新型相变蓄热式太阳能集热管及热性能研究

上海海事大学蓄冷技术研究所■华维三章学来罗孝学刘宇飞

新型相变蓄热式太阳能集热管及热性能研究

上海海事大学蓄冷技术研究所■华维三章学来*罗孝学刘宇飞

结合太阳能真空集热管和相变蓄热材料的特点，提出了一种集热/蓄热一体化的新型相变蓄热式太阳能集热管，该集热管主要由金属-玻璃真空集热管、螺旋换热管和相变蓄热材料组成。通过室外蓄放热性能实验进行性能测试，结果表明：该新型相变蓄热式太阳能集热管集热效果良好，集热温度可达80℃以上，可很好地应用于热水供暖领域；以石蜡为相变蓄热材料，单根集热管的蓄热量可达3.25 MJ；放热过程中，有效得热量为873.6 kJ，放热损耗率为0.602；在保温性能上，温降率达1.67℃/h，保温性能待进一步提高。

太阳能；太阳能集热管；相变材料；石蜡；螺旋管

0　引言

太阳能易受地域、天气等因素影响，不能24 h源源不断地为用户提供能量，这种间隙性和分散性缺点，严重阻碍了人类对它的充分利用［1，2］。然而，随着相变储能技术的不断发展，太阳能的这种缺点得到了一定的改善。利用相变储能技术和太阳能集热器将白天充足的太阳能进行高效的吸收和储存，这不仅可以克服太阳能间隙性和分散性的缺点，还可节约大量的电加热运行费用［3-5］。

近年来，国内外很多学者对相变储能技术和太阳能热利用技术的结合进行了大量研究［6-11］。如杨斯涵［12］提出了一种与太阳能集热水箱耦合的相变储能系统，并进行相应的测试和模拟分析。结果表明，集热水箱加入相变蓄热器改善了释能过程的水箱内热分层效果，提高了进入水箱的释热总量。而国外，Eman-Bellah S Mettaweea等［13］研究了一种新型太阳能复合相变集热器，该集热器集热/蓄热一体化，没有水箱。对该集热器进行户外蓄放热实验，结果表明：平均换热系数随着相变蓄热材料熔化层的增厚而增大，有效得热量随着水的质量流量增加而增加。

综上所述，国内外对太阳能和相变蓄热结合的研究已有很多，但将太阳能真空集热管与相变蓄热进行一体化的研究还较少。本文提出将相变蓄热技术应用于渐进成熟的金属-玻璃真空集热管中，将其做成一种新型集热/蓄热一体化的太阳能相变集热管。多根太阳能相变集热管串接或并接起来，又可得到无水箱的相变蓄热式太阳能集热器。这种无水箱的相变蓄热式太阳能集热器是玻璃金属太阳能真空管与纳米复合相变蓄热材料的有效耦合，可对太阳能进行有效吸收和储存，并实现太阳能热水器的无水箱、防炸管、高蓄热量。因此，该新型相变集热管具有一定的创新性和实用性，值得深入的研究和开发。

1　相变蓄热式太阳能真空集热管

1.1结构介绍

图1为相变蓄热式太阳能真空集热管（简称相变集热管）实物图，其主要组成元件及参数如下：金属-玻璃真空集热管，外径120 mm、内径100 mm、长1000 mm，外管为高硼硅玻璃、内管（吸热体）为不锈钢材质，太阳吸收比＞0.94、发射比0.06，由皇明太阳能（上海）有限公司提供；螺旋换热管，外径10 mm，螺旋总长2.3 m，表面积0.072 m2，由金属铜管加工而成；相变蓄热材料为高效切片石蜡，其相变温度为58～60℃，由上海永华石蜡有限公司提供；密封法兰，由铝合金加工而成；金属支架，为不锈钢材质。相变蓄热式太阳能真空集热管无需水箱、蓄热量大、能承压和防炸管，可对白天充足的太阳能进行有效吸收和储存。

图1相变蓄热式太阳能真空集热管

图2为相变集热管的剖视图，其中相变蓄热材料密封于玻璃-金属集热管中；玻璃-金属集热管外层为玻璃、内层为金属，两者之间抽为真空；螺旋换热管埋于相变材料中，其中心管由上至下布置有测温点P1、P2和P3；螺旋换热管的进口端和出口端固定在法兰盘上；法兰盘用于密封相变蓄热材料和固定螺旋换热管，其中心孔上开有一个释压孔。整个相变集热管利用玻璃-金属内管外表面上的选择性吸收涂层进行太阳能的吸收，利用集热管内的相变蓄热材料进行太阳能的热储存。

