基于微通道的太阳能集热器及其性能模拟

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(湘潭大学 材料与光电物理学院，湖南 湘潭 411105)

基于微通道的太阳能集热器及其性能模拟

蒋志杰，潘勇，李旭军

(湘潭大学 材料与光电物理学院，湖南 湘潭 411105)

针对传统的平板型太阳能集热器集热效率较低的问题，本文设计了一款微通道集热器，采用数值模拟方法研究了微通道集热器的工作状况，并分析了传统平板型集热器的管中心距在稳态传热条件下对集热器的效率影响。仿真结果表明：相同条件下，平板型集热器的管间距越小，集热效率越高；微通道集热器的平均集热效率比最佳管间距的平板型集热器高9.3%，比常用的两种平板型集热器分别高20.6%、30.6%。该结果有利于优化平板型集热器的设计参数，为微通道集热器的实际应用提供了依据。

微通道；平板型太阳能集热器；集热效率;稳态传热；性能仿真

太阳能是一种安全、清洁无污染的可再生能源，利用太阳能热水器制造生活热水是减少建筑能耗、缓解能源与环境危机的一条重要途径[1-2]。传统的平板型太阳能集热器具有价格低廉，运行可靠，承压能力强，吸热面积大，热流密度较低等诸多优点，是太阳能与建筑一体结合最佳选择的集热器类型之一[3]，其基本结构形式可分为管板式、管翼式、蛇管式和扁盒式，其中管翼式成本相对较低、集热效率较高的特点，但其集热效率较真空管太阳能集热器还是要低很多，只有真空管集热器的50%～60%，如何更大程度地提升平板集热器的效率已成为太阳能集热器研究的一个热点。微通道具有结构紧凑、体积轻巧、换热高效等特点[4]，本文基于微通道这些优点设计了一个微通道集热器，并采用Matlab软件在计算机上建立模型对微通道集热器和传统的管翼式集热器进行仿真[5]，比较了微通道集热器与传统平板集热器的效率，评价了微通道集热器工作性能，为实际生产提供了借鉴作用。

1 微通道集热器结构

微通道集热器的结构如图1，其基本组成部分如下：

(1)吸热板，微通道集热器内吸收太阳辐射能并向工质传递热量的部件，采用1.5 mm×12.5 mm的矩形微通道扁管(该结构中，流体与吸热板接触面较大，换热均匀，其结构如图2)作为微通道换热器的流管，再将所有微通道流管的两端分别与集流管相连，形成一个紧凑的微通道板，在其上表面电镀一层黑铬作为微通道集热器吸热板。

(2)透明盖板：平板型集热器中覆盖吸热板、由透明(或半透明) 材料组成的板状部件。它的功能主要是透过太阳辐射，使其投射在吸热板上；保护吸热板，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀；形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。

(3)集管：分入口管和出口管，与吸热板各微通道流管组成流体循环系统，将吸热板吸收的热量供给需要加热的流体。

(4)隔热层：集热器中抑制吸热板向周围环境散热的部件。

(5)外壳：平板型集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。

图1 微通道集热器结构图

图2 微通道扁管结构图

2 系统模型及条件

2.1 系统模型

(1)热损数学模型

平板型集热器热损计算公式[6]

式中QLC——平板集热器总热损系数；

Ua、Ub、Ut——边壁和底部热损系数;

tp——吸热板温度/℃；

ta——环境温度/℃。

由于吸热板底部及四周都包有保温材料，因此底部和边壁热损较少，只需考虑顶部热损，根据Klein经验公式[7]，顶部热损失系数Ut

式中 n——盖板数目；

C——集热器倾角影响系数，常数；

hw——风与盖板的对流换热系数；

εg——玻璃发射率；

εp——吸热板发射率；

f——常数,f=f(εg,hw,n)

(2)板温计算数学模型

吸热板平均温度计算公式[8]

式中 Tf,i——入口水温/℃；

Qu——集热器有效能量收益；

Ac——集热器面积/m2；

UL——热损系数/W·m-2·℃-1；

FR——热量转移因子；

F′——效率因子；

Rp-f——吸热板与流管间的换热热阻。

其中，FR、F′、Qu和Rp-f的计算公式由文献[7]给出。

(3)水侧换热模型

Qu=mwcpw(to-ti)

