蒋 樾，陈观生，刘良德，刘湘云，肖宏新，罗超鸿

（广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006）

随着能源形势日趋严峻，新能源的开发与利用得到越来越多的关注。太阳能作为新能源之一，储量巨大且广泛分布，收集即可利用。利用太阳能来进行溶液再生的想法多年前即被提出[1-2]。根据太阳能转换形式的不同可将太阳能溶液再生器分为光热式太阳能溶液再生器、光伏式太阳能溶液再生器和光热/光伏混合式太阳能溶液再生器[3-8]。但上述类型的太阳能溶液再生器通常需要增加储液罐、太阳能电池、电渗透再生器、辅助加热器等设备来保证太阳能再生系统的正常运行，这意味着系统更复杂、造价更高、能耗更大[9-12]。因此，对相关设备的简化也成为当下研究的趋势，包括对集热器的再设计、储液罐的功能整合等[12-15]。而在常规太阳能集热器中，槽式聚光集热器因其对工质的加热温度较高而被应用于太阳能溶液再生器中[16-17]。

在传统的太阳能溶液再生器中，太阳能集热器收集的热量首先储存在作为传热媒介的水里，高温水再通过液泵输送到储液罐中储存。这些高温水通过热交换器把热量传输到溶液再生器中的低浓度再生溶液中，溶液中的水分蒸发，完成再生过程。显然，以上再生过程属于二次换热过程，太阳能必须经过水作为媒介才能输送到目标的再生溶液中去，系统较为复杂，不利于再生过程的进行。

为了达到简化设备、提高吸热再生性能的目的，本文提出了一种新型太阳能溶液再生器。该新型太阳能溶液再生器节省了储液罐及二次换热设备，直接将太阳能集热器与溶液再生器连接在一起，利用槽式聚光集热器直接加热管内溶液，并使溶液在溶液发生器内汽化，完成再生过程。这样可以简化太阳能溶液再生装置，增强溶液的加热效果，达到提高溶液蒸发效率的目的。本研究在无预热及有预热情况下对太阳能溶液再生器的吸热再生性能进行了实验研究。

1 实验装置

实验所用的太阳能溶液再生器主要由槽式聚光集热器、溶液发生器、液泵、流量计、三通阀等构成，其系统示意图如图1所示，实验装置图如图2所示。

图 1 系统示意图Fig.1 System schematic diagram

图 2 实验装置图Fig.2 Experimental setup diagram

1.1 太阳能溶液再生器

太阳能溶液再生器的关键系统参数如表1所示。

表 1 太阳能溶液再生器系统参数Table 1 The specifications of solar regenerator

1.2 实验测试系统

本实验利用槽式集热器对循环回路中的溴化锂溶液进行加热，并使其在溶液发生器中蒸发，完成溶液再生过程。为了记录实验过程中的各项参数变化，在太阳能溶液再生器的各部分位置设置了多种测量仪器，其主要参数情况如表2所示。

表 2 测量仪器系统参数Table 2 The specifications of testing system

5个K型热电偶分别布置在如图1所示的位置中，分别用于测量太阳能溶液再生器中的集热器进口温度tin、集热器出口温度tout、溶液发生器温度ts1、ts2和ts3，其中定义溶液发生器的温度ts为ts1、ts2和ts3的平均值。除此外还有1个热电偶放置在空气中测量环境温度ta。所有的温度数据都传输到TP700多路数据采集仪中保存。而放置在实验台附近的太阳直射仪用于采集实时太阳直接辐射强度。

本研究的实验地点为广东工业大学工学三号馆楼顶，实验所用的槽式集热器为南北轴向放置于楼顶，所用溴化锂溶液质量分数为40%，实验过程中的流量稳定在0.1 L/min，温度、太阳直接辐射强度由相应仪器自动记录，同时每半小时读取一次溶液发生器上的刻度值记录溶液蒸发量。实验时间为8:30～16:30。

1.3 实验误差分析

采用Kline[18]的不确定性分析方法对实验中的蒸发效率进行误差分析。在太阳能溶液发生器吸热实验过程中，热电偶测温、流量计测流量及太阳直射仪测辐射强度可以作为3个主要的不确定性变量。根据相关分析，热电偶测温的不确定度为2%，流量计测流量的不确定度为4%，太阳直射仪测辐射强度不确定度为1%，其总体的蒸发效率不确定度为4.6%。通过至少3次以上重复测试表明，实验系统的不确定度均在可以接受的范围内。

