太阳能集热单元集热性的实验研究

文_李生山 青海民族大学

针对应用在建筑墙面或屋顶的太阳能集热系统是通过集热单元装置把太阳辐射能转换成空气热能，通过循环把热空气有组织地输送到室内换热器内，通过换热器将空气热能转换成水的热量储存及输出，从而构成集热、储能和热输出的一种系统。其中组成集热系统的集热单元是整个系统的核心部件，该集热单元的上面布置9个凸体集热元件，且9个凸体按“己”字型3×3排列；集热单元的两端设置有导热介质进口和出口，通过“螺旋”连接，实现集热单元可更替性。这里结合实际建立太阳能集热单元实验台，选取四种0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h风 量，以辐射强度为200～600W／m3，且室外环境温度为0～15℃范围内各工况下进行对集热单元模拟实验，并利用CFD软件对集热元件和集热器进行模拟，研究工作特点。

1 太阳能集热单元实验简介

太阳能集热单元实验设备由太阳辐射模拟装置、集热单元和实验测试设备三部分组成，如图1所示。实验选用额定功率为350W的超高压短弧氙灯及调节装置作为太阳辐射模拟装置，集热单元由集热元件、集热器等部件组成，实验测试仪器由两个LZB-3W.3WB（精度±4%）风速流量测试仪、一个优利德UT382（精度±2.5%）照度计，一个温湿UT331（精度±1%）测量仪、DL333380（精度±1.5%）测温仪，风泵及储能罐和三联件组成。为增强空气与集热元件的换热过程，设计带有隔板的“己”型流道集热器，流道长1000mm、宽1000mm、高100mm；隔板2个，每个隔板长650mm、宽10mm、高90mm；隔板间隔320mm，底部及四周保温层厚度为10mm，在集热器盖板上按两个隔板分成“己”型流道，确定3×3安装集热元件。集热器与集热元件螺纹连接方式，集热元件由球型玻璃形成集热室，其内表面涂层吸收率α=0.94，集热元件玻璃金属螺纹封装内设有直径为5mm进出口。

图1 太阳能集热单元实验台示意

实验时空气从集热器入口流入，绕过各个隔板，呈“己”型往前流动，同时空气进入集热元件加热，直至从集热器出口流出。太阳辐射装置氙灯照在集热元件上，在集热元件内空气充分吸收太阳能，进入集热单元空气流动稳定后进行测试，提供4种风量实验，测试数据有太阳辐射强度、集热元件外表面平均温度、集热器进出口空气温度和风量。

2 集热单元集热模型

太阳能集热元件吸收到的太阳辐射能除非常少的一部分热量通过对流和辐射的方式散失到周围环境中，基本全部用来加热集热单元内流动空气，故其热平衡方程为：

式中I—太阳辐射强度，W/m3；A—集热元件的集热面积，m2；mkq—流经集热元件空气的质量流量kg/s；Cp—空气的定压比热容J/(kg·K)；为集热元件出口处的空气温度K；Tin—室外空气进口温度K；Qdl—集热元件对流损失W；Qfs—辐射热损失W；α-涂层吸收率。

集热单元集热主要由9个集热元件组成，按“己”排列的每个集热元件面积、大小相同，接受辐射度相同，对流和辐射散失到周围环境中小部分热量相同，由于集热单元小，这里可以忽略集热器“己”支架导热和转弯处能量损失，因此集热单元的热平衡方程为：式中Tout9—集热单元（第9个集热元件）出口处的空气温度K；Tin1—室外空气（第1个集热元件）进口温度K。

集热单元效率是单位时间内太阳能集热元件实际获得的有用能与集热元件吸收的太阳辐射能之比，其计算式为：

式中η—集热单元的吸收率；I—太阳辐射强度，W/m3；A—集热元件的集热面积，m2；m—流经集热元件空气的质量流量kg/s；—空气的定压比热容J/(kg·K)；Tout—集热元件出口处的空气温度K；Tin—室外空气进口温度K；Qdl—集热元件对流损失W；Qfs—辐射热损失W。Tout9—集热单元（第9个集热元件）出口处的空气温度K；Tin1—室外空气（第1个集热元件）进口温度K。

3 集热单元集热实验分析

参照西宁地区晴朗天气 (2021年5月6～8日) 7：30～l5：00测量的太阳辐射强度和室外环境温度，选取太阳辐射强度I=250W/m2、外界环境温度T=8℃进行分析。

