微热管阵列式太阳能空气集热-蓄热系统性能试验

王腾月，刁彦华，赵耀华，朱婷婷，魏向前，白凤武



微热管阵列式太阳能空气集热-蓄热系统性能试验

王腾月1，刁彦华1※，赵耀华1，朱婷婷1，魏向前1，白凤武2

（1. 绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京工业大学，北京100124；2. 中国科学院太阳能利用及光伏系统重点实验室，中国科学院电工研究所，北京100190）

该文采用了以微热管阵列（micro heat pipe arrays, MHPA）为核心元件的真空管型空气集热器与新型相变空气蓄热器，设计搭建了以空气为传热介质的太阳能集热-蓄热系统。集热器采用微热管阵列与真空管结合的新形式，蓄热器以相变温度42 ℃的月桂酸为蓄热相变材料，测试了系统在不同空气流量下集热过程的集热效率，蓄放热过程中蓄热放热的时间、功率，并在不同空气流量下对蓄热器的蓄热、放热特性进行了研究。研究表明：空气流量240 m3/h工况下，集热效率最高；蓄热器的蓄热时间和放热时间最短，蓄热功率和放热功率最大，分别是633和486 W；而空气流量60 m3/h能提供更加稳定的出口温度与放热功率，在供暖与干燥领域更加适用。集热-蓄热过程和放热过程阻力分别小于327和40 Pa，说明放热过程系统阻力损失较小，选用功率较小的风机就可提供空气流动的动力。

太阳能；相变材料；传热；微热管阵列；集热-蓄热系统

0 引 言

太阳能是清洁、无污染的可再生能源，它分布广，容易获取，资源丰富，因此有效合理利用太阳能是节约能源的重要途径。太阳能空气集热器是一种简单的通过太阳能加热空气的装置，它在农作物种子的干燥[1]，水果和蔬菜干燥[2-3]的领域应用很多，此外它与辅助能源的结合还可应用在冬季建筑的供暖[4]。由于太阳能资源具有季节性和不连续性，因此需要用蓄热器把集热器产生的热量储存起来，用以延长太阳能的利用时间，以期达到太阳能资源的最大化利用。目前以水为传热介质的真空管太阳能集热器是最为普遍和成熟的技术，但是这种集热器存在冬季冻漏的问题，因此以空气为传热介质的集热器的技术研究受到广泛关注。而蓄热器多采用相变蓄热技术，合理的相变材料和蓄热装置是保证蓄热器高效运行的关键。因此，将高效的空气集热器与蓄热器结合起来应用，可以有效的应用于空间供暖和农产品的干燥，也是节约能源的有效途径。

国内外很多科研工作者对空气集热器和蓄热器进行了大量的研究工作。赵冰等[5]通过平板型太阳能集热器和热管式真空管太阳能集热器的对比试验，发现热管式真空管太阳能集热器的集热效率波动较小。王金平等[6]分析了槽式太阳能集热器的传热特点，发现集热器的瞬时热效率随传热工质温度的升高而下降。袁颖利等[7]对新型内插管式太阳能空气集热器进行了试验研究，以轮廓采光面积为基准的平均集热效率约为50%，集热性能稳定。Zhu等[8]研究了一种新型的太阳能空气集热器，并对集热器在不同季节不同风量下的热效率和压力损失进行了分析，该集热器将微热管阵列技术应用到集热器中，不仅改善集热器热性能，也比传统真空管太阳能空气集热器减小了流动阻力。朱婷婷等[9]设计了一种微热管阵列式太阳能空气集热器，它具有结构简单，集热效率稳定的特点。Tanda[10]指出在所研究的中低雷诺数范围内，肋粗糙通道比平滑通道更能提高集热器的集热性能。Paradis等[11]对两端通孔型全玻璃真空管太阳能集热器进行研究，建立数学模型并进行试验验证，集热效率能达到70%左右，但是制造成本高。