式中mw——水的质量流量/kg·s-1；

Cpw——水的比热容；

to——出口水温/℃；

ti——入口水温/℃。

2.2 条件设置

本文采用循环式太阳能热水系统为研究对象，与直流式太阳能热水系统[7-10]相比，水与集热器之间的换热动态特性会加强，换热效率会有所提升，同时能有效减少水垢产生。将产水温度设定为55℃，可用于盥洗、沐浴和洗涤用，完全可以满足用户对水温的要求[11]。初始冷水温度为17℃，当水箱内水温低于55℃时，循环泵工作，使冷水流过集热器，与吸热板进行循环换热；当水温达到55℃时，循环泵停机，太阳能热水机组停止工作。设定太阳辐射强度为800 W/m2，太阳辐射透过玻璃盖板垂直射到金属集热板上使集热板温度上升，集热板将太阳能转化为热能，与流管进行稳态传热，由管道中的水将热量带走。由于水箱内储水量较大，太阳能热水器加热水的各时间点，可视为一个稳态换热过程。建立一水平放置的平板集热器模型，长度为2 m，宽度为1 m，流管数随管间距变化。吸热板厚度1 mm，流管和吸热板材质，微通道集热器为铝，传统集热器为铜。盖板到吸热板距离40 mm，底部和边壁绝热，环境温度为17℃。玻璃板物性参数：吸收率0.12，透过率0.92，发射率0.85，密度2 220 kg/m3，比热容830 J/(kg·℃)。吸热板和排管物性参数：吸收率0.96，发射率0.17，密度8 978 kg/m3，比热容381 J/(kg·℃)。为便于对比分析，设置了管径为15 mm，管间距分别为50 mm、100 mm、125 mm的传统平板型集热器，做对比仿真分析，其中50 mm管间距为管翼式平板集热器最佳管间距[12]，100 mm、125 mm管间距为市面销售的平板热水器较常见的，下文中分别以W50 mm、W100 mm、W125 mm对这三种热水器做区分，各集热器结构参数如表1所示。

表1 各集热器的仿真参数

3 模拟结果及分析

在稳态条件下，比较了微通道集热器和不同管间距传统集热器的平均板温、热流损失，仿真结果如图3、图4、图6、图7。微通道、W50、W100、W125四种类型集热器分别由a、b、c、d表示。图3、图4显示了各集热器在不同入口水温条件下吸热板的平均温度和吸热板的热损系数，用于评价工作性能。图6、图7显示了各集热器相同的环境条件下板温和瞬时集热效率随时间变化趋势。

图3 板温随入口水温变化关系

图4 热损系数随入口水温变化关系

图5 集热器热流分析

由图3和图4可知，平板型集热器吸热板平均温度和热损随着入口水温的升高而升高，在相同的入口水温下，微通道集热器的平均板温和热损系数明显低于传统平板集热器；在传统平板集热器中，平均板温和热损系数随着管中心距增大而增大。集热器的集热板吸收太阳辐射，通过管翼把热量传递给管中流体使其升温，如图5所示。传统平板集热器中，管中心距小的集热器较管中心距大的吸热板管翼吸收的太阳辐射量少，除去向管中流体传递的热量,管本身所剩余的热量较少，相应吸热板温度也较管中心距大的集热器低。而微通道集热器流管管翼最大长度只有0.5 mm，因此相对传统平板型集热器来说，吸热板温度更低。集热板温度对平板集热器的热损有重要的影响，集热板温度越低，热损越小；吸热板温度越高， 集热器热损越大。

图6 水温随时间变化关系

图7 瞬时集热效率随时间变化关系

图6和图7是在相同的环境条件下将100 L水加热到55℃水温和瞬时集热效率[13]随时间变化的趋势，由图可以看出，传统平板型集热器中，管中心距越小，热损越低，加热所用的时间越短，瞬时集热效率越高。将水加热到设定温度微通道集热器所用的时间明显要短，而加热过程中的瞬时集热效率明显要高；从表2的仿真结果可以看出微通道集热器在设定的环境条件下，平均集热效率最高，比最佳管间距的传统平板集热器要高出9.3%比市场常见的两种集热器分别高20.6%、30.6%。

