相变储能型太阳能真空集热管运行特性研究

韩喜莲, 朱垚宇

(兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

在面对如今能源危机和环境问题双重挑战的同时，清洁和可再生能源技术的发展是很有必要的.太阳能作为清洁的可再生能源，具有取之不尽，用之不竭，分布广泛等优点，在未来很长时间有着良好的发展前景[1].然而，太阳能具有的时间-空间不匹配问题很大程度上限制了太阳能利用技术的发展.相变储能型太阳能真空集热管将太阳能利用和相变储能技术结合起来，不仅可以解决太阳能供求上存在的时间-空间不匹配问题，而且可以大大提高太阳能的利用效率.

国内外很多学者已经对太阳能热利用与相变储能技术的结合做了大量研究工作.刘锋等[2]提出了一种新型太阳能储能装置，并搭建实验测试台进行分析测试.测试结果表明，该新型太阳能储能装置整体效率达到了64.7%.陈彦康等[3]采用实验方法对添加了相变材料的太阳能蓄热水箱热特性进行研究.结果表明，添加相变材料后，蓄热水箱的蓄热量增大，同时随着进口体积流量的增大，蓄热水箱混合数先减小后增大.Bai等[4]利用带肋片的热管来弥补相变储能材料导热能力的不足，并结合太阳能真空集热管，发明了一种新型的太阳能利用储能装置来加热空气.Faegh等[5]在太阳能蒸馏器中加入热管和相变储能材料组成了具有储能功能的太阳能蒸馏器，通过实验研究了新型太阳能蒸馏器的性能.结果表明，添加了相变材料的太阳能蒸馏器比没有相变材料的太阳能蒸馏器纯水产量提高了86%.Tiari等[6-7]通过实验研究了热管管网系统对于相变储能材料熔化过程的影响规律.结果表明，流体速度和温度对于相变材料熔化过程影响很大.同时，还通过建立二维模型，研究了热管对于具有高熔点的相变储能材料导热能力的影响效果.结果表明，自然对流对于相变材料的熔化过程有很大的影响；增加热管的数量能够增加相变材料的熔化率，但是同时降低了周围墙体的温度.Wang等[8]通过实验研究了嵌入微型平板热管的太阳能储能装置中空气流量对于其效率的影响规律.结果表明，空气流量大时相变材料吸热时间缩短，瞬时传热量增加.相变储能型太阳能真空集热管方面的研究很少，薜花[9]采用实验方法研究了运行状态下进水流量与出水温度的关系，结果表明，随着进水流量的增大，出水温度逐渐减小.其研究主要集中在进水流量对于出水温度的影响方面，对于真空管中相变材料吸热和放热阶段热特性侧重较少.Papadimitratos等[10]以赤藓糖醇和正三十三烷作为太阳能集热器的相变材料，通过实验与没有添加相变储能材料的太阳能集热器进行对比.结果表明，添加了相变材料的太阳能集热器在吸热状态下效率提高了66%，在放热状态下效率提高了26%.

在对相变储能型太阳能真空集热管的研究中，缺乏不同工况下真空管运行情况的比较和对串联系统的实验研究.故本文通过实验对单根和串联的相变储能型太阳能真空集热管运行时的热特性进行研究，采集太阳辐照度、环境温度、真空管内相变材料温度和进出水温度等数据，计算每个测量周期内吸热阶段时的集热效率.每个测量周期可分为吸热阶段和放热阶段，单根真空管运行实验主要研究了晴天、多云和阴天工况下真空管运行情况的差异以及各自可提供的热水量和热水温度.串联运行实验主要研究各串联真空管运行的差异以及整个串联系统所能提供的热水量和热水温度.

1 实验方法

1.1 实验对象及材料

实验的主要对象是相变储能型太阳能真空集热管，选用的相变材料为58号全精炼石蜡，石蜡的热物理性质如表1所示.石蜡作为相变材料，具有诸多优点：首先，石蜡无过冷现象，不易与真空管中其他物质发生化学反应；其次，石蜡价格低廉，获取方便.但是，石蜡具有导热系数低的缺点，所以在U型铜管上加装肋片可以有效提高整个系统的换热效率.在实验过程中，每根真空管中灌装的石蜡质量为2.4 kg.实验准备过程中，先将固态的石蜡用加热器加热至液态，然后灌进已经插入U型铜管的真空管中.灌装完毕后，将真空管静置使石蜡变为固态.

