相變式U形管太陽能集熱器的性能

胡旺盛，張少杰，張昌建，熊楚超，孫鵬飛

（1 河北工程大學能源與環境工程學院，河北邯鄲056000；2 香港理工大學，香港999077）

太陽能被認為是資源豐富的可再生能源，年輻射量可以達到5000MJ/m2以上[1]。廣泛使用太陽能可以有效減少化石燃料的使用，但其也存在間歇性和不穩定性的問題。如何有效解決此問題是目前推廣太陽能的難題。通過蓄熱材料發生相變，吸收大量的相變潛熱來儲熱，在需要時再釋放使用是目前研究的途徑之一。石蠟類相變蓄熱材料具有相變潛熱較高、幾乎不存在過冷現象和廉價易得等特點，可以用于提高太陽能效率，并且已經成為國內外蓄熱材料與太陽能結合的研究重點。

許多研究人員已經開展大量工作，章學來等[2]提出一種相變儲熱式太陽能集熱器的數學模型進行了CFD模擬，并通過實驗分析了相變材料的溫度變化。曲世琳等[3]提出適合于太陽能熱泵系統的蓄熱裝置的優化設計方法，研究了蓄熱單元在水箱中的布置方式的影響。Poole等[4]研究了兩級太陽能集熱器與蓄熱裝置結合的空氣加熱技術，分析了不同空氣流速時的蓄熱量。Chopra 等[5]對熱管式太陽能真空管集熱器與相變材料相結合進行了經濟性分析。蘇鵬飛等[6]建立了蓄能/蒸發/集熱器的相變傳熱數學模型，得到了充灌石蠟或癸酸的蓄能/蒸發/集熱器在蓄能過程中溫度場和液化率隨時間的變化規律。王澤宇等[7]研究了用于加熱空氣的平板太陽能集熱蓄熱裝置的集熱效率。Abokersh 等[8]搭建了小型太陽能熱水器與相變材料結合探究按需運行時，不同天氣條件下的集熱器效率。Faegh等[9]設計了一種裝有外部儲熱系統和太陽能集熱器的太陽能裝置用于海水脫鹽過程，節約了蒸餾脫鹽的成本。Kolioak等[10]采用田口方法對相變材料太陽能集熱器的使用的最佳時間、環境溫度、相變材料進行了設計，對太陽能集熱器的性能有明顯改善。Guerraiche等[11]模擬了拋物槽型太陽能集熱器與蓄能裝置的集成性能，結果表示該系統可行。羅權權等[12]研發了蓄能型空氣式太陽能集熱器，在真空管中插入蓄能棒，以空氣為傳熱介質，提高了效率。Raj等[13]在太陽能空氣加熱器中對離散封裝的相變材料進行了瞬態的模擬，研究了熱輸入、流速、熔化溫度、蠟量和相對位置對宏觀封裝相變材料相變行為的影響。Abdelrazik等[14]研究了含納米顆粒的相變材料與光伏板結合的系統，在冬夏兩季分別測試了不同納米顆粒對光伏板平均溫度等代表性參數并進行了評估。

結合現有的太陽能與相變蓄熱裝置結合的特點，設計搭建了相變式U形管太陽能集熱器性能試驗平臺，與普通的U形管太陽能集熱器進行對照試驗，實驗分為兩部分，首先進行水量對比實驗，比較兩種真空管在相同工況下生產同溫度的水量；然后在夏季和過渡季節分別測試不同流量的工況下日間兩種真空管的進出口水溫，對比兩者的集熱性能，為相變式U形管太陽能集熱器的設計與推廣提供參考。

1 實驗系統

1.1 實驗平臺

實驗系統位于河北省邯鄲市（114.48°E，36.60°N），太陽輻射強度屬于三類地區。本實驗系統如圖1所示，主要由兩根U 形管集熱管、水泵、水箱、球閥、流量計和溫度測量記錄儀組成。設有實驗組和對照組，設定相同的安裝水平傾角（37°）。實驗組為一根裝填了1.9kg 石蠟的U 形集熱管，對照組為一根無裝填材料的U形集熱管。將高位水箱的水泵放入兩根集熱器的U形銅管內，然后分別回到高位水箱內。再從水箱的底部循環至集熱器，以減少熱水回流到水箱上部溫度分層的影響。

