关于太阳能相变蓄热系统的研究与分析

程文平　刘习武　胡庆松

摘 要：阐述了太阳能蓄热技术的发展背景，说明了太阳能相变蓄热系统的工作原理。通过改变散热管形状和分布方式，增加换热面积来提高蓄热效率的技术方案。并对系统的特点进行分析，归纳了系统在应用中所面临的问题。提出把探索新型相变材料和研发太阳能蓄能热泵集成系统作为未来发展的方向，以此提高系统设备的蓄热效率，降低热损失。

关键词：太阳能蓄热技术；相变蓄热系统；相变材料；蓄热效率

引言

随着现代社会经济的高速发展，寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。在余热和太阳能能量利用系统中，采用合适的相变蓄热材料可以提高能源利用效率，还能解决供需双方在时间、地点、强度上不匹配的矛盾[1]。相变蓄热技术在太阳能利用、电力的调峰、废热和余热的回收利用等领域具有广泛的应用前景。因此，为了能广泛利用太阳能，就必须解决技术上的问题，提出效率更高的改进方案，从而在經济上同常规能源相竞争。

太阳能蓄热系统的水循环系统是一个封闭的系统，在循环水循环加热过程中会产生一些不凝气体或汽水热气，从而导致换热系数的降低，使得太阳能无法充分利用[2]。现有技术的太阳能蓄热系统中，基本上采用非相变材料，蓄热能力差。针对上述问题，太阳能相变蓄热系统能够解决换热系数低以及蓄热能力差的问题。

1 太阳能相变蓄热系统的工作原理

太阳能相变蓄热系统，包括集热器、箱体、循环泵和散热管，散热管设置在蓄热箱体中，如图1所示。集热器加热的热水经过散热管，通过散热管将热量传递给蓄热箱体，蓄热箱体内设置相变蓄热材料。相变蓄热材料一般是石蜡或脂肪酸或者石蜡和脂肪酸混合物[3]。

为了能增加换热面积，散热管为并联或串联的多个，从而形成连片式散热管，并在散热管外部设置翅片。沿着热水的流动方向，外部翅片高度不断的增加，高度增加的幅度越来越大。通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积。散热管是板翅式散热管，板翅式散热管包括扁管和设置在扁管中的翅片，其中扁管包括互相平行的管壁，翅片设置在管壁之间；翅片包括倾斜于管壁的倾斜部分，在倾斜部分上通过冲压方式加工突尖，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通，其中突尖从倾斜部分沿着热水流动方向向外延伸，如图2所示。

翅片包括水平部分，水平部分与管壁平行并且与管壁贴在一起，倾斜部分与水平部分连接；突尖为等腰三角形，等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b， 突尖的延伸方向与热水的流动方向的夹角为a，倾斜部分与管壁之间的锐角的夹角为c，示意如图3所示，满足如下公式：

2 太阳能相变蓄热系统的特点及发展方向

太阳能相变蓄热系统优势在于：一是太阳能是一种清洁、可持续的能源，应用它可减少环境污染，有利于生态平衡，带来明显的节能效益；二是相变材料潜热蓄热具有蓄热密度大、蓄热、释热温度稳定等优点。故在太阳能系统中应用相变蓄热材料的前景十分可观。其缺点主要是：一是系统的初投资较高，整个系统从设计到建成的管理都比常规系统难度大得多，必须保证足够的先进、可靠[4]；二是目前应用于太阳能蓄热的相变材料温度均维持中低温状态，无法用来蓄冷。为克服此问题， 应继续探索适合的高温相变蓄能材料，以使系统可同时实现蓄冷和蓄热功能。

为能够使太阳能相变蓄热技术发挥更高效率，拟将太阳能利用技术、热泵技术、蓄能技术等单一技术有机结合，构成一种“高位能+再生能源-供热（冷）-废弃物-再生能”的闭环循环蓄热（冷）模式。形成根据实际功能需求来配置各种能源，使多种能源和技术更好地结合和应用的路线。不断提高系统设备利用率，降低蓄热器向环境的散热量。

3 结束语

文章阐述了太阳能相变蓄热系统研究的必要性，提出了提高蓄热效率的技术方案，并对系统的特点进行了分析。经济的高速发展导致对能源的需求量越来越大，而太阳能通过合理的采集和运用，将会发挥巨大的作用。逐步探索相变新材料，研究开发太阳能蓄能热泵集成系统，从而使得多种能源和技术更好地结合，全面应用到各行业领域中。

参考文献

[1]Hans Martin Henning. Solar Assisted Air Conditioning in Buildings[M].Springer Wien New York，2004.

[2]唐刚志，李隆健，崔文智，等.针翅管式相变蓄热器传热特性的实验研究[J].郑州大学学报（工学版），2008，29（3）：69-72.

[3]苏德权，王方，王全福.太阳能相变蓄热系统浅析[J].应用能源技术，2011（4）：47-49.

[4]马贵阳，郑平，龚智立.相变蓄热装置的研制及放热性能测试[J]. 辽宁石油化工大学学报，2005，25（4）：55-57.