表1 石蜡的热物理性质

实验采用的相变储能型太阳能真空集热管中真空管长度为1 800 mm，内径58 mm；U型铜管长度为2 000 mm，铜管内径9.2 mm；整个U型铜管上安装了160个厚度为1 mm的矩形肋片，肋片材料为铝，肋片安装间距为10 mm，肋片长度40 mm，宽度25 mm.

1.2 测量仪器及数据采集

实验测量的主要参数为太阳辐照度、石蜡温度、环境温度、进出水温度和进水流量.测量所用仪器及相应的参数列于表2中.各测量仪器连接到室内的数据采集仪中，真空集热管吸热阶段太阳辐照度、环境温度和真空管中石蜡温度的采集频率为20 s/次；而放热阶段进、出水温度和石蜡温度的采集频率为2 s/次.

表2 测量仪器及参数

1.3 单根真空管运行实验过程

实验地点为兰州理工大学结构大厅西南侧，图1为实验测试照片，真空管朝向正南，倾斜角度为36°(兰州地区纬度).进行实验测量时，太阳辐射仪置于室外测量太阳辐照度(太阳辐照度表征了太阳辐射的大小).环境温度的测量探头置于室外的遮阳罩内，环境温度的大小主要对真空管的散热产生影响.

图1 实验测试照片Fig.1 Experimental test picture

真空管中石蜡的温度由热电偶测量，图2为单根真空管实验设备连接图，真空管中均匀布置了7个T型热电偶来测量石蜡的温度，自真空管底部至真空管管口位置依次为T1至T7.热电偶布置在肋片中间，用来测量石蜡的温度，不与肋片和铜管接触，热电偶线由铁丝固定.T1热电偶布置的位置在从U型铜管底部算起的第20和第21肋片中间，相临两个热电偶之间相隔20个肋片，故T2的位置在第40和第41肋片中间，以此类推，T7布置在第140和第141肋片中间.同时，在布置热电偶时，热电偶探头需要向下弯折，保证热电偶探头在真空管正中央.真空管冷水进口和热水出口也都分别布置了热电偶T8和T9来测量冷水和热水的温度.热电偶另一端接到室内的数据采集仪上，数据采集仪与计算机连接，将采集到的数据传入计算机进行处理.

图2 单根真空管实验设备连接图Fig.2 Connection diagram of single vacuum tube experiment equipment

1.4 串联运行实验过程

单根相变储能型太阳能真空集热管所能储存的能量较少，在实际应用时需要多根一起使用.图3为串联相变储能型太阳能真空集热管运行实验的测试图片.串联运行实验采用了三根相变储能型太阳能真空集热管，编号分别为真空管1号、真空管2号和真空管3号.实验测试时间为7月份，同样分为吸热阶段和放热阶段.

图3 串联实验测试照片Fig.3 Experimental picture of series experiment

为了测量真空管中石蜡的温度，在各个真空管中也分别布置了7个热电偶，各真空管中热电偶的布置位置与单根真空管实验时布置的位置相同，图4为串联运行实验的设备连接图.为了测量放热阶段各真空管的出水温度，在三根真空管出水口也同样布置了热电偶.

图4 串联实验设备连接图Fig.4 Connection diagram of serial experiment equipment

1.5 集热效率计算

在吸热阶段真空管中石蜡的总储热量和放热阶段石蜡放出的热量可以根据下式进行计算[11]：

(1)

式中，Q为石蜡的总储热量或放热量，J；m为石蜡的质量，取2.4 kg；c1为相变材料固态时的比热容,J·kg-1·K-1；c2为相变材料液态时的比热容,J·kg-1·K-1；λ为石蜡的相变潜热,J·kg-1；T1、T2、Tm分别为石蜡的初始温度、结束温度和熔点温度,℃.

集热效率的计算公式如下所示[11]：

(2)

式中，Qu为集热器的有用能，根据石蜡的总储热量和吸热时间计算得出；G为太阳辐照度的平均值，W/m2；Ap为吸热面积,m2.

1.6 误差分析

实验中存在的主要误差为随机误差，即在测定过程中一系列有关因素微小的随机波动而形成的具有相互抵偿性的误差.存在随机误差的实验数据包括太阳辐照度、真空管内部热电偶测得的石蜡温度、环境温度、U型铜管进出水口温度、进水流量等.经计算，太阳辐照度的误差范围为±40 W/m2；热电偶所测量的温度误差为±0.1 ℃；进水流量的误差范围为±13.5 L/h.

在实验测试中，仪器的测量误差可能由于相关的独立变量(x1,x2…,xn)引起不确定性，这些自变量包括温度、太阳辐照度等.储、放热量和集热效率的计算结果与相关独立参数之间的函数关系可以描述为[4]：

y=f(x1,x2,…,xn)

(3)

因变量的不确定度可以根据以下公式计算[4]：

(4)

计算得到间接测量数据中储热量的不确定度为±2.8%，放热量的不确定度为±0.7%，集热效率的不确定度为±4.3%.