圖1 實驗系統圖

系統的溫度監測由顏歷自動化儀表（上海）有限公司生產的PT100熱電阻測量，熱電阻允許誤差(℃)=±(0.15+0.002×|t|)，其中t為實際溫度；使用淮安三暢儀表有限公司生產的數據記錄儀進行采集，采集精度設置0.01℃；流量計為廣州藍躍環保科技有限公司生產的轉子流量計，量程為0.5～4L/min，精度±0.04；選用上海永帆機電設備有限公司生產的水泵，額定流量10L/min，最大揚程9m；水箱為自制的圓形水桶外加保溫，容積18L。測量太陽能輻射量的儀器是武漢中科能惠科技發展有限公司生產的總輻射傳感器，量程為0～2000W/m2，分辨率1W/m2，精準度±5% W/m2,傳輸間隔時間10min。

1.2 相變式U形管太陽能集熱器

圖2 U形太陽能真空管構造及溫度測點布置圖

圖2所示，實驗采用的U形管太陽能真空管由太陽能真空管集熱器，U形管和石蠟組成。真空管外徑58mm，內徑47mm，長1800mm，集熱面積0.085m2；U形管材質為銅，管徑10mm。集熱管收集的熱量分為兩部分，一部分被相變材料吸收使其由固態轉化為液態，另一部分以對流傳熱傳送至工作介質，從U形銅管一側進口進入，另一側流出提供熱能。為了進一步了解集熱管內部石蠟蓄放熱的過程，在實驗組的集熱管內部進行溫度測試，在U形管的軸線上沿著集熱管的長度從上到下布置了T1、T2、T3三個測點，測點的具體布置位置見圖3。實驗選擇用于儲存太陽能量的石蠟的熱性能參數見表1。

表1 石蠟熱物性參數

2 實驗內容

2.1 水量對比實驗

首先進行相變式U形集熱管關于日加熱水量的對比實驗。先關閉系統內所有閥門，使水通過重力自流的方式充滿U形管，待U形管出口側的溫度達到設置的出水溫度打開出口側的閥門，進行收集。重力會催使高位水箱的水自動重新充滿U形管。溫度測點位于U形管的出口側的水溫較低，而U形管中段的水溫高于測點溫度，所以出口水溫應該先升高后降低。等到溫度再次降低到設置的出水溫度后關閉閥門，將收集的熱水進行稱量并記錄。每0.5h放水收集稱量一次，直至出口溫度不能達到設置溫度，停止實驗。實驗的初始水溫15℃，設置出水溫度38℃，實驗從早上6:40時開始，到18:40時結束，歷時12h。

2.2 集熱性能實驗

集熱性能實驗步驟為打開集熱管回到水箱側的閥門，打開水泵使實驗系統形成機械循環。實驗水箱采用敞開式，由水箱散失的熱量用來模擬系統在實際的供暖應用中的房間熱負荷。實驗測試的三種流量為0.5L/min、0.75L/min、1L/min。記錄在每個流量工況下的的工作溫度，并計算各集熱器產生的熱量。太陽能集熱器收集的太陽能熱量Qcoll按式(1)進行計算。

