CPC微通道太阳能集热器运行特性实验系统设计

王雪勍， 徐荣吉， 王 岸， 宋文昊， 王瑞祥， 许淑惠

（北京建筑大学北京市建筑能源综合高效利用工程技术研究中心，北京 100044）

0 引 言

太阳能是未来能源的重要组成部分，但其具有区域性、分散性、间歇性等缺点，所以高效利用太阳能变得尤为重要［1-3］。复合抛物聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）可以在无跟踪系统的情况下实现一定倍数的聚光作用而广受关注［4］。Zhang 等［5］发现光线通过CPC聚光后，会在吸热器表面形成非均匀的热流密度分布。丁虎［6］模拟了使用圆管型吸热器的CPC聚光器在一年中不同光线入射角下的光路及热流密度分布，发现吸热器表面热流密度不均匀会使吸热器局部的温度较高而降低集热器的集热性能。此外，有研究发现不均匀的热流密度分布所导致的局部温度较高会加速吸热器的老化［7］，还会导致吸热器热应力变形［8］。

微通道换热器结构简单、成本低，热响应速度快，等温性能好［9］，对流换热系数比传统换热器高50% ～100%、抗压抗腐蚀，是基于微尺度效应而兴起的一种高效换热器，广泛应用于汽车空调、微电子领域［10］，并在太阳能集热器中有探索应用［11］。微通道平板集热器与传统平板相比，将吸热器由铜圆管更换为铝微通道扁管，增加了接触面积从而大幅度降低两界面的接触热阻。王娜［12］通过数值模拟得到微通道平板型太阳能集热器，最佳流道尺寸为0.7 mm，最佳空气夹层间距为17 mm。且其发现通过减小集热器流道尺寸，大大减少了水的体积热容，从而获得较高的出口温度。陈孝根等［13］也对微通道流道尺寸进行了三维流动传热数值研究，发现当流道矩形截面高宽比为2 ～4 时微通道具有较好的换热及流动性能。微通道的尺度效应还表现在由于较高的壁厚管径比可对表面非均匀热流密度的起到均化作用，使内部工质吸热均匀。但是由于微通道尺寸小，其内部工质温度的测量比较困难。

基于CPC的聚光特性及微通道吸热器的特点，本文提出了一种以平行流微通道为吸热器的CPC 太阳能集热器，设计并搭建了此集热器的运行特性实验测试系统，加工了微通道温度测试模块，实现了11 个2.5 mm × 1.2 mm平行流道组成的微通道扁管吸热器内工质的温度测量。实验系统可以通过改变环境参数（太阳辐射强度、环境温度、环境风速）、操作参数（集热温度、水流量）测定集热器的动态运行特性。此外，通过对微通道吸热器表面热流密度分布的计算以及进出口工质温度的测量，可以研究微通道对CPC 非均匀聚光的均化作用。该实验测试平台还可以用于本科生实验实践教学，利用真实的实验测试环境，使学生更直观理解集热器动态运行特性。

1 实验装置

CPC微通道太阳能集热器运行特性实验系统，如图1 所示，包括CPC 微通道太阳能集热单元、恒温水循环系统、测试及数据采集系统。

图1 CPC微通道太阳能集热单元动态特性测试系统

1.1 CPC微通道太阳能集热器及集热单元

CPC微通道太阳能集热器主要由微通道吸热器、CPC、盖板、进水管、出水管、保温层和外壳组成，如图2所示。透过盖板的太阳光线一部分直接到达微通道吸热器上表面；另一部分经过CPC反射到达。由于CPC的聚光作用，会在微通道吸收表面形成不均匀的能量分布［14］。

图2 太阳能集热器示意图

为有针对性地研究微通道吸热器对CPC 非均匀聚光的均化作用，选取CPC微通道太阳能集热器中的一个集热单元进行实验（见图3）。其中CPC 微通道集热器单元是由3 D打印成型的CPC聚光器作为模具，然后聚氨酯发泡作为保温层而成。

图3 CPC微通道集热器单元

1.2 恒温水循环系统

恒温水循环系统由恒温水槽（DC2006，精度0.1℃）、循环水泵（无刷直流水泵4509）、阀门及连接管路组成，如图1 所示。通过恒温水槽及阀门可以实现不同集热温度及集热流量实验工况的设定。

1.3 测试及数据采集系统

测试及数据采集系统包括太阳能总辐射表（JTBQ-2）、风速仪（HJF-S2，精度±（0.3 ＋0.03 ×风速）m/s）、转子式流量计（LZB-10）、热电偶（OmegaT型热电偶，精度± 0.3 ℃）、压力传感器（希玛SMART SENSOR AS510）、数据采集仪（安捷伦34980A）和自编的LabVIEW数据采集程序（见图4）。