在蓄热器研究方面，王增义等[12]将热管作为换热元件应用于相变蓄热系统中，研制了一种套热管式相变蓄热器，对其蓄放热过程进行了研究分析。胡凌霄等[13]利用Fluent软件模拟了带有环形肋片相变储能设备中石蜡的相变融化过程，得到了石蜡熔化过程温度场分布及熔化时间规律。Li等[14]设计了一种以月桂酸为相变材料的空气蓄热器，在不同空气流量和进口温度的条件下对其蓄热器内部温度分布以及蓄热和放热功率进行了试验研究分析，相变蓄热装置应用了新型微热管技术，蓄放热温度均匀，性能稳定、高效。Liu等[15-16]提出一种热管式新型相变蓄热装置，在不同进口温度和流量下进行测试，结果表明蓄热装置可以稳定高效的蓄热和放热。Zhao等[17]将金属泡沫添加到石蜡中，结果表明金属泡沫大幅度提高了相变过程的换热。Dolado等[18]提出一种PCM空气蓄热器，采用带凹穴的平板封装相变材料，建立数值模拟并用试验验证。Malan等[19]建立了一种热管带翅片的模块化相变蓄热系统，并被成功应用在太阳能塔式发电中。

对于太阳能集热与相变蓄热相结合而形成的系统，国内外也有一些科研工作者在研究。唐宗斌等[20-21]建立槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型，开发数值模拟程序，研究一天中太阳辐射强度非稳态变化引起的集热器出口工质温度波动对相变蓄热单元蓄热性能的影响规律。Esakkimuthua等[22]把太阳能空气集热器与相变蓄热器结合起来形成一种热量储存系统，研究其储热单元在不同空气流量下的充放热性能，得出在蓄热器入口温度恒定的工况下，放热过程在低流速下能利用更多的热量。Khadraoui等[23]设计了2种相似的空气集热器（一种带有PCM石蜡，另一种无PCM），研究发现有PCM集热器的日常能源效率可达到33%，而无PCM集热器的日常能源效率只有17%。Charvat等[24]通过试验与模拟的方法研究了带有潜热蓄热装置的空气太阳能集热系统，结果表明这种方式的太阳能集热系统具有更好的温度稳定性，工作温度可以稳定在更小的范围内。Enibe[25-26]设计了一种带有PCM储热装置的平板太阳能空气加热系统，并成功的应用于农作物的干燥。

本文基于微热管阵列式真空管型空气集热器和以月桂酸为相变材料的相变蓄热器，建立了一种新型太阳能集热-蓄热系统，该系统中集热器与蓄热器都以微热管阵列为核心传热元件[27-28]。本文通过试验研究的方法对该系统在不同空气流量下的集热、蓄热以及放热工况进行性能测试，为太阳能空气集热-蓄热系统的应用提供依据。

1 集热-蓄热系统结构及工作原理

1.1 集热器基本构造及原理

集热器采用微热管阵列与真空管相结合的形式，该集热器主要由集热单元、支架、轴流风机、风道组成，风道外壁粘贴挤塑保温板。集热器共有20个集热单元，每个集热单元由等截面直肋形的铝制翅片、微热管阵列和真空管组成。翅片规格55 mm×25 mm×80 mm，微热管阵列规格2 000 mm×40 mm×3 mm，真空管规格58 mm× 1 800 mm。装置如图1所示。

铝制翅片与微热管阵列通过导热胶连接，微热管阵列插入真空管内，为保证真空管与风道贯穿处的气密性，用橡胶圈密封真空玻璃管与风道的接触处并涂以密封胶。翅片放置在矩形风道内，风道两端做变径处理，用于连接轴流风机，整个集热单元与地面成45°角度放在支架上。该集热器的工作原理为：太阳光照射到真空管内表面，通过内部的吸热涂层吸收能量并加热真空管内的空气，并将热量传递给微热管，热管蒸发段吸收热量后，促进内部工质向上蒸发，在贴附翅片的冷凝段与风道内的空气进行换热，工质冷凝放热又流回至蒸发段，往复循环。这样，空气就实现了加热过程。

图1 真空管型太阳能空气集热器结构示意图

1.2 相变蓄热器构造及原理

本试验蓄热装置采用微热管阵列（micro heat pipe arrays, MHPA）式空气相变蓄热器，主要由蓄热箱体、微热管阵列组件（传热元件）、相变材料月桂酸、铁皮风道组成。箱体由3 mm厚不锈钢板组成，箱体尺寸是390 mm×105 mm×790 mm，其中蓄热段高度是470 mm，上下风道高度160 mm。微热管组件由微热管和V型翅片组成，通过焊接技术连接在一起。微热管内部填充的工质为丙酮，填充率是20%。蓄热器工作原理：该热管管段分为加热段、蓄热段和取热段，热管加热段受热后使得内部工质蒸发，将热量向上传递至冷凝段后再放出热量，然后再回流至蒸发段，如此反复循环，原理图如图2所示。