2 实验结果及分析

2.1 计算公式

槽式集热器所吸收的太阳能由直射辐射强度以及集热面积求得，如式(1)所示。

其中ΦI为集热器所吸收的太阳能，W； q 为直射辐射强度，W/m2； A 为集热面积，m2。溴化锂溶液所吸收的显热为

其中C是溴化锂溶液的比热容，J/(kg·℃)；M是质量流量，kg/s；∆t=tout−tin。水蒸发所需要的潜热为

其中 ∆m代表单位时间溶液蒸发质量，g；m代表溶液总质量，g，τ为记录时间间隔，s；ΦE为水蒸气所需要的潜热，W；ΦW为水的汽化潜热， J/kg。溴化锂溶液所吸收的全热为

其中ΦT为溶液所吸收的全热，W。水的蒸发速率为

其中v为水的蒸发速率，g/min。系统的蒸发效率 ηs为

2.2 结果分析

2.2.1 无预热实验

于2019年3月17日进行了无预热过程实验，溴化锂溶液从室温开始接受槽式集热器加热，其相关数据记录在图3(a)～图3(f)中。

图3(a)是第1次实验的环境温度ta和直射辐射强度q 随时间的变化曲线。图3(b)中记录了实验系统中各位置温度随时间变化曲线，可以看出实验系统整体温度都在随时间升高，但温升速率较低，以至于经过1 d的日晒，各位置温度都不超过86 ℃。图3(c)则展示了蒸发速率v和溶液发生器温度ts随时间变化的曲线，由于溶液发生器温度在1 d内都没有超过100 ℃，导致了溴化锂溶液的蒸发速率v一直保持较低水平。图3(d)记录了溶液总质量m和溶液质量分数 ζ 时间变化曲线，其溶液总质量由最初的12 000 g下降到11 104 g，质量浓度由40%上升到43.2%，由此可见其蒸发量较少。

图 3 无预热实验数据Fig.3 Data of the experiment without pre-heating

图3(e)计算了热量随时间变化的曲线，图3(f)表示蒸发效率ηs和溶液发生器温度ts随时间变化的曲线。显然可见，较低的潜热量以及溶液发生器温度直接影响了整个太阳能溶液再生器的蒸发效率ηs，导致其日均蒸发效率ηs只有0.049。

结合上述图表的分析，发现在实验过程中，由于溴化锂溶液是从环境温度开始升温的，温升缓慢，以至于1 d内溶液发生器温度尚未提升到86 ℃，而水在100 ℃以上才有较高蒸发量。为了进一步提高溶液的蒸发效率，进行了有预热的实验，利用加热器将溶液发生器内的溴化锂溶液预热至90 ℃，然后关闭加热器，开始后续循环实验。

2.2.2 有预热实验

于2019年3月19日进行有预热过程实验。溴化锂溶液从8:00开始预热，约在8:28达到90 ℃，此时关闭电加热器，转入太阳能加热过程，其相关数据记录在图4(a)～图4(f)中。

图 4 有预热实验数据Fig.4 Data of the experiment with pre-heating

图4(a)是环境温度ta和直射辐射强度q 随时间变化的曲线。而图4(b)所示的温度变化曲线则与图3(b)截然不同，在预热的作用下，溶液温度ts在起始阶段就达到了90 ℃附近，并在日照下，1 d内大部分时间维持在100～105 ℃。图4(c)中显示溴化锂溶液能在1 d内都保持较高水平的溶液温度ts以及蒸发速率v。由此可见，溶液温度ts与蒸发速率v呈现正相关。图4(d)记录了溶液总质量m和溶液质量分数 ζ 随时间变化的曲线，其溶液总质量由最初的12 000 g下降到7 859 g，质量浓度由40%上升到61.1%，与图3(d)相比，蒸发量有较为明显的改进。

辐射热ΦI、总热ΦT、显热ΦS以及潜热ΦE随时间变化的曲线如图4(e)所示。得益于预热带来的高蒸发速率v，图4(e)所示的潜热ΦE显著高于图3(e)的。其余热量则在2 d中保持大体一致的水平。

通过图4(f)可以得出，第2次实验的日均蒸发效率ηs为0.186，是第1次实验的3.8倍。由此可以得出推论：实验台采用预热的方式后，其蒸发效率ηs比不采用预热有明显提高。

3 结论

本实验利用槽式集热器对循环回路中的溴化锂溶液进行加热，并使其在溶液发生器中蒸发，完成溶液再生过程。具体而言是研究了溴化锂溶液所体现的吸热升温及汽化特性，获得了无预热及有预热的情况下实验系统内溴化锂溶液的相关结果。

结果表明，再生器内的溴化锂溶液具有较为理想的吸热能力，升温速率快，能够连续而且稳定地产生蒸汽，特别是在利用了预热方式后，溴化锂溶液汽化效果更为明显，其日均蒸发效率可达0.186，是不进行预热情况下的3.8倍。两次独立实验的对比验证了加入预热过程能使溶液蒸发效率得到较大提升，这为以后在同类实验中利用预热手段提升溶液蒸发效率提供了依据。