翅片強化蓄熱型平板集熱器設計與分析

許立鵬 蘇慶宗

內蒙古科技大學化學與化工學院

0 引言

太陽能因儲量巨大、壽命長久被廣大科研人員青睞[1]，但開發受到間歇性的影響[2]，平板太陽能熱利用受到環境溫度與輻射強度共同的影響。當集熱裝置的光學損失與熱損失之和高于集熱面太陽輻射投射量，集熱進程將不在進行[3-4]，所以日出、日落、雨雪或多云天氣集熱效果最差。

合理開發太陽能，熱存儲技術是解決太陽能供需之間不協調的關鍵[5]，熱存儲主要在于高的儲熱密度，高傳熱效率和優異的重復利用性能，相變材料在加速熱循環重復性實驗中證明，其熔化溫度與潛熱值都表現出良好的熱穩定[6-7]，并且成本更低，熔化溫度更寬，安全系數更高。將潛熱存儲技術應用在平板集熱裝置中，可以使得裝置降低成本和空間。由于PCM 的低導熱性能在儲熱應用受到限制，在潛熱存儲技術應用需提高PCM 的熱傳導性能[8]。嵌入式中央長直翅片管用作傳熱管，實驗結果分析，在一定溫度范圍內傳熱系數與入口HTF 的溫度呈現二次性關系，整體導熱系數增加了21.9%，融化與凝固時間分別減少了45.3%和16.6%[9]。

為了驗證提出太陽能儲熱概念加熱設備，已建立原型及其性能已經在各種實驗條件下進行了研究其中包括設備的仰角，太陽輻射量，儲熱期的環境溫度和對流速度和耗散過程。這些結果將提供基本的理論和有價值的實驗數據，以進一步開發各種太陽能應用設備。

1 原型設計

翅片強化蓄熱型平板集熱裝置由翅片強化儲熱單元（蓄熱單元），太陽能吸熱涂層，相變材料，通透式空氣換熱流道，保溫材料，直流風扇與金屬框架共同構成。

1.1 蓄熱單元

該蓄熱單元主要承擔導熱，存儲和釋熱的作用，結合PCM 的潛熱存儲太陽能。結構主體如圖1，底部焊接密封處理，內部焊接3 mm 十字長直翅片，單管填裝7.2 kg 石蠟，考慮石蠟液化膨脹，裝填率在95%，壁面覆蓋太陽能吸熱涂層實驗用石蠟和率鋁合金見具體表1。

圖1 蓄熱單元

表1 40#改性石蠟和6063 鋁合金的物性參數表

1.2 集熱板整體結構

吸熱板橫截面示意如圖2，集熱底板與集熱單元疊加安裝，選用厚3 mm 的鋁板，表面覆蓋太陽能吸熱涂層，將集熱單元間隙的陽光收集轉化，增加集熱板與蓋板間空氣溫度，有效減少熱量損失，圓柱形集熱單元直接與載熱工質接觸，有效地增加熱傳導面積與傳熱總量。

圖2 吸熱器截面示意圖

1.3 通透式流道

換熱風道結構如圖3 由三面保溫加一側透明蓋板構成，風道底面與側面三面選用橡塑板做保溫處理，上側蓋板選用3 mm Pc 陽光板，透光率可達到89%，進風側加設材質為聚乙烯塑料泡沫的蜂窩形擾流板，增大空氣擾動提高換熱效率。

圖3 換熱風道結構示意圖

2 實驗測試與程序

2.1 測試設計與實施

實驗測試平臺如圖4 所示，附熱電偶分布，測試儀器及精度見表2。

圖4 實驗裝置測試圖

表2 實驗儀器/設備

2.2 測試過程

實驗測試時間主要集中在2019 年8-10 月，地點在內蒙古包頭。

開始前需做準備工作，挑選典型天氣將裝置集熱面遮光后推至室外，裝置安置一定傾角，檢驗檢測設備確保實驗測試平臺正常工作。

準備工作完成，選定光照時間段為9:00-16:30，9:00 前打開監測儀器和遮光布，記錄該安置傾角下集熱面投射輻射量，輻射記錄為每15 分鐘一次，數據采集儀采集數據間隔為15 秒一次，打開直流電源為風扇供電，調整電流電壓至所需值，記錄風速值。當時間達到16:30 為集熱面做遮光處理，即儲熱結束，但散熱持續進行，期間觀察集熱裝置內相變材料的溫度變化趨勢，直至夜間散熱至進出口溫差不足1 ℃認定散熱完成，數據保存關閉儀器。主要測試計劃見表3。

表3 實驗測試方法

3 數據分析

整體光熱利用效率，儲熱能力和速率，散熱能力，速率和效率，用于評估已開發的設備，集熱單元內部PCM 熔化和凝固過程為瞬態傳熱過程，如圖5 為整個傳熱過程溫度示意圖，描述一個工作循環PCM 溫度變化。

圖5 PCM 溫度變化示意圖

裝置整體的集熱效率η1[10]可表示為：

其中，裝置總散熱有用功Qs表示為：

裝置整體散熱功率表示為：

相變蓄能總蓄熱量表示為：

裝置相變蓄能蓄熱速率qg,in和散熱速率qg,out分別表示為：

伴隨散熱終端時期HTF 與集熱單元之間傳熱溫差較小，傳熱驅動力也在減小，再加上集熱器熱損，致使集熱單元內的熱量不能完全釋放做有用工，相變蓄能散熱效率ηds表示為：