其中，被吸收的有用熱量quse計算如式(2)。

則全天收集的有用熱量是對quse進行積分計算得到，如式(3)。

太陽能集熱系統的日集熱效率按式(4)計算。

為了比較兩種集熱器的性能，提出有用熱的提高率，如式(5)。

3 實驗結果和分析

3.1 水量對比分析

圖3 產水量與太陽輻射強度的關系及不同集熱管產水量的對比

圖3表示實驗的太陽輻射強度和集熱管不同時間產水量的變化規律（38℃），其中I為太陽輻射強度曲線，Air 代表對照組集熱管的產水量曲線，PCM 代表實驗組集熱管的產水量曲線。實驗結果表明太陽輻射強度先升高后逐漸降低，在12:10 時達到最高峰值663W/m2，17:20時降為0。此外產水量的變化規律與太陽輻射強度相似，產水量的曲線相對于太陽輻射量曲線整體具有滯后性，太陽輻射量在12:00 時左右達到峰值，產水量的峰值滯后了2h。這是因為太陽能集熱器本身就有一定的熱慣性，造成產水量的波峰相對于太陽輻射最高值滯后。對照組在13:30 時達到最大產水量740g，17:30 時產水量0；實驗組在14:00 時達到最大產水量892g，17:30 時產水量131g。計算得實驗組和對照組的總產水量分別為8733g 和8271g，通過比較得出裝有石蠟后多產水462g。石蠟的存在造成實驗組開始時的產水量低于對照組。這是因為實驗組集熱管吸收的一部分熱量供石蠟熔化，變成潛熱被儲存，另一部分傳遞給U形銅管內的水，而對照組集熱管中空氣通過對流換熱將吸收的熱量大部分傳遞給U形銅管，進而再傳遞到水。但隨著太陽輻射的熱量持續被吸收，實驗組的產水量超過了對照組。這認為是實驗組集熱管內的石蠟開始由熱傳導轉化為對流換熱傳遞熱量。由于對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區域的導熱熱阻，當太陽輻射強度增加，石蠟繼續熔化，石蠟的黏度逐漸減小，熱邊界層的厚度也減小，使對流換熱強度增加，進而使產水量達到最大。下午時，隨著太陽輻射強度開始降低，集熱管的產水量也開始降低，但實驗組的產水時間較對照組多持續了0.5h。這是因為當集熱管吸收的熱量不足以將U形管內的水加熱到設置出水溫度38℃時，實驗組內的石蠟開始作用，逐漸凝固放熱，將儲存的熱量傳遞給U形管內的水，延長了集熱管的產水時間。

3.2 集熱性能實驗分析

圖4 過渡季節流量為0.5L/min時溫度測點變化

在2019 年 過 渡 季 節10 月27 日 至11 月4 日 和2020 年 夏 季7 月26 日 至7 月31 日 對0.5L/min、0.75L/min、1L/min三種流量工況進行了實驗。圖4(a)為過渡季節工況為0.5L/min時兩組集熱管的入口和出口水溫的溫度變化。實驗結果反應出實驗組和對照組的出口水溫曲線相差不大，實驗組溫度略高于對照組。當10:00 時兩組集熱管的出口水溫均達到38℃，然后實驗組的出口水溫開始高于對照組，且溫差不斷升高。這與所選的石蠟的相變溫度有關，石蠟熔化增強了向流動介質傳熱的效果。實驗組在13:55 時出口溫度達到最大53.8℃左右，對照組在14:10 時達到最大51.9℃左右。最終兩組的出口水溫曲線趨于一致。這是因為實驗組與對照組共用一個水箱，當太陽輻射量降低消失時，水泵運行不斷中和兩個集熱器中的水溫，最終使系統的水溫趨于一致。

圖4(b)為同一天相同流量條件下實驗組真空管石蠟中各測點的溫度變化。石蠟溫度變化的走勢與U形管內水溫變化相似。在實驗開始時由于水箱中的水溫較低，在流動過程中石蠟前一夜剩余的顯熱傳遞給水，導致石蠟的溫度略有下降。T1、T2和T3點依次在9:50 時、10:10 時和10:15 時達到相變溫度，管內的石蠟開始熔化蓄熱，在13:50 時分別達到最高溫度61.7℃、58℃和55.6℃。可以看出，石蠟的溫度并不均勻，自上到下依次遞減，這與文獻[15]和[16]得到的結論相似，熱流向上流動，底部升溫和熔化受阻，在實驗測試結束時，管內的石蠟溫度圍繞在38℃左右，石蠟的儲熱量基本釋放完全。

圖5(a)為夏季0.5L/min 工況下的兩組集熱管的入口和出口水溫的溫度變化。與過渡季對比發現，兩季節的溫度走勢相似，實驗組和對照組分別在14:30 時和15:10 時達到最高溫度59.8℃和57.4℃，在時間上比過渡季稍推遲，但最高溫度比過渡季高，這不光因為夏季太陽輻射強度高，另外夏季夜晚氣溫比過渡季高，放熱過程不完全，初始水溫比過渡季高都會影響最高溫度。

圖5 夏季流量為0.5L/min時溫度測點變化

圖5(b)為同一天，相同流量條件下實驗組真空管石蠟中各測點的溫度變化。T1、T2和T3點依次在8:40、9:00和8:40時達到相變溫度，管內的石蠟開始熔化蓄熱，在與過渡季對比發現，石蠟內的最高溫度同樣高于過渡季，T1、T2和T3點在14:40 時分別達到最高溫度67.2℃、62.5℃和58℃，石蠟在高度上的溫度分布差異更加明顯。在20:00時溫度仍高于相變溫度，石蠟相態為液態，說明在測試時間內相變材料的潛熱量沒有釋放，同時也從側面證明了在夏季，相變材料的增加對于太陽能集熱管的持續使用時間的延長作用更大。