表2 各集热器的平均集热效率

4 结论

本文针对目前平板型集热器集热效率较低的现状，设计了一款微通道集热器，运用Matlab软件仿真计算了微通道集热器和管翼式平板集热器的平均板温、热损、瞬时效率以及水温随时间变化的过程。讨论分析了稳态条件下微通道集热器性能以及管中心距对管翼式集热器效率的影响。经过对仿真结果的分析可以得出以下结论：

(1)传统平板型集热器在管径相同的情况下，管中心距越小，吸热板平均温度越低，热损越小，集热效率越高。

(2)微通道集热器的吸热板的平均温度明显低于管翼式平板集热器，热损明显小于管翼式集热器；在加热同等体积水的时候，微通道集热器所花的时间要短，瞬时集热效率要高，其平均集热效率比最佳管间距的平板式集热器高9.3%，此仿真结果证明微通道集热器的集热性能明显优于传统平板式集热器。

[1]郝庆英,高震,董丽艳.多功能太阳能采暖集热器研究[J].节能技术,2004,22(1):56-61.

[2]陈永强，毛汉领，黄振峰.太阳能辅助燃煤热发电系统的探讨[J].电网与清洁能源，2011,27(5):81-84.

[3]彭运吉,王鲁振.平板型太阳能集热器的研究进展[J].能源与节能,2011(8):15-16.

[4]孟繁鑫,张大林.微小矩形通道内流动与换热特性[J].南京航空航天大学学报,2009,41(3):316-318.

[5]Damir Dovic, Mladen Andrassy. Numerically assisted analysis of flat and corrugated plate solar collectors thermal performances[J].Solar Energy,2012,86(9):2416-2431.

[6]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.

[7]J A Duffie, W A Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes[M].Wiley,New York,N Y 1991,122-127.

[8]喜文华.太阳能实用技术[M].甘肃:兰州大学出版社,158-162.

[9]李玉万,丁昀,杨庆.定温差直流式太阳能热水系统不同工况下的数值模拟与分析[J].能源与节能,2012(1):6-9.

[10]Aye Lu; Charters W W S, Chaichana C. Solar heat pump systems for domestic hot water[J].Solar Energy,2002,73(3):169-175.

[11]WANG Y F, Li Z L, SUN X L. A“once-through”solar water heating system[J].Solar Energy,1982,29(6):541-547.

[12]Allen S R, Hammond G P, Harajli H A , McManus M C, Winnett, A. B, Integrated appraisal of a Solar Hot Water system[J].Energy.2010,53(3):1351-1362.

[13]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,17-18.

[14]倪贝,丁昀.直流式系统中平板型太阳能集热器数值模拟研究[J].节能技术,2011,29(1):20-21.

[15]刘伟胜.平板型太阳集热器热性能评价方法的研究[J].太阳能学报,1989,10(4):387-393.

PerformanceSimulationofMicro-channelCollector

JIANG Zhi-jie, PAN Yong, LI Xu-jun

(Faculty of Materials & Optoelectric Physics, Xiangtan University, Xiangtan 411105,China)

Concerned with low collector efficiency of traditional flat-plate solar collector, we designed a micro-channel heat collector. Using numerical simulation, we studied the working conditions of micro-channel collector, and analyzed the impact of the flow tube center distance on the instantaneous collector efficiency of traditional flat-plate solar collectors under steady-state heat transfer condition. The results show that: under the same conditions, the smaller the flow tube center distance of the traditional flat-plate solar collector is, the higher the efficiency will be；The collector efficiency of micro-channel heat collector is 9.3% higher than the traditional flat-plate collector with the best tube center distance，and it is 20.6%, 30.6% higher than the commonly used two flat-plate collectors. These can be used for optimizing design parameters of flat plate solar collectors, and provide a basis for the micro-channel heat collector production.

micro-channel collector; flat-plate solar collector; collection efficiency; steady-state heat transfer; performance simulation

2014-02-17修订稿日期2014-05-14

国家自然科学基金资助项目(11372267)

蒋志杰(1987～)，男，硕士研究生，主要从事太阳能热水器性能研究。

TK512

A

1002-6339 (2014) 05-0423-04