2 实验结果及分析

2.1 单根真空管实验结果分析

单根真空管实验时间为2019年6月份，持续30天，实验期间收集了三种工况的数据，分别是晴天工况、多云工况和阴天工况，吸热阶段时间为上午9:00至下午18:00.吸热阶段完成之后，开始通水进行真空管放热阶段实验.冷水由真空管冷水进口流入，通过U型铜管进入真空管中与石蜡换热，温度升高变为热水后由热水出口流出.

2.1.1三种工况实验结果对比

太阳辐照度表征了太阳辐射的强弱，太阳辐照度越大，太阳辐射越强.不同工况下，太阳辐照度差别较大.图5为三种不同工况下太阳辐照度变化曲线.晴天工况的太阳辐照度变化曲线比较平滑，早上和傍晚辐照度较低，中午辐照度较高.多云工况下辐照度变化幅度较大，阴天工况下辐照度总体较低且波动剧烈.晴天、多云和阴天工况下的辐照度平均值分别为822.48、554.9、111.61W/m2.

图5 不同工况下太阳辐照度变化曲线Fig.5 Change curve of solar irradiance under different working conditions

吸热阶段时，太阳光照射到真空管内的选择性吸收涂层上，涂层吸收太阳辐射，将辐射能转化为热能并传递给真空管内的石蜡，石蜡吸热熔化，通过显热储能和潜热储能两种方式储存热量.图6为三种工况下真空管内石蜡的平均温度变化曲线.晴天工况下，由于太阳辐照度较大，真空管内的石蜡全部发生相变，变为液态，且平均温度最高能达到187.13 ℃；多云工况下，虽然太阳辐照度波动幅度较大，但是辐照度总体水平较高，所以真空管中的石蜡也都发生了相变过程，变为液态，平均温度最高可达121.64 ℃.而阴天工况下，由于太阳辐照度总体较低，所以石蜡温升较小，吸热阶段结束时，真空管中的石蜡仍为固态，没有完成相变过程.

图6 吸热阶段不同工况下石蜡平均温度变化曲线Fig.6 Average temperature change curve of paraffin under different working conditions in endothermic stage

观察图6晴天和多云工况下的石蜡平均温度变化曲线可以看出，石蜡平均温度在100 ℃附近时持续了一段时间，这是由于U型铜管中的水蒸发所致.在U型铜管中的水蒸发从出水口喷出之后，石蜡温度又开始迅速提升.吸热阶段各种工况下石蜡温度变化的数据列于表3中，由表3中数据可知，晴天工况下温升能够达到140.21 ℃，约为多云工况下温升值的两倍.而阴天工况下石蜡的温升很低.

表3 吸热阶段三种工况下各参数计算结果

根据公式(1)和公式(2)可以计算得出各工况下的石蜡总储热量和日平均集热效率，计算结果列于表3中.由表3的计算结果可知，单根相变储能型太阳能真空集热管在晴天工况下的日平均集热效率最高，达到了44.2%，多云工况下的日平均集热效率也达到了36.3%，而阴天工况下的日平均集热效率偏低.在实验测试的一个月时间里，晴天工况和多云工况下的日平均集热效率变化范围为30%～45%，且在环境温度相同的情况下，不存在晴天工况下日平均集热效率一定大于多云工况下日平均集热效率的情况.

真空管中的石蜡在吸热阶段完成储能之后，即开始放热阶段实验.冷水由冷水进口流入，冷水温度为23 ℃，冷水通过U型铜管进入真空管中，在肋片强化换热的作用下与液态石蜡进行换热，变为热水后由热水出口流出.图7为三种工况下放热阶段的石蜡平均温度变化曲线.放热持续时间为720 s，晴天和多云工况下，前200 s石蜡温度下降较快，200 s之后，石蜡温度下降较慢.这是由于在200 s之前，石蜡为液态，真空管中U型铜管石蜡一侧换热方式为对流换热；在200 s之后，石蜡温度降低，大部分石蜡变为固态，U型铜管石蜡一侧换热方式由对流换热变为了热传导，换热效率开始下降，所以石蜡温度下降开始变得缓慢.