图2　集热管剖视图

1.2运行原理

晴朗的白天，太阳光透过玻璃-金属真空集热管的外管和真空层照射在带有选择性吸收涂层的金属内管上，金属内管由此开始吸热，温度升高，同时将热量传递给封闭在其内的相变蓄热材料；相变蓄热材料得到热量后，开始进行显热储存和潜热储存，并将多余热量传递给埋在其中的螺旋换热管；螺旋换热管得到热量后将加热其内的传热工质，传热工质得到热量后就可将热量输送到所需之处，当白天太阳能充足而又不使用热量的情况下，相变集热管将积蓄越来越多的热量；积蓄热量过多可能导致集热管过热，此时法兰盘上的释压孔将发挥其作用，可有效缓冲过热产生的压力。

在没有太阳光和用水量大的情况下，该新型相变集热管将发挥它的关键功能。往螺旋换热管里通入冷水，则金属内管里的相变蓄热材料将释放在白天储存的大量热量，以此加热螺旋换热管和其内的冷水，从而实现集热器的连续放热功能。放热过程为显热放热和潜热放热的综合。

1.3测试系统

为了测试相变蓄热式太阳能集热管的热性能参数，搭建了图3所示的实验测试系统。该实验测试系统主要由相变蓄热式太阳能集热管、太阳能辐射仪、循环式恒温槽和安捷伦数据采集仪组成。其中，太阳能辐射仪用于测试当日的太阳能直射辐射值；循环式恒温水槽作为系统的水循环动力和模拟储水箱，槽内布置有水温测试点；安捷伦数据采集仪用于采集转换系统的所有温度信号和太阳能辐射值。本实验系统通过相变蓄热式太阳能集热管中布置的P1、P2、P33个测温点，可测试相变集热管的蓄热量、放热效率和温降率等热性能参数。

图3　实验测试系统

2　实验测试及分析

实验主要分为蓄热实验、保温实验和放热实验，蓄热实验在晴天的10:00～17:00进行，蓄热时长7 h；保温性能实验在第一天20:00至第二天05:00进行，历时9 h；放热性能实验在17:00点后进行，放热过程用循环式恒温水槽模拟循环水泵和储水箱（恒温槽循环水流量为120 L/h，水槽总容积为18 L，恒温槽内水的初始温度为30℃）。实验采用的相变蓄热材料为石蜡，其主要参数为：相变温度58～60℃、相变潜热189～220 kJ/kg、比热容2.14～2.9 J/（g·K），导热系数0.21～0.55 W/（m·K）。

2.1相变集热管的蓄热性能

图4为相变集热管的蓄热性能曲线图（实验从2015年5月19日10:00开始）。从图4可看出：蓄热开始前，P3点的温度高于P1点和P2点的温度；而蓄热过程进行1 h后，P1、P2和P3点之间的温差出现较大的偏离和交叉，P1点的温升速度明显大于P2点和P3点的温升速度；由于P2点处于相变集热管的中部，因此该点的温度介于P1点和P3点之间；而P3点处于相变集热管的底部，所以蓄热开始后温升较慢，温度处于最低。P1、P2和P3点之间蓄热前后的这种温度分布，符合材料热胀冷缩和热上浮冷下沉的原理。3条测温曲线在60℃时都有一个小小的平台，此平台为石蜡的相变平台，在该平台段内，相变材料温度不变，保持相变潜热蓄热。在整个蓄热过程中，相变集热管内存在热分层现象，蓄热效果好，可很好地应用于日常生活热水。

图4　相变集热管的蓄热曲线

2.2相变集热管的放热性能

当集热器内相变蓄热材料的温度为65℃时，进行相变集热管的放热实验。放热实验开始前，将恒温槽循环泵的流量设置为120 L/h，并往恒温水槽内注满16 L 30℃的自来水。待所有准备工作完成后，打开恒温槽循环泵，得到图5所示的放热曲线（实验从2015年5月21日17:00开始）。从图5可看出，在放热的前15 min内，相变集热管内相变蓄热材料的温度下降较快，温度从65℃降到了45℃；而恒温槽内自来水的温度上升较快，前15 min内上升了12℃。相变集热管内的相变蓄热材料导热系数本身很低，但在本实验中能快速地放出热量，这得益于相变集热管内的螺旋换热管。螺旋换热管是一种优良的传热结构，它具有单位体积内换热面积大、换热均匀等优点，可广泛应用于相变蓄热装置中［14，15］。在放热持续15 min后，相变集热管内相变蓄热材料的温度和恒温槽内自来水的温度都变化缓慢；特别是在35 min以后，二者之间的温度几乎趋于稳定，平衡于43℃。仔细观察相变集热管内3个测点的温度变化曲线，还可发现其温度存在上下波动的现象，而并非平滑的下降。经分析，这主要是相变材料的缓慢凝固、部分凝固、固液共存和潜热放热引起的，这种现象与相变对流的传热规律相吻合。

