太阳能集热器集热的研究范文

《农业工程杂志》2014年第五期

1国内外研究现状

1.1国外研究现状

BhagoriaetalJL等［2］在集热器透明盖板与吸热板之间增加了一层聚四氟乙烯膜，集热器集热效率提高了5%，若采用蜂窝状聚四氟乙烯，则集热器效率能提高12.1%。TirisC等［3］在对翅片进行传热分析的基础上，计算了吸热板的热损失系数，研究了不同的翅片形状(矩形、三角形)对平板集热器效率和成本的影响，并以铝吸热板为例，进行了经济性分析。MatrawyKK等［4］对蛇形管式(STC)、管板式(PTC)和双平行平板式(TPPC)集热器进行了对比研究，模拟计算了集热器吸热板温度、全天有用能和平均效率，TPPC效率比STC高6%，比PTC高10%。KunduB［5］在同时考虑温度对集热器热损失系数和吸热板导热系数的影响的基础上，建立了全新的平板集热器优化模型，研究了环境温度和太阳辐射强度对集热器优化结构的影响。CadafalchJ［6］建立了平板太阳能集热器的一维瞬态数学模型，该模型针对多层盖板、空气夹层、表面涂层、保温层等不同的结构和部件进行分析，还利用实验数据对模型结果进行了对比验证。NayakJK［7］对3种测试平板集热器瞬时效率的方法进行了全面的对比分析，并将瞬时测试结果与基于ASHRAE93-86标准的稳态测试结果进行了对比，结果显示DSC方法与测量值更加接近。CarvalhoMJ等［8］对比了DST和CSTG两种集热器性能测试方法，并给出了两种方法的性能测试结果和它们之间的转换因子。丹佛建成了利用空气加热，利用一个烧天然气的炉子作为辅助热源，采用卵石床进行蓄热的太阳房。该建筑地板面积约195m2，设计热负荷114500kJh。这些太阳房的成功运行，为太阳能在供热空调领域的应用开辟了可行的途径［9］。

1.2国内研究现状

张彦峰等［10］对平板集热器中存在的自然对流现象进行了理论分析，解决了不同倾角集热器空气夹层最佳间距的确定问题。对空气夹层中的自然对流热损失、空气夹层间距及放置倾角3者的相互关系进行了分析计算，提出在0°≤Φ≤90°，102＜Ra＜106的范围内几种倾角位置空气夹层最佳间距的推荐值。崔永亮等将方形蜂窝和百叶形蜂窝对平板集热器热性能的影响进行了3维数值模拟，结果显示，方形蜂窝优于百叶形蜂窝。当蜂窝高度为60mm的条件下，当蜂窝孔径≥40mm后，方形蜂窝和百叶形蜂窝几乎失去抑制对流的功效。郑振宏等对V形隔热膜平板集热器进行了理论和试验研究，结果显示V形隔热膜可以有效抑制对流热损失，减小顶部热损失系数，提高集热器效率10%左右，工质温度越高，热效率提高幅度越大。V形隔热膜平板集热器运行于70～100℃时，热效率在30%～45%。张鹤飞对金属直管型、金属蛇形管型、非金属直管型和非金属蛇形管型4种集热器进行了理论分析，提出了无因次参数可作为设计各类集热器的重要参数，衡量集热器性能好坏的指标。热阻值与当量导热系数的乘积越小、肋效率越高，集热器额集热因子越高。赵军等提出了一种新的集热器吸热板温度场分布的简易算法，并将计算结果与有限元数值计算方法得出的结果进行了对比，表明该简易算法是可靠的，可用于分析吸热板结构、气象参数对集热器传热的影响。杨小凤等对平板集热器、CPC平板集热器、真空管集热器和CPC真空管集热器的性能进行了理论计算和比较，中温时平板的热损失数最大，CPC平板次之，真空管再次之。平板集热器在50℃以下时，性能比真空管集热器好，但入口水温在90℃左右时，平板集热器的效率远低于其他几种。