图7 放热阶段三种工况下石蜡平均温度变化曲线Fig.7 Average temperature change curve of paraffin under three working conditions in the exothermic phase

放热阶段真空管中的石蜡由高温的液态，最终变为低温的固态，之间经历了相对于吸热阶段吸热过程的三种放热过程.在温度降低至凝固点之前，石蜡放出的热量为显热；当温度降低至凝固点时，石蜡通过凝固放出潜热；石蜡完全凝固之后，继续进行显热放热.放热阶段石蜡放出的总热量可由公式(1)计算得出，放热阶段三种工况下石蜡温度变化的数据和放出热量的计算结果列于表4中.

表4 放热阶段石蜡平均温度变化数据和放热量

真空管通水运行后，冷水通过U型铜管进入真空管，在肋片对换热的增强作用下，通过铜管壁与石蜡进行换热，温度升高后的热水由热水出口流出.图8为放热阶段三种工况下出水温度变化曲线.进水流量为80 L/h，晴天工况下，出水温度最高达95 ℃.前200 s出水温度都在40 ℃以上，但是出水温度下降较快，200 s以后，出水温度开始趋于平稳，最后在30 ℃左右保持稳定.多云工况下，出水温度最高也达到了94 ℃，但是温度下降较快，在72 s时温度就达到了40 ℃.而阴天工况下的出水温度很低，最高时仅为33.2 ℃.

图8 放热阶段三种工况下出水温度变化曲线Fig.8 Temperature change curve of outlet water under three working conditions during exothermic phase

对不同工况下放热阶段真空管能够提供的热水量进行计量，得到的数据如表5所示.晴天工况能够提供的热水量最多，50 ℃以上热水能够提供2.89 L，40℃以上的热水能够提供4.44 L，30 ℃以上的热水能够提供9.56 L.多云工况提供的热水量不及晴天工况下的热水量.阴天工况下只能提供30 ℃的热水，且热水量极少.

表5 不同工况能够提供的热水量

2.1.2吸热阶段真空管内石蜡温度分布差异

吸热阶段，由于U型铜管内残留的水和液态石蜡的自然对流作用，真空管内的石蜡温度分布存在差异.图9为晴天工况下真空管中各个测点的石蜡温度变化曲线.由图9可以看出，在9∶00时石蜡的初始温度呈现顶部温度低、底部温度高的现象.这是由于在6月15日实验结束之后至6月16日早上9∶00之间无太阳辐射，整个系统处于自然散热状态，真空管整体除了通过辐射换热向周围环境散失热量外，还会有局部的散热差异.真空管管口布置有保温塞，保温塞上的透气孔和裸露在真空管外部的U型铜管散热是局部热量散失的主要方式.所以距离管口位置越近的石蜡温度越低，位于真空管底部的石蜡距离管口位置最远，所以温度最高.

图9 晴天工况下各个测点的石蜡温度变化曲线Fig.9 Paraffin temperature change curve of each measuring point under sunny conditions

在太阳辐射之后，真空管中的选择性吸收涂层吸收太阳辐射，将辐射能转化为热能并传递给真空管中的石蜡，石蜡温度开始提升.在太阳辐射刚开始时，真空管中的石蜡仍为固态，但是U型铜管中存留有前一天实验留下的水.随着太阳辐射的增强，热量由选择性吸收涂层不断传入真空管中的石蜡，石蜡又通过肋片和U型铜管管壁将热量传递给U型铜管内的水.U型铜管中的水接收到热量之后温度升高，开始发生自然对流，顶部水的温度高，底部水的温度低.当顶部U型铜管中的水温高于石蜡温度时，热量便由水通过U型铜管管壁和肋片传递给石蜡.这种热量传递只发生在距离管口位置较近的顶部石蜡和相应位置U型铜管中的水之间，从图9可以看到，位于最顶端T7测点处的石蜡温度在有太阳辐射不久后便开始迅速提升.

当真空管中的石蜡温度大于58 ℃时，石蜡完全熔化为液态.此时不光U型铜管中的水发生自然对流，真空管中的液态石蜡也会发生自然对流.在自然对流的作用下，整个吸热阶段真空管中的石蜡温度分布呈现出顶部石蜡温度高，底部石蜡温度低的现象，此现象一直持续到吸热结束.

2.2 串联运行实验结果分析

2.2.1吸热阶段

串联相变储能型太阳能真空集热管实验吸热时间同样为上午9∶00至下午18∶00.在相同的太阳辐照度下，三根真空管的温升情况会有所不同.图10为7月20日的太阳辐照度随时间变化的曲线，当日天气为晴转多云.当日太阳辐照度的平均值为857.34 W/m2，最大值为1 105.56 W/m2，辐照度最大值的出现时刻为14∶51.当日环境温度的平均值为29.22 ℃.

