适用于西藏的太阳能空气集热器的研发

卢汉宇，诺 桑*，盛 敏，王文雅，王萌萌，措加旺姆

(1. 西藏大学太阳紫外线实验室，拉萨 850000；2. 西藏自治区能源研究示范中心，拉萨 850000)

0 引言

节能与环保是当今经济发展的焦点，太阳能空气集热技术是其中一个有待进一步发展的重要技术环节。太阳能空气集热技术适用于建筑供暖、除湿、农产品干燥等领域[1-2]。

太阳能空气集热系统可直接应用于建筑空调、建筑供暖等建筑节能领域[3-4]，无需二次转换，其具有性价比高、结构简单、初始投资低、无工质泄露、工质不冻结和运行维护方便等诸多优势[5]。太阳能空气集热系统的生产流程简单，原料均来自市售材料，成本低，已规模化批量生产，易在建筑供暖领域实现与建筑一体化。

太阳能空气集热器可安装在斜坡屋顶、平屋顶或垂直墙面上，多个太阳能空气集热器组装后整体成为一个大型太阳能空气集热器，仅有1 个进风口和1 个出风口，安装方便。国际上第1 个太阳能空气集热器于1881 年由美国人研制，此后太阳能空气集热技术及其应用得到了长足发展[6-9]，但相比利用液体(水、油等)的太阳能集热技术，太阳能空气集热技术仍然处于落后状态。

目前，以空气为热传播介质的太阳能集热技术及其应用在西藏自治区(下文简称为“西藏”)较为罕见，但西藏的太阳能资源非常丰富[10-12]，是中国太阳辐射最强的地区，其比同纬度的平原地区的太阳辐射量高出1 倍左右，日照时长也是全国之最，丰富的太阳能资源使太阳能空气集热技术非常适用于西藏等高寒地区的建筑供暖、除湿、农产品干燥等领域，因此，研究和开发太阳能空气集热技术和产品具有重要现实意义和必要性。本文针对西藏得天独厚的地理优势和太阳能资源优势，为建筑供暖研发设计了一种太阳能空气集热器，并制造了该太阳能空气集热器样机，然后在拉萨市自然太阳光条件下对其集热性能进行了测试。

1 太阳能空气集热器的设计与工作原理

本文研究设计的太阳能空气集热器的结构主要由覆盖于表面的透光材质的阳光板(聚碳酸酯)，内部的金属丝网格、内部的空气隔板，不锈钢边框、背板组成的集热腔金属外壳，以及保温层等部件组成。其中，金属丝网格、空气隔板和背板均为吸收阳光的部件，涂覆黑色涂料以增强吸收阳光效率。

该太阳能空气集热器的长为2000 mm、宽为940 mm、高为124 mm，进风口、出风口的直径均约为10 cm；集热器内部体积被空气隔板分成相等的4 个集热腔，4 个集热腔内部均安装了金属丝网格。本文研究设计的太阳能空气集热器的三维设计模型如图1 所示，其结构和工作原理如图2 所示。

图1 本文研究设计的太阳能空气集热器的三维设计模型Fig. 1 3D design model of solar air collector studied and designed in this paper

图2 本文研究设计的太阳能空气集热器的结构与工作原理Fig. 2 Structure and working principle of solar air collector studied and designed in this paper

该太阳能空气集热器的工作原理为：冷空气从进风口进入(由太阳电池作为风机工作电源，使风机工作，产生动力推动空气)太阳能空气集热器，空气逐步进入集热器内部的4 个集热腔中，流动方向如图2 中虚线所示；每个集热腔的空气进、出口(外侧进、出风口均为圆形孔，内部4个集热腔之间的进、出风口均为方形孔)位置设计成斜对称位置，从而增加空气在太阳能空气集热器中的流动距离；在每个集热腔中逐步获得热能(通过与接收太阳辐射的集热腔金属碰撞来获得热能)，最终从太阳能空气集热器的出风口排出。

本文研究设计的太阳能空气集热器的特点是：1)内部采用空气隔板分成了4 个集热腔，使集热器内空气的温度一腔一腔地逐步提升。为了增加空气与热传导体的接触面积，每个集热腔内部设计安装了1 片倾斜放置的金属丝网格，以提高太阳能空气集热器的集热效率，金属丝网格与气体流向形成斜度(1:17.09)。金属丝网格吸收太阳辐射被加热，使金属丝网格的温度升高，空气通过对流穿过金属丝网格后被加热，从而增加太阳能空气集热器的集热效率。2)增加了风机，以太阳电池作为风机工作电源，风机工作产生动力推动空气，加速了集热腔热空气的产出。

2 太阳能空气集热器的设计与制作

2.1 材料选用

从集热器盖板、吸热板、吸热涂层、空气推进机4 个方面介绍本文研究设计的太阳能空气集热器的材料选用情况。

2.1.1 集热器盖板

太阳能空气集热器的盖板(透光板)选用凯力龙科技有限公司生产的聚碳酸酯阳光板，使用寿命达15 年以上，具有抗紫外线涂层，属于高透光率的阳光板，其理论透光率高达89.00%。

