蛇形復合拋物面太陽能集熱器傳熱性能軟件界面開發及模擬

王鑫+俞潔+由世俊

摘 要：太陽能作為可再生能源，在建筑節能中越來越受到人們的重視。蛇形管集熱器的推廣應用可以有利于太陽能集熱器的模塊化生產，并且避免了單管式集熱器接收器較大的管徑，占地較大的問題。本文開發了蛇形管集熱器集熱性能模擬計算程序的GUI界面，通過軟件模擬了管排數和日照量對集熱性能的影響，利用軟件可以對蛇形管集熱器進行優化設計，指導工程實踐。

關鍵詞：蛇形復合拋物面 太陽能集熱器 管排數 GUI界面開發

中圖分類號：TK513 文獻標識碼 ：A 文章編號：1003-9082（2017）10-0200-02

引言

太陽能是取之不盡的優質可再生能源，也是人類最值得開發利用的最大的替代能源[1-3]。接收或聚集太陽能并使之轉換為熱能，然后用于生產和生活的一些方面，是光-熱即太陽能熱利用的基本方式。太陽能熱水系統是目前我國太陽能熱利用的主要形式。按照是否具有聚光性，太陽能集熱器可以分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器。與非聚光型集熱器相比，聚光型的集熱器由于表面能流密度增大，能夠減少熱損失，可以提高集熱器內流動工質的溫度，為太陽能的熱利用提供了有利的條件[4-5]。由于聚光型太陽能集熱器大多屬于高溫集熱器，不太適合于建筑空調領域內應用，而復合拋物面（CPC）集熱器的工作溫度比較適合于建筑的采暖和制冷等方面的應用[6]。目前市場上應用較多的CPC集熱器大多采用的是具有較大接收器管徑的單管形式的集熱器，體積較大，也沒有形成模塊化的產品。本文開發了對蛇形管復合拋物面聚光器的傳熱性能模擬的GUI軟件界面，并對聚光器的傳熱性能進行了模擬研究，為蛇形管復合拋物面聚光器的優化設計提供了依據。

一、整體結構設計

蛇形復合拋物面集熱器主要由復合拋物面聚光器、圓管接收器、真空玻璃蓋板和邊框支撐結構組成。聚光器和接收器構成了集熱器的集熱和吸熱部分，真空玻璃蓋板能夠減小集熱器熱損失，邊框等支撐結構對集熱器起支撐和保護作用。

本文中聚光器的基板取不銹鋼鏡面板，厚度1.2mm，反射率0.8，透明蓋板為雙層真空玻璃蓋板。

蛇形復合拋物面集熱器的結構示意圖如下圖1所示。

蛇形復合拋物面集熱器的接收器按照蛇形布置，見圖1，集熱器將直管水平放置，采用兩個相同管徑的半圓弧將直管進行過渡連接，同時設置支撐裝置用來固定半圓弧。相鄰聚光器之間采用不銹鋼翻邊處理，并對翻邊進行固定。用絲扣固定進出口管段。集熱器除吸熱面以外均采用鐵皮作為保護層。鐵皮保護層的內部加裝 50mm 的聚氨酯保溫材料。集熱器后部以鋼架作為支撐，承擔全部重量。

二、MATLAB 及GUI 簡介

MATLAB是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。除了矩陣運算、繪制函數/數據圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創建用戶界面及與調用其它語言編寫的程序[7]。

本文利用MATLAB 提供的圖形化界面設計向導（GUIDE）開發環境實現用戶界面的創建。采用GUIDE 進行用戶界面設計，不僅提高了設計和分析的效率，而且改變了原先的設計模式，可以體現某種新的設計分析理念，或者進行某種技術、方法的演示。利用這個開發環境，可在較短的時間內設計出一個GUI[8]。因此，本文開發了蛇形復合拋物面集熱器的傳熱過程模擬計算程序的界面開發。

三、蛇形復合拋物面太陽能集熱器傳熱性能計算程序界面開發

該蛇形復合拋物面太陽能集熱器傳熱性能軟件計算的主程序[9-11]通過集熱器進出口溫升與瞬時單位面積集熱量關系，以及日照強度和集熱器排數對集熱器集熱性能影響進行分析，軟件的輸入及輸出參數如下圖2、3。

四、模擬研究

和普通的復合集熱器相比，蛇形管集熱器將集熱單元布置成了蛇形，因此，橫向布置排數就成了影響蛇形管集熱器的一個重要結構參數。對蛇形管集熱器而言，在結構上是選擇盡量增大聚光比而減少橫管布置排數，還是減小聚光比增多橫管布置排數，是在設計蛇形管集熱器時面臨的一個問題，本部分針對管排數和集熱量對集熱器的集熱性能進行模擬分析，蛇形管集熱器的結構優化結果如下圖4所示。

圖4、5給出了不同管排數下，蛇形管集熱器的集熱性能變化關系，從圖4可以看出，隨著管排數增加，開始時瞬時集熱量增加較快，當管排數增加到10 的時候，基本達到了最大值，此后，隨著管排數的增加，瞬時集熱量曲線的變化較為平坦，當太陽輻照度為 200W/m2時，集熱量出現了下降的趨勢。圖5描述了瞬時集熱效率隨管排數的變化關系，從圖中可以看到在管排數為10時瞬時效率達到了最大值，之后隨著管排數的增加瞬時集熱效率的變化趨勢與瞬時集熱量的變化趨勢相似，多數工況的曲線比較平坦，變化不大，而太陽輻照度為 200W/m2的工況，其瞬時效率曲線逐漸下降，最大下降幅度值達到了7.5%。

五、結論

本文對蛇形管集熱器的集熱性能模擬計算程序進行了GUI界面開發，利用軟件模擬了管排數和日照強度對集熱器集熱性能的影響，利用此模擬軟件可以對蛇形管集熱器進行優化設計和性能模擬，對實際工程應用有理論指導意義。

參考文獻

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