图5　集热管的放热曲线

2.3相变集热管的保温性能

将相变集热管顶部法兰盘处用3 cm厚保温棉进行包裹，以减少法兰盘和进出口水管与环境接触散热。实验由2015年5月20日20:00开始，历时9 h得到图6所示的保温曲线。从图6可看出，在相变集热管静态情况下35°倾角放置时，管内存在明显的热分层现象，测温点P1（顶部）的温度始终处于最低，P2点（中部）的温度次之，而P3点（底部）的温度最高。相变集热管内相变蓄热材料静态情况下的这种温度分布与集热管的结构和放置有关。因为相变集热管处于35°倾角放置，P1、P2和P3之间存在高度差，按照液体静置时热上浮冷下沉的原理，P1、P2和P3之间的温度大小关系应为P1＞P2＞P3，然而本实验结果不符合这种大小分布关系，管内实际温度分布为P1＜P2＜P3，这主要是由真空管自身的设计结构引起的（真空管中下部为真空结构、散热量小，而顶部为金属法兰盘结构、散热量大，因此管内相变蓄热材料由顶部开始降温和凝固）。对于相变集热管的保温性能，可从图6所示的温降曲线来分析。经过夜间9 h的温降后，相变集热管内的相变蓄热材料温度从80℃降到了约65℃，温降率为1.66℃/ h，因此保温不是很好，后期应加强保温。

图6　集热管的保温实验

3　相变集热管的热性能分析

3.1有效蓄热量

相变集热管的总蓄热量Q可由式（1）来计算：

式中，c、m、h分别为石蜡的比热容、质量、潜热值；ΔT1、ΔT2为温差，ΔT1=T相-T1，ΔT2= T2-T相，其中，T1为相变蓄热材料的起始温度，T2为相变蓄热材料的终止温度，T相为相变温度。

将T1=30℃、T2=80℃、T相=59℃、c=2.5 J/ （g·K）、h=200 kJ/kg、m=10 kg代入式（1），可计算出单根相变集热管相变蓄热材料的蓄热量为3.25 MJ。

3.2放热损耗率

根据能量守恒定律和传热学定理，可得到相变集热管的有效得热量和放热损耗率为：

式中，Qp为相变集热管中相变蓄热材料石蜡的放热量，kJ；Qw为16 L水的有效得热量，kJ；q损为相变集热管放热过程中的放热损耗率；cw、mw分别16 L水的比热容和质量；Tp1为相变蓄热材料放热前的温度，Tp2为放热后的温度，ΔTp1= T相-Tp1，ΔTp2=Tp2-T相；ΔTw=Tw2-Tw1，其中，Tw1为恒温水槽内自来水的起始温度；Tw2为恒温水槽内自来水的终止温度（假设恒温水槽为绝热）。

以图5所示的放热过程为例，则相变集热管的有效得热量为873.6 kJ，放热损耗率为0.602。

3.3平均温降率（环境温度）

实验装置利用真空管的真空性能进行保温，真空度的大小对保温性能的影响较大。实验所用的玻璃-金属真空集热管的理论真空度为10-4～10-3，成品真空管真空度为固定值，实验过程中无法改变。利用相变集热管在夜间的温度变化起始点、终止点和保温持续时间，可建立相变集热管的平均温降率公式：

式中，μ为相变集热管平均温降率，℃/h；Tb1为相变蓄热材料的起始温度，℃；Tb2为相变蓄热材料的终止温度，℃；t为时间，h。

结合图6的保温曲线，将Tb1=80℃、Tb2= 65℃、t=9 h带入式（5），则可计算出相变集热管在环境温度为26℃时的平均温降率为1.67℃/h。

4　结论

相变蓄热材料可很好地密封于玻璃-金属热管中，二者耦合具有很好的集热/蓄热性能。在蓄热过程中，管内相变蓄热材料温度可达80℃以上，出水温度主要集中在45℃左右。若将相变集热器单元串接或并接起来，便可得到无水箱相变蓄热式太阳能集热器，可广泛应用于城市高层建筑的热水和供暖。

然而实验测试结果表明，相变集热管的放热速率、有效放热量和保温性能仍有待提高。对于相变集热管放热速率，后期可利用相变温度和相变潜热值较高的相变蓄热材料替代石蜡。对于有效得热量，提升的空间还很大，下一步可通过减小传热温差和减少热耗散来提高有效得热量。而在保温性能方面，相变集热管的夜间平均温降率为1.66℃/h，热耗散较大，主要是因为相变集热管顶部为金属法兰盘结构，保温采用保温棉包裹，保温性能较差。后期可利用聚氨酯整体发泡来提高相变集热管的保温性能，从而降底平均温降率。

综上所述，新型相变集热管具有集热/蓄热一体化功能、结构简单和充放热稳定的特点，若克服其现有的缺点，则可将其广泛应用于空间受限的城市热水供暖领域，对我国节能减排也具有重要的意义。

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2015-08-26

上海市教委重点项目（12ZZ154）；上海海事大学研究生创新基金资助项目（SMU201405）

章学来（1964—），男，博士、教授，主要从事蓄能技术方面的研究。weisanhua@yeah.net