在西藏拉萨市太阳光下首次测试了该种聚碳酸酯阳光板的透光特性光谱特征，测试使用两台同型号仪器同时、同地进行，其中一台不做遮盖，另一台在测试窗口上方放置聚碳酸酯阳光板，测试结果如图3 所示。图中：高位的光谱(红色曲线)为未透过阳光板的光谱，低位的光谱(蓝色曲线)为透过阳光板的光谱。

图3 聚碳酸酯阳光板的透光特性光谱特征Fig. 3 Spectral characteristics of light transmission characteristics of polycarbonate sunlight board

从图3 可以看出：该种聚碳酸酯阳光板除了对短波(300～400 nm 的紫外线)的吸收较强外，对其他主要光谱(可见光和红外光)都有很好的透光效果。测试结果表明：该种聚碳酸酯阳光板的实际全波段透光率平均值达到84.97%，比厂家给出的理论透光率约小4.03%，而一般玻璃的透光率为73.00%～85.00%。

除透光率较高以外，该种聚碳酸酯阳光板的其他优点还包括：相同厚度的情况下，聚碳酸酯阳光板的质量只有玻璃的一半，而抗撞击能力是玻璃的250～300 倍。主要缺点包括：热胀冷缩较严重，需要预留3%的膨胀空间；密封时需要使用胶条。

2.1.2 吸热板

本文研究设计的太阳能空气集热器中，不锈钢边框、空气隔板、背板和金属丝网格都属于吸收阳光的吸热板。其中，不锈钢边框、空气隔板、背板均采用厚度为1.2 mm 的不锈钢板制作。不锈钢的太阳吸收比为0.63～0.86，发射比为0.23～0.28，在各类金属之中排名靠前；且不锈钢的耐性较好，比铁更难生锈，可以经受风吹日晒，使用寿命长。

2.1.3 吸热涂层

为了增加吸热板对太阳光的吸收效率，本文研究设计的太阳能空气集热器在吸热板表面喷涂了一般家用黑色喷漆，同时也可起到防锈的作用。

世界上最黑的涂料为碳纳米管黑体，由英国Surrey NanoSystems 公司研发，该涂料能够吸收99.96%以上的光能。本文研究设计的太阳能空气集热器采用市面上一般家用黑色喷漆，即平恒牌39 号黑色喷漆，该喷漆的优点是附着力强、不易脱落；涂层吸光率与涂层厚度相关，经过几次喷涂后，采用平恒牌39 号黑色喷漆的涂层可以达到90%的吸光率，吸光率较高。

2.1.4 空气推进机

外面环境的冷空气需要推入到太阳能空气集热器的集热腔中，并使其在集热腔中充分流动以获得热能。本设计采用功率为40 W 的风机，工作电压为220 V(可以使用太阳能供电，也可使用市电供电)，静压为190 Pa，风量为150 m3/h，可以产生足够强的热风。

2.2 部件组装

首先根据太阳能空气集热器的三维设计模型(见图1)、太阳能空气集热器的结构与工作原理(见图2)，焊接组装太阳能空气集热器的集热腔金属外壳吸热部件，包括进风口和出风口；然后把做好的集热腔金属外壳内部用39 号黑色喷漆均匀的喷涂3 次，包括内部侧面；最后用密封胶条将作为太阳能空气集热器盖板的阳光板密封固定在集热腔金属外壳上方，组装完成。本文研究设计的太阳能空气集热器的组装过程如图4 所示，最终成品图如图5 所示。

图4 本文研究设计的太阳能空气集热器的组装过程Fig. 4 Assembly process of solar air collector studied and designed in this paper

图5 本文研究设计的太阳能空气集热器成品图Fig. 5 Finished product photo of solar air collector studied and designed in this paper

3 太阳能空气集热器的测试

太阳能空气集热器的集热效率是评价该设备性能的主要参数，影响集热效率的主要因素包括：盖板的透光率，以及吸热板材料、涂层材料、保温材料的性能。

太阳能空气集热器的集热效率η是指太阳能空气集热器产生的热量Q与照在太阳能空气集热器上的太阳总辐射功率QS的百分比，其计算式可表示为：

式中：m为太阳能空气集热器的空气质量流量，kg/s；Cp为空气定压比热，J/(kg·K)，本文取1005；ΔT为太阳能空气集热器出风口空气温度与进风口空气温度之间的差值，K。

太阳能空气集热器的空气质量流量的计算式可表示为：

式中：v为太阳能空气集热器中的空气平均流速，m/s；S为1 个太阳能空气集热器的有效横截面面积，m2；ρ为空气密度，kg/m3，在标准条件(0 ℃，1 个标准大气压)下取1.29，拉萨市的空气密度为0.767 kg/m3。