卞卫等用热力学第2定律分析了进口温度和流量对平板集热器效率的影响，并研究了求解最大效率的方法。罗振涛对强制循环平板集热器进行了效率测试，建立集热器的数学模型进行了模拟计算，并对理论计算和试验结果之间的误差进行了分析。计算效率和测定效率之间的误差是由于所取时间间隔太大。流量不同，得出的效率曲线也不同。李炳海等将太阳能集热器，安装在日光温室东侧缓冲间屋顶，保温储热水箱充量为1000kg，安装在温室内东侧山墙边。结果表明:日光温室使用地热加温系统后，室内15cm深土温在晴天时平均比不加温的对照区提高2.94℃，阴天提高2.56℃。最低土温由11.0℃提高到13.9℃。而且发现对5cm以上的土壤温度和温室内气温的差异较小。太阳能地热系统能够对土壤温度有明显的提升作用，热能主要集中加热了15～25cm深度的土壤。王奉钦［19］对太阳能集热器辅助加温系统对温室地温的升温效果进行了系统的研究和试验，并进行了一定的理论分析和计算，试验结果表明，这种方法具有明显的地温升温效果。肉孜•阿木提等［20］通过对钢化玻璃-蛇形单层通路、钢化玻璃-蛇形双层通路、PC阳光板-蛇形单层通路和PC阳光板-蛇形双层通路4种集热板的比较得出，PC阳光板-蛇形单层通路集热效率最高。效率为74.6%，传热介质温度可达到105.2℃，造价低于真空管式集热器的13。刘伯聪等［21］对比较连续晴天、连续晴天且气温较高、阴天，太阳能蓄热系统的蓄热效率。通过试验得出太阳能蓄热系统使用后，夜间室内平均气温由9.3℃提高到13.7℃，－20cm土壤温度由15.6℃提高到17.7℃，说明该系统有效提高日光温室中的地温与气温。余学江［22］设计了一种半固定式可调节集热器，通过大量计算得出不同时期集热器应选择的最佳倾角。设置了8个调节角度，每年可调节14次。与固定式集热器相比，其集热效率提高了8.3%。

2太阳能集热器的种类

太阳能集热器的种类有平板型平行流道式集热器(图1)、平板型蛇形管式集热器(图1)、全玻璃真空管集热器(图2)和热管式真空管集热器(图3)。

2.1平板型平行流道式集热器

集热器载热流体的通道是相互平行的，下端设分水管，上端设集水管，这种流道形式在日常的平板式集热器中比较常见，它的特点是进入集热器的载热流体流量大，流体进出口温差小，适用于需获得的流体温度不高，循环加热流体的场合。

2.2平板型蛇形管式集热器

载热流体通道在集热器内部弯成蛇形，从流体进口到出口就只有一个通道，它的特点是进入集热器流体的流量小，但流体进出口温差大，适用于获取较高温度，直通加热流体的场合。

2.3全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管具有集热效率高，保温性能好，使用寿命长等优点;但由于其承压部分为内玻璃管，所以其承压能力低，且玻璃管内易结垢，管内的水容量大，无法取出使用，导致了热水利用率降低。

2.4热管式真空管集热器

热管工质热容量小，启动快;真空集热管内没有水，耐冰冻;耐热冲击;热管和连集管是金属，承压能力强;热管有“热二极管效应”，保温好;集热管采用“干性连接”不漏水，运行安全可靠，易于安装维修。但是成本高，当集热器与环境之间温度差小时热效率低。

