平板太阳能集热器的理论研究*

张喜明

(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118)

1 概述

太阳能是一种洁净的能源，被人们称之为“21世纪的能源”．目前，我国大力提倡环境保护和能源节约，使得太阳能技术得到长足发展．太阳能热水系统是目前实际应用最多的太阳能热利用系统．太阳能热水系统是将太阳能转换成热能并将水加热的装置，与其他热水系统相比具有节约能源、无污染、结构简单、维护使用方便安全且经济效益明显等优点．但太阳能热水系统初投资大，能量密度低，受气候条件、地理位置影响也比较大［1－2］．太阳能热水系统按照循环动力分为自然循环系统和强制循环系统．课题组研发闭式强制循环太阳能热水系统，图1为系统原理图．采用水作为载热介质，其循环流程为:载热流体流入太阳能集热器与集热板进行热交换，吸收太阳辐射能后，流入容积保温水箱内的铜制换热器，加热水箱内的生活热水，最后在循环泵的作用下流回太阳能集热器重新吸热．强制循环太阳能供热水系统运行时系统的主要设备是容积水箱和集热器，因此，对太阳能供热水系统的理论研究主要集中在容积水箱和集热器的理论研究上．本文主要对集热器进行热平衡分析，建立集热器的数学物理模型，旨在为太阳能热水供应系统研发提供理论指导．

图1 强制循环太阳能供热水系统原理图

2 集热器的结构

集热器吸热体采用钢板式散热器作为太阳能集热板(见图2)，并对其表面进行除锈、喷涂无光黑漆(吸收率α =0．9～0．98)，单片集热板尺寸1 600 mm ×650 mm，透明盖层采用单层浮法玻璃，玻璃盖板尺寸1 640 mm×1 340 mm，厚度为5 mm，太阳能透过率 τ=0．88 ～0．91．集热板背部岩棉厚度为100 mm，侧面岩棉厚度为50 mm．集热器采用1．5 mm的普通热轧薄钢板作为壳体材料．

图2 平板太阳能集热器结构示意图

3 集热器的数理模型

3．1 建立数物模型的基本假设

为了便于对系统进行理论分析，建立数学物理模型时作如下假设:

(1)通过集热器盖层的热流是一维的;

(2)通过集热器盖层的温降可以忽略;

(3)通过集热器背部隔热材料的热流是一维的;

(4)天空可以认为是一个在等效天空温度下发射长波辐射的黑体;

(5)通过集热器前面和背面的热损失都对于同一环境温度的;

(6)集热器四周的壳体在吸热板上的阴影可以忽略;

(7)热物性参数与温度无关．

3．2 集热器的热平衡分析

集热器是太阳能热泵供水系统的主要部分，分析其热工性能主要建立在热力学第一定律基础上进行．集热器的集热板吸收太阳辐射的能量，其中一部分被集热流体带走，另一部分通过集热器的结构散失到环境中去．集热流体带走的热量成为集热器的有用能量，散失到环境中热量成为热损失．用能量平衡方程式来描述这一热力过程:

式中，Ic为集热面积上的太阳辐射强度，W/m2;Ac为集热器的面积，m2;(τα)e为有效透过—吸收积;Qu为单位时间内集热器的有用能量，W;Qcl为单位时间内集热器的热损失，W．

集热器的集热效率ηc是单位时间内集热器的有用热量与投射到集热面积上的太阳辐射能量之比，是衡量集热器集热性能的一个重要指标．计算公式为:

式中，Ic，AcQu同式(1);

集热器的热损失主要由底部散热损失、侧面散热损失和顶部散热损失三部分组成，即:

式中，Qb为集热器底部散热损失，W;Qe为集热器侧面的散热损失，W;Ql为集热器顶部的散热损失，W．在集热器处于热平衡的情况下，集热流体从集热器获得的有用能量可表示为:

式中，ml为集热流体的质量流量，kg/s;cl为集热流体的平均比热容，J/kg．℃;tc，i，tc，o为集热器进、出口流体温度，℃．

4 平板集热器的效率方程

集热效率ηc可由下式得到:

式中，Ucl为集热器的热损失系数，W/m2．℃．;tp为集热板的平均温度，℃;ta为周围环境温度，℃．

由平板集热器的集热理论可知，影响平板集热器效率的因素很多，包括集热器本身的结构特征、集热流体的传热及流动特性、集热流体的流量、太阳辐射强度等．为简化计算，在实际应用中，集热器效率方程通常由厂家提供或由集热器效率实验来测定．集热效率表示为:

式中，A，B为集热器的的性能常数．

5 结语与展望

太阳能是地球上一切能的主要来源，也是一种无污染的、安全的、无穷无尽的自然能源．在能源和环境形势日益严峻的今天，太阳能作为一种具有代表性的新能源，被公认为是21世纪以后人类可期待的、最有希望的能源，并得到越来越广泛的重视．太阳能为人们所利用，主要实现三种转换，即:光—热转换、光—化学转换和光—电转换，其中，以光热转换技术最为成熟．在太阳能热利用系统中，最先实用化的一般是太阳能供热系统(包括太阳能供热水系统和太阳能供暖系统)．因此，太阳能热利用的发展潜力巨大，应该用长远发展的观点来评价．2015年，中国能源消费量20．7×108t标准煤，是现在全世界能源消费量的六分之一，照此发展到2040年，中国的能源消费量将超过55×108t标准煤，大约是现在中国能源消费量的5倍，接近现在全世界能源消费量的一半．这样大的能源消费量无论如何也是不可能实现的．因此，中国经济要想持续发展，必须重视节能工作和全力探索开发新能源［3］．

我国的自然资源总量排世界第七位，能源资源总量居世界第三位．其中可再生能源尤其丰富，可开发的风能资源2．5亿kW，水能资源7 540万kW，生物质能1．25 kW，地热能670 kW，另外，还有巨大的太阳能及城市垃圾利用潜力．我国地处北半球亚欧大陆的东部，幅员辽阔，有丰富的太阳能资源．我国各地太阳辐射年总量大约在3．3 ×106kJ/(m2．a) ～8．4 ×106kJ/(m2．a)［80 kcal/(cm2．a) ～200 kcal/(cm2．a)］之间，其平均值为:5．9×106kJ/(m2．a)［140 kcal/(cm2．a)］．根据社会主义现代化建设的实际需要，我国提出了可持续发展的战略目标，而节约能源和保护环境是其中最重要的内容之一．开发和研制适合北方地区分体式强制循环太阳能热水系统具有重要现实和长远意义．集热器是分体式强制循环太阳能热水系统的主要部件，安装在室外，具有灵活、方便的特点．评价集热器性能的优劣、换热效果好、坏等目标，对太阳能供热系统的选择、设计及施工具有指导意义．今后课题组重点研发的主要方向:

(1)开发和研制适合北方气候条件的太阳能集热器;

(2)建立太阳能集热器和容积水箱的数理模型(已部分完成);

(3)编制相应计算机模拟程序，进行理论计算;

(4)建立实验系统，进行实验研究．

［1］ 毛志忠．太阳能热水系统工程的设计［J］．中国给水排水，2003，19(3):79－81．

［2］ 旷玉辉．太阳能热泵供热系统的研究与开发［D］．青岛:青岛建筑工程学院，2001．

［3］ 张喜明．太阳能热泵供热系统的实验研究［D］．青岛:青岛建筑工程学院，2002．