图2 微热管阵列（MHPA）相变蓄热器结构示意图

微热管阵列（MHPA）蓄热器结构示意图和实物图如图2和图3所示，其中相变材料选用月桂酸为相变材料，箱体填充月桂酸质量15.5 kg，填充率是89%，物理性质参数见表1。箱体外用铁皮做成平均厚度130 mm的空腔，在内部填充聚氨酯发泡剂，最后外表面再贴以铝箔。

图3 微热管阵列（MHPA）相变蓄热器实物图

表1 月桂酸物理性质参数

2 试验系统及试验方法

2.1 试验系统介绍

太阳能空气集热-蓄热系统主要由真空管型太阳能空气集热器、微热管阵列（MHPA）式空气相变蓄热器、轴流风机、管道、数据采集仪、电脑等设备组成，集热器与蓄热器通过PVC管和铁皮管道连接，管道直径是110 mm，用厚度35 mm保温套管包裹保温，最后在外表面贴以铝箔胶带。系统实物图和运行测试图如图4和图5，系统设备仪器用表见表2。

图4 太阳能空气集热-蓄热系统实物图

太阳能空气集热-蓄热系统运行原理是：集热-蓄热工况中，真空管集热器吸收太阳辐射并加热空气，空气通过微热管把热量传递给翅片，风道内的空气在轴流风机的驱动下与翅片进行对流换热并被加热，然后进入蓄热器的蓄热风道，蓄热风道内的翅片吸收热量后把热量传递给微热管，微热管内工质吸收热量蒸发并上升至冷凝段放热，热量通过微热管表面的翅片传递给相变材料月桂酸，相变材料被加热进行相变，实现蓄热，同时冷凝工质放热后又回到蒸发段继续吸收热量，实现往复循环。取热时，将蓄热风道与集热器隔离并将蓄热风道保温密封，然后打开取热风道，微热管从蓄热段的月桂酸中吸收热量传递至取热段，并通过轴流风机驱动下的低温空气以对流换热的形式取走热量，得到温度较高的空气，实现制取热空气的目的。

图5 太阳能空气集热-蓄热系统原理图

表2 系统仪表及设备用表

2.2 试验过程

试验工况：本试验采用在不同风量下对太阳能空气集热-蓄热系统的蓄热和取热工况进行测试，集热-蓄热工况下风量取值60、120、180、240 m3/h，取热工况下风量取值是60、120、180、240 m3/h。试验过程中空气密度会随着空气温度变化而变化，采用Ong[29]的密度修正方法对空气密度进行修正=1.1774−0.00359 (−27)，的单位是℃。

集热-蓄热试验：白天，首先将相变蓄热器的取热风道密闭保温，然后开启集热-蓄热系统的轴流风机1，调节风机风量以达到蓄热试验工况要求，同时用安捷伦数据采集仪采集数据，当蓄热器内部月桂酸温度（T20）达到65 ℃时导出数据，停止试验，此过程取月桂酸温度30～60 ℃为试验工况。取热试验：傍晚，当室外环境温度达到22 ℃左右进行取热试验，先把蓄热风道从集热-蓄热系统断开并进行密闭保温，然后打开取热风道，同时打开轴流风机，调节到所需试验风量，通过安捷伦数据采集仪采集数据，当蓄热箱体内月桂酸温度（T20）达到25 ℃左右，导出数据，并停止试验，取此过程月桂酸温度60～30 ℃为试验工况。

试验过程中，各个部件的温度测试布点如图6所示。

图6 测点布置图

2.3 计算方法

在试验测试中，主要通过集热器集热效率、蓄热器蓄热量、取热量、蓄热功率、取热功率和系统压力损失来评价系统集热-蓄热-取热的性能，相关的数据分析如下：

1）集热器的集热效率[30]：

式中载热工质体积流量，m3/h；A真空玻璃管吸热体面积，m2；T集热器载热工质空气的出口温度，℃；T集热器载热工质空气的进口温度，℃；载热工质空气的密度，kg/m³；Cair空气的比热，J/(kg·℃)；c太阳辐照度，W/m2。

2）MHPA蓄热器的实际蓄热量[31]

式中Q蓄热器理论蓄热量，kJ；PCM相变材料的质量，kg；相变材料的比热，kJ/(kg·K)；相变材料的结束温度，℃；相变材料的起始温度，℃；相变材料的相变潜热，kJ/kg；Al蓄热器中热管铝的质量，5.64 kg；Al铝的比热，kJ/(kg·K)。

3）MHPA蓄热器的输入热量[31]