图10 7月20日太阳辐照度变化曲线Fig.10 Change curve of solar irradiance on July 20

吸热阶段开始后，三根真空管同时开始吸热.图11为吸热阶段三根真空管中石蜡平均温度变化曲线.由图11可知，在12∶00之前，三根真空管中的石蜡平均温度基本相同，但是12∶00之后，真空管3号中的石蜡平均温度大于其他两根真空管中的石蜡平均温度，真空管2号中的石蜡平均温度在很长时间里大于真空管1号中的石蜡平均温度.这是由于三根真空管连接方式为串联，真空管3号的出水口为整个系统的出水口，在石蜡吸热升温的过程中，各真空管内U型铜管中的水和水蒸气发生着自然对流，而这三根U型铜管也互相连接，使得自然对流的方向变为由进水口流向出水口，造成三根真空管中石蜡平均温度出现图11所示的差异.

图11 吸热阶段三根真空管中石蜡平均温度变化曲线

吸热阶段开始时，各真空管中的石蜡平均温度为45～47 ℃，如表6中数据所示，整个吸热阶段三根真空管中石蜡温升都在128 ℃以上，结束时温度为173～183 ℃，最高温度可达到177～187 ℃.同样根据公式(1)可以计算得出各串联真空管在整个吸热阶段内石蜡的总储热量，结合之前计算得出的太阳辐照度数据，由公式(2)可以计算得出各真空管的日平均集热效率值，计算结果列于表6中.

表6 吸热阶段三根真空管中参数计算结果

2.2.2放热阶段

吸热阶段完成之后，开始对串联真空管通水进行放热阶段实验.进水流量为160 L/h，进水温度为20.65 ℃，通水时间为720 s.图12为通水运行后三根真空管中石蜡平均温度变化曲线.在开始通水之后，三根真空管中的石蜡温度开始迅速下降，通水开始300 s后，温度下降趋于平缓.这是由于300 s之前真空管中石蜡为液态，300 s之后石蜡变为固态，使得传热效率下降所致.另外，在通水放热阶段，真空管3号中的石蜡平均温度始终大于其他两个真空管，而真空管2号的石蜡平均温度也大于真空管1号.

图12 放热阶段三根真空管中石蜡平均温度变化曲线Fig.12 Average temperature change curve of paraffin in three vacuum tubes during the exothermic phase

串联实验放热阶段石蜡放出的总热量同样根据公式(1)进行计算.放热阶段三根真空管中石蜡温度变化数据和放热量计算结果列于表7中.由表中数据可知，放热阶段结束时真空管1号中石蜡平均温度最低，真空管3号中石蜡平均温度最高.真空管1号至真空管3号的放热量依次递减.

表7 放热阶段三根真空管中石蜡平均温度数据

放热阶段开始后，冷水由整个串联系统的冷水进口流入，分别通过三根真空管从真空管3号的出水口流出.图13为三根真空管的出水温度变化曲线.在通水的720 s 时间里，真空管1号至真空管3号的出水温度依次递增.开始时刻出水温度高于100 ℃，这是因为初始时刻真空管中石蜡温度过高，出水口喷出的是高温的水蒸汽，最高温度可达130.78 ℃.经计算，整个串联系统所能提供60 ℃以上热水量为7.64 L，40 ℃以上热水量13.07 L.

图13 放热阶段各真空管出水温度变化曲线Fig.13 Temperature change curve of the outlet water in each vacuum tube during endothermic phase

3 结论

1) 单根相变储能型太阳能真空集热管实验中，晴天和多云工况下在吸热阶段期间，计算得到的日平均集热效率能够达到30%～45%，而阴天工况下太阳辐照度较低，石蜡的温升也较低，未能完全熔化，日平均集热效率只达到了6%左右.同时在吸热阶段时，由于U型铜管中水和液化后石蜡的自然对流作用，真空管中的石蜡会存在顶部石蜡温度高和底部石蜡温度低的温度分层现象.放热阶段不同工况下真空管所能提供的热水量也有所不同，晴天工况下提供的热水量最多，热水温度也较高.经计算，能够提供40 ℃的热水量达到了4.44 L，30 ℃的热水量达到了9.56 L.

2) 在相变储能型太阳能真空集热管串联运行的实验中，由于U型铜管中水的自然对流作用，各真空管中的石蜡平均温度会存在差异，离串联系统出水口近的真空管内石蜡平均温度高，离串联系统出水口远的真空管内石蜡平均温度低.真空管串联运行后，能够储存的总热量明显增多，提供的热水量和热水温度也有所增加.串联系统在单日实验中能够提供60 ℃的热水7.64 L，40 ℃的热水13.07 L.