3.1 集热元件表面温度

由于9个集热元件采用“己”字型3×3排列，这里测量每一行中间集热元件的表面温度，选择0.448m3/h风量下进行测试，集热元件表面的平均温度随时间的变化如图2所示。从图2看出三个中间的集热元件开始时温度基本一致，随着时间推移表面温度升温变化不同，在7min时趋于稳定，8min时温度变化基本一致。

图2 同一风量下中间集热原件表面温度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4种风量下测量，进口第一个集热元件表面平均温升随时变化如图3所示。从图3看出集热元件表面平均温升随着太阳辐射模拟装置开机迅速升高 ，9min后基本进入稳定状态。四种风量下稳定运行时，集热元件表面平均温升分别为0.55℃，0.52℃，0.46℃，0.37℃，即第一个集热元件表面平均温升随进口风量的增大而逐步降低。

图3 进口第一个集热原件在不同风量时表面温度

3.2 集热单元出口温度

在0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h 4种风量下，集热单元空气出口温度随时间的变化情况如图4所示。从图4看出与集热元件表面平均温度变化相比，空气出口温度变化达到稳定状态有些滞后。稳定运行时，出口空气温度分别为12.95℃，12.68℃，12.14℃，11.33℃，因进口空气温度为8℃，故空气温升分别为 4.95℃，4.68℃，4.14℃，3.33℃，可见出口空气温升随集热单元进口风量的增大而下降。

图4 集热单元在不同进口风量时出口温度

4 集热器内流体流动状况

“己”型集热器内流体从进气口进入后先直线流动，同时在漩涡加热点加热，在集热器遇内壁面时偏转180°继续向前流动，转弯处产生漩涡，流体重复前面情况，直到流体从集热器出口流出。通过CFD确定工质流入集热器后，随着工质进口流速的加大，集热器工质出口温度开始降低，由于漩涡一般都发生在左侧内壁和加热点附近，且在流道内部沿左侧内壁的温度较右侧高，流道内上层温度较下层高，漩涡的发生使局部雷诺数变大，集热器内更趋于紊流，换热系数增加，换热效果明显，但是随着进口工质流速的增加，工质在流道内部停留时间变短，加热时间减少，从而使得出口温度降低。

5 集热单元热效率分析

这里设定集热元件表面所吸收的太阳辐射能全部转换成空气热能，将各参数在稳定运行时的数值代人计算公式(3)中。为简化模型的计算量和加快求解速度，利用Gambit软件建立集热元件几何模型时仅选取第一个进口球型集热元件及进出口空气作为研究对象，最终确定模型的网格数量为162789。集热单元局部实验面积为0.0104132m2，模型中集热元件的面积0.001061m2，因此模型可靠。西宁空气密度取1.271kg/m3，空气的定压比热容为1.004kJ/(kg·K)，集热效率变化如表1所示。

表1 集热单元实验值和集热元件模拟值对比

可见空气在 0.448m3/h、0.685m3/h、0.854m3/h、0.982m3/h4种进口风量下经过单个集热元件性能模拟时效率分别为35.04%、50.65%、53.43%、54.46%。集热单元在四种风速下效率分别为30.83%、44.46%、48.75%和48.80%，即集热效率随进口风速的增大而逐步升高，集热效率的快速增加量逐步趋缓。原因是随着风量的逐渐增大，集热元件表面平均温度是降低，集热元件与周围环境的传热温差变小，集热元件相应的对流和辐射热损失减小。集热器“己”支架内部转弯处趋于紊流，流速减慢，便于冷热空气混合，集热器出口温度增加，由热平衡方程知，太阳能集热元件获得的实际有用能增大，因此集热单元的集热效率随出口风量的增大而升高。

6 结语

集热元件按3×3固定排列在“己”型流道集热器上面，增大了工质的有效吸热面积和减小散热面积，增加了工质在集热器中的流程和太阳辐射能转化热能时间，从而提高集热器工质出口温度。

新型集热单元可根据房屋安装外墙面面积灵活相互连接，只需朝向阳面，在不同角度下均可保证一定的集热效率。

集热元件和集热单元集热效率随进口风量的增大而逐步升高，随风量的增大，集热元件和集热单元集热效率的快速增加量逐步趋缓，适合不同地区使用。