因此，有必要對太陽能集熱器陣列整體的集熱效率進行測試分析。

同樣根據典型日實驗結果進行分析，當日為晴天，天氣情況見表3。

表3　太陽能集熱器陣列集熱效率測試試驗工況

實驗過程中的輻照變化以及環境溫度變化如圖5所示。集熱器進口水溫從初始時刻的34℃上升到實驗結束時的86℃。

根據實驗結果進行擬和，結果如圖6所示，熱管式真空管太陽能集熱器陣列的瞬時效率方程為：

圖5　太陽能集熱器陣列集熱效率測試的環境條件

圖6　熱管式太陽能集熱器陣列的瞬時集熱效率變化曲線

從圖6中可以看出，熱管式真空管太陽能集熱器陣列的瞬時效率隨進口水溫的升高快速下降，在本實驗中，當集熱器陣列進口水溫為45℃時，熱管式真空管太陽能集熱器陣列的集熱效率46.2%，當集熱器進口水溫為85℃時，熱管式真空管太陽能集熱器陣列的集熱效率僅為10.6%。這說明熱管式真空管太陽能集熱陣列在低溫區有著較高的集熱效率；當（Tc，in-Ta）/I ＜ 0.06時，其集熱效率都在30%以上；與此相對的，在高溫區的表現較差。

此規律可以通過圖7所表示的熱管式太陽能集熱器陣列進出口水溫變化曲線進一步得到闡述。

由圖7可知，熱管式真空管太陽能集熱器陣列的進出口溫差隨著進口水溫的升高逐漸減小，實驗初始時刻進出口的溫差約保持在10℃左右，但是到實驗終止時，溫差近乎為0。太陽能集熱器陣列的集熱效率實驗結果表明，對于地板采暖、熱水供應等熱水溫度要求不很高的工況，熱管式真空管太陽能集熱器陣列具有較高的集熱效率。

圖7　熱管式太陽能集熱器陣列進出口水溫變化曲線

同時，將集熱器陣列的集熱效率實驗與前文中所研究的熱管式真空管太陽能集熱器效率實驗相比，可以明顯發現太陽能集熱陣列的集熱效率有所降低，這主要是由于兩方面的原因：第一，太陽能集熱器的串聯安裝使得集熱器的進口水溫沿著串聯管路逐步上升，進而使得集熱器的集熱效率沿程遞減；第二，管路損失，在實際安裝中，管道長度將近100 m，在循環過程中存在有很大的管路熱損。因此，對于大型的太陽能集熱系統的管路設計來說，合理設計、盡量縮短管路長度、采取良好的保溫措施具有重要的意義。

3.3太陽能集熱器陣列排布方式探討

以現有的熱管式真空管太陽能集熱器陣列為例，對太陽能集熱器陣列的安裝方式進行分析：利用集熱器效率方程進行理論分析與計算，圖8表示對應于不同的進口水溫，串聯管組中沿程各組集熱器的效率變化曲線，由圖8可知，將太陽能集熱器串聯連接會導致集熱器效率逐片遞減。在本實驗中，每9組熱管式真空管集熱器組成一個串聯集熱陣列，這就導致末端太陽能集熱器的集熱效率相比于第一塊集熱器的集熱效率降低了6.5%。同時發現，當集熱器串聯陣列的進口水溫有所不同時，其效率下降幅度近似相同，說明了太陽能集熱器集熱效率的沿程下降幅度與進口水溫無關。繼續研究集熱器串聯組數與效率降低的關系，其變化規律如圖9所示，隨著串聯組數的增加，集熱器的效率近似于線性降低，串聯組數越多，效率下降越大。上述分析表明太陽能集熱器串聯運行是以損失集熱效率為代價來提高出口水溫，這固然是一種簡單可行的方法，但是，對于大型太陽能集熱器陣列，為了保證集熱效率，建議通過合理調節流量，適當減少串聯集熱器數量，以并聯安裝為主。

圖8　串聯熱管式太陽能集熱器陣列沿程集熱效率變化曲線

圖9　串聯熱管式太陽能集熱器陣列沿程集熱效率損失變化曲線

4　結論

本文通過對熱管式太陽能集熱器的性能實驗以及集熱器陣列的集熱效率實驗，研究得出以下結論。

1）對于熱管式太陽能集熱器來說集箱熱損大小是影響總熱損的主要因素。

2）熱管式真空管太陽能集熱器陣列的瞬時效率隨進口水溫的升高快速下降，導致其在高溫區的使用效果遠不如在低溫區。因此對于地板采暖、熱水供應等熱水溫度要求不很高的工況，熱管式真空管太陽能集熱器陣列具有較高的集熱效率。

3）對于大型太陽能集熱器陣列，可以通過串聯方式來提高出口水溫度，但是為了保證集熱效率，建議合理調節流量，適當減少串聯集熱器數量，以并聯安裝為主。

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Experimental Study of Large Scale Solar Collector Array

LI Bin*，ZHAI Xiao-qiang，
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In order to investigate the thermal performance and the strategies of design and optimization for the solar collector array，the performance of heat pipe solar collector has been tested，and the main factors of the overall heat loss have been analyzed.Then the heat pipe solar collector array has been built，and the efficiency experiments of it have been conducted.Finally，according to the efficiency decrease along the pipeline for collectors in series，the installation and arrangement of solar collector array are discussed.

Solar collector array；Heat pipe solar collector；Series；Experimental study

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.102

*李斌（1992-），男，碩士在讀。研究方向：太陽能集熱相關技術。聯系地址：上海市東川路800號上海交通大學制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯系電話：13524860987。E-mail：wood12300@sjtu.edu.cn。

國家科技支撐計劃課題（No.2012BAA05B01）