式中in蓄热器的输入热量，kJ；T空气的进口温度，℃；T空气的出口温度，℃。

4）MHPA蓄热器的输出热量[31]：

式中out蓄热器的输出热量，kJ；T空气的进口温度，℃；T空气的出口温度，℃。

3 结果与分析

3.1 集热器集热特性及效率

本试验台位于北京工业大学暖通实验室楼顶，测试了北京地区4、5月份的室外环境温度、太阳辐照度、进出口温度等参数随时间的变化情况，测试了不同风量60、120、180、240 m3/h集热-蓄热系统的集热器性能和蓄热器性能。试验以蓄热器内部相变材料月桂酸温度在30～60 ℃的范围取对应集热器的时间范围值。图7所示是太阳辐照度和集热效率随时间的变化曲线。

图7 太阳辐照度、集热效率、环境温度随时间变化曲线

在整个试验测试范围内，太阳辐射强度都是先增大后减小，空气流量为60 m3/h的集热效率变化相对较大，其他流量下集热器的集热效率比较平稳，这是由于该天的太阳辐照度相对其他工况变化较大，这是影响集热效率的重要因素。4个工况中，在12:00以后，集热器的集热效率都随着太阳辐照度的降低而升高，这主要是因为真空管集热器的热惰性，当太阳辐照度降低时，集热器的进出口温度由于集热器的热惰性没有及时响应发生变化，进而导致集热效率出现升高的情况。

图7中，空气流量为60、120、180、240 m3/h工况下对应的集热器的平均集热效率分别是35.64%、38.00%、44.92%、51.33%。图7中显示，集热器的集热效率随着空气流量的增加而增大，240 m3/h时达到最大51.33%，出现以上结果的原因是当风道的空气流量增大时，流速增加，增强了管道内空气的扰动，加强了空气与集热组件翅片的换热；另外，在大风量工况下，集热器的平均温度更低，热损失相对较小。

图8所示是太阳辐射强度和风速对集热效率的影响，选取试验风量都是240 m3/h的3 d数据。

a. 风速

a. Wind speed

b. 太阳辐射强度

b. Solar radiation

注：风速1的变化范围为0.18～0.89 m·s-1，平均风速为0.53 m·s-1；风速2的变化范围为0.95～2.88 m·s-1，平均风速为1.77 m·s-1；对应的集热效率为1与2。太阳辐照度1的变换范围是788～904 W·m-2，辐照度3的变化范围是593～759 W·m-2；对应的集热效率为1与3。

图8 集热效率随风速和太阳辐射强度变化(240 m3.h-1)

Fig.8 Curve of collector efficiency with wind speed and solar radiation (240 m3.h-1)

图8a中，选取太阳辐照度和环境温度接近的2 d为试验工况，室外风速1的变化范围为0.18～0.89 m/s，平均风速为0.53 m/s；风速2的变化为0.95～2.88 m/s，平均风速为1.77 m/s。对应的集热效率1和2分别是50.5%和47.1%。结果表明集热器的集热效率受室外风速的影响，室外风速的增大会降低集热器的集热效率。室外风速的增大，加强了集热器表面与室外空气的对流换热，增加了热量的散失。

图8b所示是辐照度对集热效率的影响，选取环境温度和室外风速接近的2 d为试验数据。太阳辐照度1的变换范围是788～904 W/m2，平均辐照度是859 W/m2；辐照度3的变化范围是593～759 W/m2，平均辐照度是672 W/m2，对应的集热效率分别是50.5%和45.68%，可以看出，增大太阳辐射强度可以提高集热器的集热效率。

3.2 MHPA蓄热器蓄热特性

图9a是空气流量为60、120、180、240 m3/h，相变材料月桂酸的温度随时间变化情况，蓄热初始时刻，月桂酸以显热的形式储存热量，空气流量为240 m3/h下有更快的温升速率，温度增长较快；当到达相变温度以后，月桂酸以潜热的形式大量储存热量，以稳定不变的温度维持一段时间；当完成整个相变过程后，温度迅速升高，再继续以显热的形式储热。

a. 月桂酸温度

a. Lauric acid temperature

b. 蓄热功率

图9a显示，随着空气流量增大，相变时间会缩短，进而蓄热过程所用时间会减少，空气流量为240 m3/h最先完成相变过程和蓄热过程，出现上述现象主要是因为在蓄热器的传热过程中，空气侧的换热热阻较大，增加空气流量，流速增大，强化了蓄热风道内蓄热组件的换热特性。空气流量为60、120、180、240 m3/h下完成蓄热过程所用的时间分别280、194、190、161 min。可以看出，在试验流量范围内，提高空气流量可以有效缩短蓄热时间。