式中：Asc為集熱面面積，m2；G 為太陽輻射強度與時間變化函數，W/m2；t0與t1為散熱起始時間，s；Cp,a為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；Ac,wt為出風口截面積，m2；ρa為空氣密度，kg/m3；ua為出風口平均風速，m/s；Ta,i和Ta,o分別為進風口出風口平均溫度，K；Tm為相變材料融化進程的平均溫度，K；tls與tse分別是相變起點與終點時間，s；Ta為環境溫度，K。

4 結果與討論

本文結合傳熱理論對集熱裝置進行較為全面的研究與分析，分別從安置角度，風量，環境溫度和輻射強度的方向檢驗裝置的集熱效果。

4.1 太陽輻射投射量的影響

太陽輻射強度隨時間內會出現規律性變化，如圖6（a）所示記錄呈現先增大后減小的規律行變化。圖6（b）記錄9 月4 號和6 號兩天集熱面安置方位由南向西偏增加偏移量后一天平均輻射趨勢，由此可確定安裝朝向正南為最佳。圖6（c）和（d）記錄不同月份的三天的太陽高度角和集6217000420013874454 熱器安置傾角45°集熱面太陽輻射投射量，太陽輻射投射量最大出現在集熱面近乎垂直太陽光線的時刻。

圖6 影響輻射強度的變量

4.2 相材料的溫度分布

圖7 記錄相變材料的溫度變化情況，圖7（a）描述不同集熱管同一高度的溫度差異不大，則圖7（b）顯示集熱管上下溫度不均，主要原因是靠近集熱壁面的PCM 會吸熱優先融化，內部出現固相液相混合，在重力作用下固液兩相發生自然對流，使固相下沉囤積底部，導致底部升溫緩慢。圖7（c）和圖7（d）同一集熱管內同一橫截面不同腔格的石蠟溫度，顯示出單側光照條件下集熱面與背光面溫度差很小，是因為集熱腔體內加入了星形鋁翅片，翅片強化集/散熱效果明顯。

圖7 日常狀態下的PCM 的溫度分布狀況

4.3 散熱過程

圖8（a）為風量150 m3/h 安裝傾角45°的情況，描述光照下散熱情況時記錄不同集熱單元軸向同一橫截面的PCM 溫度變化，溫度走勢表明每根集熱單元表現相近。圖8（b）顯示集熱管中部溫度較高，底部進風口換熱量較大，頂部未做保溫封堵，降溫也會稍快于中部，但實驗中集熱單元軸向不同截面PCM 均跨越相變區，相變熱在日落之后可繼續散熱。

圖8 散熱過程中石蠟石蠟溫度分布

圖9（a）描述45°安置裝置增加對流風量會增加集熱裝置的散熱功率，局限于空氣的換熱系數，風量從70 m3/h 增大至110 m3/h 散熱功率增加了63%，150 m3/h 增至250 m3/h 散熱功率只提高了10.8%。在（b）描述風量的增加會使進出口溫差降低，由于平板空氣集熱器室外放置，110 m3/h 會比70 m3/h 多帶走1.95%的熱量，而相同條件下150 m3/h 會比70 m3/h 多帶走8.3%的熱量，使熱量損失更少。

圖9 強制對流下集熱器整體散熱表現

4.4 整體集熱效率的影響因素

圖10（a）安裝傾角在45°出現集熱性能最佳，小于45°安置，總效率降低28%，PCM 固液兩相重力作用下自然對流換熱效果變弱，傾角太大會導致太陽輻射投射量減小，裝置性能也會降低。圖10（b）輻射強度的增大使集熱效率增加，是因為輻射增大會導致光轉熱量增強，流道內溫度升高，集熱壁面對流換熱強度減弱，使整體集熱效率增加。圖10（c）顯示環境溫度升高，集熱效果會增加，環境溫度在超過25 ℃增加趨勢顯著，壁面處對流換熱溫差減小，換熱驅動力降低，光熱轉化被存儲更多。圖10（d）顯示過大風速量使集熱PCM 溫度不能跨越相變區，因為增大進風量使通透式流道溫度越來越接近環境溫度，在集熱壁面與冷空氣之間的換熱明顯加強，導致集熱壁面的熱量傳導至PCM 的總量降低。

圖10 不同因素與整體集熱效率的關系

5 結論

本文研究了一種星形翅片管蓄能式平板集熱器，裝置有效結合低溫儲能與強化傳熱技術，有效緩解太陽能應用時空不平衡的問題，根據研究結果表明：

1）利用PCM 潛熱大容量儲存太陽能，通過強制對流降低平板集熱器吸熱板與蓋板對流熱損，在測試中14:00 裝置熱損最為嚴重，達到接收太陽輻射量的9%，風量150 m3/h 時散熱溫差平均在5.2 ℃。

2）對集熱單元同一水平面的PCM 監測發現，不同集熱單元運行趨勢基本一致，軸向PCM 溫度分布從上至下溫度依次降低，存在自然對流和換熱風道下進風設計強制對流換熱量從上至下逐漸增強。

3）實驗測試在8～9 月，記錄太陽高度角，集熱面朝向與傾角變量下的太陽輻射投射量，在不低于45°傾角安置，朝向正南時集熱裝置有最佳集熱效率，總有效散熱量19300 kJ，平均散熱功率284 W，集熱效率達到74%。

4）集熱單元加入星形翅片，PCM 在同一軸截面融化與凝固時各監測點溫度趨勢比較均勻，未受到單側光照影響，翅片的加入顯著強化傳熱速度。

5）該裝置結合相變儲能技術利用太陽能效果明顯，并且結構簡單，在熱干燥，室內熱通風和空氣源熱泵前段空氣預熱有很高的實用價值。