3存在的问题

(1)太阳能集热器理论计算模型仅对集热器的某一部分进行分析和优化，不适用于集热器整体的热性能评价。模型应用的假设和简化，脱离了平板集热器实际运行工况，结论的应用范围受到了很大的限制。(2)常见的平板式太阳能集热器一般为平行流道式，集热器载热流体流量大，进出口温差小，玻璃透明盖板为单层玻璃，底面和侧面的保温层也较薄，导致了集热器热损大，高温段的热效率偏低。(3)温室的地温与气温在很大程度上决定植物的生长，地温不仅直接影响植物根部的生长和根系的形成，还影响养分和水分的吸收、土壤微生物的生存、部分蔬菜的花芽分化及其发育和产量等［23］。大部分日光温室在严寒冬季很难满足作物生长要求，温室内无供暖设备时，生产喜温类蔬菜有很大困难。使用传统的加热方式对温室进行加温，即浪费大量的不可再生资源，又产生大量的温室气体污染环境。(4)太阳能集热器主要的两大种类是平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。平板型太阳能集热器存在严寒冬季的冻裂进而热量损失严重的问题;真空管型太阳能集热器虽然集热效率可达到94%，但是整体不承压并且易破碎，而且成本比较高。(5)冬季是日光温室加热的主要时间段，尤其是在严寒冬季的夜晚，室外气温与土壤温度极低，严重威胁到作物的生长。此时使用集热器对温室进行加温。集热器处在－20℃左右的环境中，会失去韧性极易破损。平板集热器中的水冻结，影响集热器的正常运转，导致集热管炸裂。(6)太阳能集热器集热系统中，主要是太阳能板的集热部分，集热面积与太阳能利用率成正比。即集热板的面积越大集热越多。但是实际中由于环境条件的限制，集热器的摆放角度成为影响集热面积的重要因素之一。寒冷冬季由于集热器角度固定，吸收直射太阳光线的范围有限，大大降低了集热效率。

4解决策略

(1)在实际应用中，太阳能集热器集热效率的高低完全取决于实验中对集热器各部分材料的分析和比较。理论模型的建立不能单一性、局限性。要对太阳能集热器的整体进行性能评价，从多角度建立模型，将理论与实际相结合，实现集热的最大化。(2)提高集热器集热性能的措施:①调整双层玻璃盖板内层玻璃与外层玻璃间的间距，以减小吸热板通过玻璃盖板向环境的散热损失;②增大集热器内流体流速、增大集热器铜管内表面换热系数等以减小吸热板至载热流体的热阻。(3)在严寒冬季对日光温室使用太阳能地热系统对温室土壤进行加温，主要集中对深15～25cm处土壤进行加温，可以保证喜温蔬菜根系对温度的最低需求，保证作物根系的生长。(4)采用平板型太阳能空气集热器，采用PC阳光板-蛇形单层通路，PC阳光板透光率要好。更重要的是PC阳光板特有的中空结构，使板材具有良好的隔热、保温、抗冲击性能，有效地阻隔了热量的散失［24］。蛇形单层通路高于双层通路的集热效率，且结构简单，成本低廉。(5)目前平板集热器防冻结的方法有加热防冻循环、落水放空和不排水放空。这3种方法虽然在一定程度上可以起到防冻效果，但是实际操作繁琐，消耗大量时间。目前最方便有效的方法是防冻液与水进行二次换热。将防冻液作为传热工质，可有效增加集热板的御寒能力，防止集热管的炸裂。(6)将集热器支架设计成角度可调的，通过调整支架的角度进而确定集热器的角度。通过计算得到当地的集热器摆放最佳倾角，定期调节集热器的角度，有效集热面积最大化同时也是增加了太阳光垂直射入集热板的面积，提高了太阳能的利用效率也提高了太阳能集热器的集热效率［25］。

5结束语

国内外学者对太阳能集热器的研究分析，采用了理论计算和模型对比，在一定程度上解决了集热器集热效率的问题，但是没有对集热器整体进行系统研究。提升的也只在于某一部分的集热性能，理论计算和模型也比较复杂，不便于工程计算和设计的需要。一些模型在优化过程中过度重视热性能的改善，忽视了规模化推广应用产品的经济性、稳定性和实用性。针对严寒地区冬季寒冷，日光温室土壤温度较低，严重限制农作物的正常生长，甚至出现冻伤、冻死现象。为了防止这种现象发生，大部分地区使用温室大棚，进行夜间必要加热。对温室的加热存在首要问题:加热消耗大量的化石燃料，化石燃料燃烧产生大量有害气体和温室气体，严重污染环境。为了减少化石能源的利用率和温室气体排放对空气的影响，采用新型温室加温方式———太阳能集热器对温室的加温。采用太阳能集热器加温在一定程度上保护农业生态环境而且也是农业可持续发展的重要举措。节省燃料费用支出，农民的收入也得到了保障，体现了以人为本的重要思想。

作者：姚亮马俊贵吕全贵张振国许红军董蓬单位：新疆农业大学机械交通学院新疆农牧业机械管理局新疆农业大学林学与园艺学院