图4 LabVIEW数据采集处理界面图

由于系统每个流道尺寸较小，内部工质温度很难测量。基于此，设计了微通道温度测试模块，并预留压力测试孔，如图5 所示。测试模块断面扁槽尺寸与微通道断面流道尺寸对应，装配后微通道插入扁槽。然后有一稳压腔，起稳定流动作用；考虑到扁管较宽，设置两个工质进（出）口。在垂直于微通道工质流动方向，设有11 个热电偶测温孔，分别与微通道11 个流道的中心相对应，且恰好处于微通道出（入）口边缘。热电偶测温孔上部孔径为2 mm，下部孔径为0.5 mm（热电偶丝0.25 mm × 2）。在混合腔垂直方向中部，热电偶测温孔平行方向，预留3 mm的测压孔，以便于测试微通道吸热器工质的压降。该测试模块也可设计为对称结构，两边分别插入微通道扁管，可测量微通道中部流体温度。

图5 微通道温度测试模块图

1.4 数据处理方式

太阳能总辐射表和风速仪输出信号为电压信号，安捷伦采集到电压信号后，用LabVIEW将其转换为直观的太阳辐射强度值和风速值，太阳辐射强度与电压信号关系为：I ＝80xI。式中：I 为太阳辐射强度，W/m2；xI为系统中所采集的太阳辐射电压信号，V。

环境风速传感器输出信号也为电压信号，测试的环境风速与电压信号关系为

式中：v为环境风速，m/s；xv为系统中所采集的风速电压信号，V。

将太阳辐射强度和环境风速的关系式编入LabVIEW中便可获得实时的太阳辐射强度值和风速值。集热效率作为太阳能集热器的一项重要指标，其瞬时效率可用下式表示：

式中：集热单元热量计算公式为

c为水比热容，J/（kg·℃）；m 为水的质量流量，kg/s；Δt为微通道进出口温差，℃；集热单元照射热量计算式为

A为集热单元面积，m2。

为了研究微通道吸热器表面的温度和热流密度分布的均匀性，在此引入均匀度概念。其值越小，说明均匀性越好。温度均匀度K计算如下［15］：

式中：温度的算数平均值和标准差计算如下：

n为温度测点个数；Ti为第i个测点温度，K；σt为温度的标准差。

热流密度均匀度Kq计算如下：

式中：热流密度的算数平均值和标准差计算如下：

n为热流密度测点个数；qi为第i 个测点热流密度，W/m2；σq为热流密度的标准差。

2 实验结果及分析

实验测试时，先开启数据采集系统，然后通入设定温度的循环水，稳定后，再将集热单元盖板揭掉开始接收太阳辐射，如图6、7 所示。由图可以看出，在不照射阳光时，入口11 个热电偶最大温差0.75 ℃，出口最大温差0.75 ℃，整体均一化较好。当太阳辐射稳定后（波动＜50 W/m2，时间超过12 min），微通道吸热器入口处11 个温度测点温差最大为1.5 ℃，出口处11 个温度测点的最大温差为2 ℃。CPC的聚光作用导致了吸热器表面的不均匀热流密度，从而导致了进、出口截面温度的温差。

图6 微通道入口温度变化图

图7 微通道出口温度变化图

马玉森［14］使用Tracepro 软件模拟计算了光线经过CPC到达微通道表面的热流密度分布，根据其计算结果使用式（9）计算微通道表面热流密度分布不均匀度，其值为0.87。而实际实验中当集热单元接受太阳照射后传热达到稳态（见图8），出口流体温度分布不均匀度较小，均不超过0.031，证明微通道有良好的均化作用。

图8 太阳照射后微通道出口温度分布不均匀度变化图

3 结 语

阐述了CPC微通道太阳能集热器运行特性实验系统的设计与搭建关键环节，开发设计了微通道管内温度测试模块，实现了微通道平行流扁管11 个通道管内进出口温度的测试，验证了微通道平行流扁管对非均匀热流密度的均化作用良好。基于LabVIEW 虚拟仪器软件设计了数据实时采集及处理系统，更加直观的观察集热器运行时各个参数的实时变化。可为太阳能集热器动态性能测试系统设计与开发提供参考，也可用于本科教学实验，使学生更直观理解集热器动态运行特性，深入理解太阳辐射、环境温度、集热温度、水流量等参数对集热器性能的影响规律。该实验系统具有小型化、便于移动等优点，在热工参数测量、太阳能利用等教学领域具有一定参考价值。