實驗從過渡季和夏季分別對不同流量對相變儲能式真空管的集熱性能的影響進行了分析，選定的實驗時間太陽輻射量和室外平均溫度的情況匯總在表2中。

表2 選定實驗日期的氣象情況

過渡季和夏季不同流量對相變儲能式真空管的集熱性能的影響如圖6所示。實驗結果表明在過渡季和夏季，隨著流量的增加，兩組的集熱效率η都隨之增加，并且實驗組集熱效率高于對照組，夏季集熱效率高于過渡季。這是對照組集熱器吸收的熱量通過對流傳熱傳遞給管道中的空氣，管內空氣溫度增加使得壓力升高，管內空氣通過管道與周圍環境的空間將熱量損失在周圍環境，傳遞到流動工質水的熱量減少。對于裝有石蠟的實驗組來說，在固態時的情況下不會發生損失，在液態時的損失也比空氣少，所以實驗組的集熱效率總是高于對照組；當流量增加時，集熱器收集的熱量大部分傳遞給流動工質水，石蠟吸收并且儲存的熱量減少，提高了系統集熱器的集熱效率。同時隨著流量的增加，集熱效率的增加量也逐漸減小。對于增強比來說，在過渡季和夏季，有用熱的提高率R隨著流量的增加而減少，過渡季從30.67%降到17.42%最后到13.85%， 夏 季 從38.26% 降 到19.02% 最 后 到14.66%。當流量增加時，石蠟吸收且儲存的熱量變少，延長了完全相變所需的時間，而石蠟在部分相變時的傳熱熱阻大，對流換熱的效果變差。另一方面，由于石蠟儲存的熱量變少，液態時顯熱增加少，所能達到的溫度變低，使得石蠟與流動工質水的溫差變小，也是造成流量增加而增強比降低的原因。

4 結論

本文設計改造了相變式U形管太陽能集熱器實驗平臺，并對裝有石蠟的相變式U形管集熱器和普通的U形管集熱器的產水量和集熱效率進行了對照實驗，得到如下主要結論。

圖6 過渡季和夏季不同流量對相變儲能式真空管的集熱性能的影響

（1）和普通U形管太陽能集熱器相比，相變式U形管太陽能集熱器不論產水量還是持續時間都所有提高。在同一日太陽輻射強度照射下，裝有石蠟的相變式U 形管集熱器產出38℃熱水8733g，比普通的U 形管集熱器多產生462g，產水時間延長

30min。

（2）在過渡季和夏季，隨著工質流量的增加，兩種太陽能集熱器的集熱效率也隨之增加。裝有石蠟的相變式U形管集熱器的集熱效率在相同工況的情況下比普通的集熱器高，夏季的集熱效率比過渡季高。

（3）無論過渡季還是夏季，隨著工質流量的增加，有用熱的提高率都是呈下降趨勢的，過渡季從30.67%降到17.42%最后到13.85%，夏季從38.26%降到19.02%最后到14.66%，在實際應用中，要考慮工作流量來決定相變式U形管集熱器是否更優于傳統的太陽能集熱管。

（4）相變材料的添加無論是在太陽能的集熱效率還是延長太陽能可持續應用方面都有一定程度的提高，其中相變材料的相變潛熱在蓄放熱過程中作用明顯，本實驗中只使用了較為常規的石蠟，在以后的研究中可以考慮其他高性能的相變材料或者多組分的相變材料。

符號說明

A—— 集熱器的集熱面積，m2

cp—— 傳熱工質的比熱容，J/(kg·K)

G—— 有效太陽能輻射量，W/m2

m—— 傳熱工質流量，kg/s

Qcoll—— 太陽能集熱器收集的太陽能熱量，kJ

Quse—— 全天收集的有用熱量，kJ

Quse-air—— 對照組全天的有用熱量，kJ

Quse-PCM—— 實驗組全天的有用熱量，kJ

quse—— 被吸收的有用熱量，kJ

R—— 有用熱的提高率,%

tin—— 傳熱工質進口溫度，℃

tout—— 傳熱工質出口溫度，℃

Δt—— 測試的時間間隔，s

η—— 太陽能集熱器的日系統集熱效率