图9b是不同空气流量对蓄热功率的影响，不同空气流量下的蓄热功率都出现先增大后减少的趋势。这是由于在蓄热前半阶段，太阳辐照强度不断增大，被集热器加热的空气温度增长较快，同时初始阶段蓄热材料月桂酸的温度偏低，与加热流体空气存在较大的传热温差，导致了蓄热功率增加；在蓄热过程的后半阶段，太阳辐照强度减小，集热器出口（蓄热器进口）温度升高幅度下降，再加上蓄热箱体温度较高，温差驱动下的传热效果变弱，导致蓄热功率下降。

空气流量为60、120、180、240 m3/h下所对应的平均蓄热功率分别是360、518、525、633 W，蓄热功率随着空气流量的增加而增大。空气流量120和180 m3/h所用的蓄热时间和蓄热功率比较接近，这主要是由于空气流量120 m3/h的当天太阳辐照度高于风量180 m3/h的当天辐照强度。不同空气流量的工况下，蓄热过程蓄热器积累的蓄热量在5 950～6 130 kJ之间。蓄热过程试验说明：提高空气流量可以增加蓄热器的蓄热功率。

3.3 MHPA蓄热器放热特性

图10a所示是放热过程月桂酸温度随时间变化情况，放热工况在室外环境温度22 ℃左右下进行。初始阶段，相变材料月桂酸以显热的形式释放热量，温度快速下降，当降低到相变温度后，再以潜热的形式释放热量，这个阶段以稳定不变的温度持续较长的时间，完成相变后，再以显热的形式释放热量，温度快速降低。图10a显示，随着取热空气流量的增大，放热时间会缩短，空气流量为60、120、180、240 m3/h完成放热过程所用的时间分别是355、208、162、154 min。

图10 放热过程月桂酸温度/蓄热功率/出口温度随时间变化

图10b是不同空气流量对放热时间的影响情况，初始时刻，热量以显热的形式释放，放热功率迅速下降，之后出现一个折点，然后再以稳定功率放热一段时间，然后再以较快的速率下降，这个现象在风量较大的情况下较明显。出现折点现象是因为随着放热过程的进行，月硅酸温度下降，当达到相变时，温度稳定，以潜热的形式放热，这导致放热风道的进出口温差维持在稳定的范围内几乎不变，放热功率变化很小，当完成相变过程后，再以显热形式放热，放热功率下降。空气流量60、120、180、240 m3/h工况下对应的放热功率分别是209、360、461、486 W，整个放热试验工况，蓄热器放出的总热量在4 300～4 490 kJ之间。试验可以得出增大空气流量可提高平均放热功率，但是随着风量的增大，平均放热功率的增长幅度在不断变小。

图10c所示是放热过程蓄热器出口温度变化情况，进口温度是环境温度。空气流量为180和240 m3/h的放热时间、放热功率和出口温度比较接近，主要是因为风量180 m3/h当天的室外环境温度（进口温度）偏低，导致放热过程传热温差变大。4个工况中，空气流量60 m3/h可以提供更加稳定的出口温度，进出口温差的变化较小，进而放热功率更加稳定（图10b），在空间供暖或者农产品干燥领域，这个工况更加适用。

3.4 MHPA蓄热器保温性能

图11所示是蓄热器内月桂酸温度在傍晚室外环境温度下随时间自然衰减情况，该试验工况是在蓄热过程完成后，蓄热器的蓄热风道密闭保温的条件下进行的。自然散热过程从晚上20:10持续到次日早晨07:30，室外环境温度在17.1～10.6 ℃范围变化，室外风速在0.3～2.1 m/s变化，平均风速是0.85 m/s。

图11 自然散热工况下月桂酸温度随时间变化曲线

可以看出，随着时间推移和室外环境温度降低，相变材料月桂酸的温度从60.2 ℃一直降低到42 ℃，之后平稳不变，这是因为月桂酸温度降到相变温度，相变过程以潜热的形式散热，温度几乎不发生变化。整个自然散热过程持续11.3 h，温度降低18.3 ℃，热量散失594 kJ，热损失占13.2%，最终月桂酸温度维持41.6 ℃，说明了蓄热箱体的保温性能良好。