太阳能空气集热器出风口空气温度T2与进风口空气温度T1之间的差值计算式为：

根据式(1)，在照在太阳能空气集热器上的太阳总辐射功率和太阳能空气集热器的空气质量流量一定的条件下，集热效率只与出风口空气温度和进风口空气温度之间的差值成正比，因此，出风口空气温度与进风口空气温度之间的差值越大，集热效率越高。而太阳能空气集热器的出风口空气温度与进风口空气温度之间的差值除了与集热器结构、材料和密封程度相关外，最关键的影响因素是照在阳光板上的太阳辐照度，没有太阳辐射就没有集热可言。

制作本文研究设计的太阳能空气集热器样机，然后在西藏大学进行了自然太阳光下的集热性能测试，测试现场如图6 所示。

图6 本文研究设计的太阳能空气集热器的集热性能测试现场Fig. 6 Test site of heat collection performance of solar air collector studied and designed in this paper

测试时使用风量为150 m3/h 的风机；采用荷兰Kipp & Zonen 公司生产的CMP-11 型总辐射仪测量太阳辐照度，测量的波长范围为285～2800 nm。CMP-11 型总辐射仪安装在太阳能空气集热器的一角，其与太阳能空气集热器均正朝向太阳。

测试时间为北京时间2022 年6 月2 日10:25～18:55，该时间段包括了拉萨当地正午时刻13:56。测试当天，天气情况为晴天和离散少云；环境温度为20～30 ℃，日均温度为22.45 ℃；该地的太阳辐照度为161.8～1588.0 W/m2，均值为1316.3 W/m2。在此条件下，以太阳能空气集热器采用跟踪太阳的模式(即根据太阳位置，人为手动频繁调整太阳能空气集热器的摆放角度)测试其集热性能。

太阳能空气集热器的集热性能测试结果如图7 所示。

图7 太阳能空气集热器的集热性能测试结果Fig. 7 Test results of heat collection performance of solar air collector

从图7 可以看出：测试当天，太阳能空气集热器的进风口空气温度(即环境温度)约在20～30 ℃之间，平均值为22.45 ℃；出风口空气温度约达到51～85 ℃，平均值达到68.00 ℃；则太阳能空气集热器出风口空气温度均值与进风口空气温度均值之间的差值约为46.00 ℃。太阳能空气集热器加热的空气最高温度约达到85 ℃，已接近拉萨地区水的沸点(约为86 ℃)，说明该太阳能空气集热器的集热效率非常高。

在正常运行时，由于太阳能空气集热器被严格密封，其送出热气的风量与风机风量相同，可达到150 m3/h。由于风量为风道的有效横截面面积和风速的乘积，因此太阳能空气集热器进风口风速可达到5.31 m/s。当太阳能空气集热器出风口空气温度与进风口空气温度之间的最大差值约为60 ℃(17:20 时)，此时照射在集热器上的太阳辐照度为1522 W/m2、风量为150 m3/h，根据式(1)，可计算出太阳能空气集热器的最高集热效率达到了89%。而一般平板太阳能集热器在低海拔、自然太阳光条件下测试得到的集热效率在55%以下[13]。

从图7 还可以看出：测试当天的环境温度基本稳定在20～30 ℃之间，太阳能空气集热器出风口空气温度随太阳辐照度几乎同步协调变化，具有很强的相关性和一致性。实际上，测试期间太阳能空气集热器并未做保温措施，如果采取了保温措施，这种高度一致性的呈现时间将会延后，太阳能空气集热器的出风口空气温度不会迅速随着太阳辐照度的变化而变化，可以改善太阳能空气集热器输送热气的持续性。由于西藏阳光直射时吸热板的温度会超过200 ℃，因此太阳能空气集热器的保温措施需要考虑耐高温的保温材料。

需要说明的是，本次测试只针对单个太阳能空气集热器进行了集热性能测试，未对串联在一起的太阳能空气集热器阵列进行集热性能测试。而在实际应用中，串联后太阳能空气集热器阵列的集热效率是否为单个太阳能空气集热器集热效率的叠加还需要进一步研究。另外，在研制和测试过程中发现，该太阳能空气集热器的密封性存在一定问题，主要表现在阳光板和不锈钢边框之间的密封性方面，由于不锈钢板和阳光板的热胀冷缩系数不同，导致局部接口出现开裂现象，需要进一步研究和改进。

4 结论

本文针对西藏得天独厚的地理优势和太阳能资源优势，为建筑供暖研发设计了一种太阳能空气集热器，并制造了该太阳能空气集热器样机，然后首次在拉萨市自然太阳光下对其集热性能进行了测试。测试结果表明：在拉萨市太阳辐射条件下，环境温度为20～30 ℃时，该太阳能空气集热器采用跟踪太阳模式，可产出温度在51～85 ℃之间、风量为150 m3/h 的热空气，集热效率非常高。

但该太阳能空气集热器的密封性存在一定问题，由于不锈钢板和阳光板的热胀冷缩系数不同，导致阳光板和不锈钢边框之间局部接口出现开裂现象，需要进一步研究和改进。另外，由于西藏阳光直射时吸热板的温度会超过200 ℃，因此太阳能空气集热器的保温措施需要考虑耐高温的保温材料。