3.5 阻力特性

阻力特性也是评价系统的一个重要表征量，阻力的大小直接决定了风机功耗的大小和风机的选型。该试验工况选取集热-蓄热过程（加热过程）和蓄热器放热过程的4个不同空气流量的测试点，用压差计测量其压力损失，测试数据如下表3所示。

表3 压力损失测试表

图12可以看出随着风量的增加，两个过程系统的阻力损失都在增加。集热-蓄热（加热过程）试验中，当风量是240 m3/h时，系统最大阻力损失是327 Pa，这主要是由于系统的集热器阻力损失与蓄热器阻力损失由较长管道的阻力损失造成的。放热试验时，风量在240 m3/h以下，放热系统的阻力在40 Pa以下，说明放热过程的阻力损失较小，这样选用功率较小的风机就可提供空气流动的动力。

图12 集热-蓄热和放热系统阻力特性

4 结 论

1）研究表明，微热管阵列式集热器的集热效率比较稳定，随着空气流量的增大，集热器的集热效率逐渐增大，当风量是240 m3/h，平均集热效率是51.33%。

2）增加太阳辐射强度可以提高集热器的集热效率；室外风速增大，会降低集热效率。

3）提高空气流量可以缩短蓄热时间和提高蓄热功率，最短蓄热时间是161 min，对应最大蓄热功率是633 W。

4）增大空气流量，可以缩短放热时间和提高放热功率，最大放热功率是486 W，对应放热时间是154 min。

5）取热风量60 m3/h，蓄热器能提供更加稳定的出口温度与放热功率，更有利于空间供暖与农产品的干燥。

6）空气流量240 m3/h以下，集热-蓄热过程和取热过程阻力分别小于327和40 Pa。

[1] Chakraverty A, Das S K. Development of a two-directional air flow paddy dryer coupled with an integrated array of solar air heating modules[J]. Energy Conversion and Management, 1992, 33(3): 183－190.

[2] Sreekumar A. Techno-economic analysis of a roof-integrated solar air heating system for drying fruit and vegetables[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(11): 2230－2238.

[3] Amer B M A, Hossain M A, Gottschalk K. Design and performance evaluation of a new hybrid solar dryer for banana[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(4): 813－820.

[4] Zhao D L, Li Y, Dai Y J, et al. Optimal study of a solar air heating system with pebble bed energy storage[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(6): 2392－2400.

[5] 赵冰，王志峰，刘荣厚，等. 两种太阳能集热器的热性能对比分析[J]. 可再生能源，2006(3)：59－62.

Zhao Bing, Wang Zhifeng, Liu Ronghou, et al. Comparison and analysis on the thermal performance of two types of solar collector[J]. Renewable Energy, 2006(3): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[6] 王金平，王军，张耀明，等.槽式太阳能聚光集热器传热特性分析[J]. 农业工程学报，2015，31(7)：185－192.

Wang Jinping, Wang Jun, Zhang Yaoming, et al. Analysis of heat transfer characteristics for parabolic trough solar collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 185－192. (in Chinese with English abstract)

[7] 袁颖利，李勇，代彦军，等. 内插式太阳能真空管空气集热器实验研究[J]. 太阳能学报，2010，31(11)：1429－1433.

Yuan Yingli, Li Yong, Dai Yanjun, et al. Experimental study on thermal performance of evacuated tubular solar air collector with inserted tubes[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(11): 1429－1433. (in Chinese with English abstract)

[8] Zhu Tingting, Diao Yanhua, Zhao Yaohua, et al. Experimental study on the thermal performance and pressure drop of a solar air collector based on flat micro-heat pipe arrays[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 94: 447－457.

[9] 朱婷婷，刁彦华，赵耀华，等. 微热管阵列式太阳能平板空气集热器集热性能[J]. 农业工程学报，2016，32(11)：250－257.

Zhu Tingting, Diao Yanhua, Zhao Yaohua, et al. Thermal performance of new flat solar air heater based on micro-heat pipe arrays (MHPA)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 250－257. (in Chinese with English abstract)

[10] Tanda G. Performance of solar air heater ducts with different types of ribs on the absorber plate[J]. Energy, 2011, 36(11): 6651－6660.

[11] Paradis P L, Rousse D R, Hallé S, et al. Thermal modeling of evacuated tube solar air collectors[J]. Solar Energy, 2015, 115: 708－721.

[12] 王增义，刘中良，马重芳. 热管式相变蓄热器储/放能过程中传热特性的实验研究[J]. 工程热物理学报，2005，26(6)：989－991.

Wang Zengyi, Liu Zhongliang, Ma Chongfang. Experimental study on heat transfer characteristics of the process of charging and discharging of a heat pipe heat exchanger with latent heat storage[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(6): 989－991. (in Chinese with English abstract)

[13] 胡凌霄，付海明，刘栋栋，等. 采用肋片强化相变蓄热器传热的模拟分析[J]. 能源技术，2009(6)：324－327.

Hu Lingxiao, Fu Haiming, Liu Dongdong, et al. Numerical simulation on heat transfer enhancement by using fin of phase change thermal energy storage[J]. Energy Technology, 2009(6): 324－327. (in Chinese with English abstract)

[14] Li Fengfei, Diao Yanhua, Zhao Yaohua, et al. Experimental study on the thermal performance of a new type of thermal energy storage based on flat micro-heat pipe array[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 112: 395－403.

[15] Liu Z L, Wang Z Y, Ma C F. An experimental study on heat transfer characteristics of heat pipe heat exchanger with latent heat storage. Part I: Charging only and discharging only modes[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(7/8): 944－966.

[16] Liu Z L, Wang Z Y, Ma C F. An experimental study on the heat transfer characteristics of a heat pipe heat exchanger with latent heat storage. Part II: Simultaneous charging/ discharging modes[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(7/8): 967－991.

[17] Zhao C Y, Lu W, Tian Y. Heat transfer enhancement for thermal energy storage using metal foams embedded within phase change materials (PCMs)[J]. Solar Energy, 2010, 84(8): 1402－1412.

[18] Dolado P, Lazaro A, Marin J M, et al. Characterization of melting and solidification in a real scale PCM-air heat exchanger: Numerical model and experimental validation[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52: 1890－1907.

[19] Malan D J, Dobson R T, Dinter F. Solar thermal energy storage in power generation using phase change material with heat pipes and fins to enhance heat transfer[J]. Energy Procedia, 2015, 69: 925－936.

[20] 唐宗斌，陶于兵，蔺晨辉，等. 槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模(Ⅰ)：模型验证及性能分析[J]. 太阳能学报，2014，10：2036－2042.

Tang Zongbin, Tao Yubing, Lin Chenhui, et al. Coupling model of solar PTC and LHS unit (Ⅰ): Model validation and performance analysis[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2014, 10: 2036－2042. (in Chinese with English abstract)

[21] 唐宗斌，陶于兵，蔺晨辉，等. 槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型(Ⅱ)：性能优化[J].太阳能学报，2014，35(11)：2145－2151.

Tang Zongbin, Tao Yubing, Lin Chenhui, et al. Numerical study on coupling performance of solar PTC and LHS unit (Ⅱ): Performance optimization[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2014, 35(11): 2145－2151. (in Chinese with English abstract)

[22] Esakkimuthua S, Hassaboub A H, Palaniappanc C, et al. Experimental investigation on phase change material basedthermal storage system for solar air heating applications[J]. Solar Energy, 2013, 88(1): 144－153.

[23] Khadraoui A E, Bouadila S, Kooli S, et al. Solar air heater with phase change material: An energy analysis and a comparative study[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 107: 1057－1064.

[24] Charvat P, Klimes L, Ostry M. Numerical and experimental investigation of a PCM-based thermal storage unit for solar air systems[J]. Energy and Buildings, 2014, 68: 488－497.

[25] Enibe S O. Performance of a natural circulation solar airheating system withphase change material energy storage[J]. Renewable Energy, 2002, 27(1): 69－86.

[26] Enibe S O. Thermal analysis of a natural circulation solar air heater with phasechange material energy storage[J]. Renewable Energy, 2003, 28(14): 2269－2299.

[27] 赵耀华，王宏燕，刁彦华，等. 平板阵列及其传热特性[J]. 化工学报，2011，62(2)：336－343.

Zhao Yaohua, Wang Hongyan, Diao Yanhua, et al. Heat transfer characteristics of flat micro-heat pipe array[J]. Ciesc Journal, 2011, 62(2): 336－343. (in Chinese with English abstract)

[28] 赵耀华，张楷荣，刁彦华. 一种具有层列微槽热管群的新型平板热管：200910078903.O[P].

[29] Ong K S. Thermal performance of solar air heaters: mathematical model and solution procedure[J]. Solar Energy 1995, 55(2): 93－109.

[30] Gill RS, Singh S, Singh P P. Low cost solar air heater[J]. Energy Conversion and Management, 2012, 57: 131－142.

[31] 李凤飞，刁彦华，赵耀华，等. 平板微热管式相变蓄热装置蓄放热特性研究[J]. 工程热物理学报，2016，37(6)：1253－1260.

Li Fengfei, Diao Yanhua, Zhao Yaohua, et al. A study on thermal characteristics of a novel thermal storage unit based flat micro heat pipe array[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016, 37(6): 1253－1260. (in Chinese with English abstract)

Performance experiment on solar air collection-storage system with phase change material based on micro heat pipe arrays

Wang Tengyue1, Diao Yanhua1※, Zhao Yaohua1, Zhu Tingting1, Wei Xiangqian1, Bai Fengwu2

(1.100124,;2.100190,)

Solar energy is a clean, free-pollution renewable energy source. Rational utilization of solar energy provides significant potential in space heating and drying of agricultural crops, and it is an important measure for saving energy. In order to prolong the time of using solar energy, and to maximize the value of use, in this study, a new style solar air collection-storage thermal system is designed, which utilizes micro heat pipe arrays (MHPA) as heat transfer core element. Collection-storage system includes air collector of vacuum glass tube and phase change thermal storage device. The collector adopts a new form of combining MHPA with vacuum glass tubes. Collector includes 20 collecting units, which consists of aluminum fins, MHPA and vacuum glass tube. Aluminum fins are attached by heat-conducting glue. Polystyrene board is used as thermal insulation material of air duct. Thermal storage device uses the lauric acid (a kind of fatty acid) as phase change material (PCM) with phase change temperature 42 ℃. The thermal storage device size is 390 mm × 105 mm × 790 mm, which is filled with 15.5 kg lauric acid with filling fraction of 89%. Circle thermal insulation pipe is applied to connect solar collector and thermal storage device. Axial fan is installed in circle pipe to provide air flowing power from solar collector to thermal storage device. In heat storage process, lauric acid is heated and its temperature is rising. Temperature measuring point between 30 and 60℃ is selected as experiment temperature scale. The experiment data are recorded by data acquisition instrument Agilent 34970A. Weather parameters including ambient temperature, solar radiation, wind speed is collected by meteorological station. The measurement of air volume flow rate is performed by air volume cover TS18371. Air volume flow rates of 60, 120, 180, and 240 m³/h are chosen as working conditions which include heat storage process and heat release process. The thermal performance of collection-storage system (heat storage process) is analyzed. The experiment tests the collector efficiency, and thermal charging and discharging time, thermal charging and discharging power of phase change thermal storage device under different air volume flow rate. In a range of tests, air volume flow rate of 60, 120, 180, and 240 m³/h produces collector efficiency of 35.64%, 38.00%, 44.92% and 51.33%, respectively, and 240 m³/h air volume flow rate has the maximum collector efficiency. It is concluded that increasing air volume flow rate can enhance collector efficiency. A high air volume flow rate can strengthen airdisturbance and heat convection between air and fins. A large air volume flow rate contributes to short thermal charging and discharging times, and a high thermal charging and discharging power. In the experimental range, 240 m³/h air volume flow rate has a shortest thermal charging and discharging time, which is 161 and 154 min, respectively; and it has the maximum thermal charging power of 633 W and discharging power of 486 W. During heat storage process, thermal charging power is firstly increased and then decreased, which is determined by solar radiation and mean temperature of lauric acid in thermal storage device. In addition, in heat release process, experimental working condition with 60 m³/h air volume flow rate can provide a small fluctuation of outlet temperature and stable thermal discharging power, so it is more suitable in the field of space heating and agricultural products drying domain. Resistance is an important parameter of evaluation system, and it determines the selection and energy consumption of the fan. Pressure drop of collection-storage and heat release process is less than 327 and 40 Pa, respectively. Hence, heat release process has a small resistance loss. And fan with low power can provide impetus to finish air flowing.

solar energy; phase change materials; heat transfer; micro heat pipe arrays; collection-storage system

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.020

TK51

A

1002-6819(2017)-18-0148-09

2017-05-19

2017-08-19

中国科学院太阳能利用及光伏系统重点实验室资助（No.40004020201606）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAA13B02）

王腾月，河北张家口人，主要从事太阳能集热技术及相变蓄热技术研究。Email：wangtengyue@emails.bjut.edu.cn

刁彦华，河北衡水人，副教授，主要从事太阳能利用与强化传热技术研究。Email：diaoyanhua@bjut.edu.cn