节能建筑光热系统中太阳能集热器的研究进展

2024-02-22郭峰,李强

煤气与热力 2024年1期

郭峰, 李强

(山东建筑大学热能工程学院, 山东济南 250101)

1 概述

在建筑领域,太阳能利用的研究主要集中在太阳能发热和太阳能发电方面[1-2]。而太阳能集热器是节能建筑光热系统中最重要的组成部件,因此,对太阳能集热器的研究对太阳能开发利用具有重要意义。目前,在工程实际应用中平板型集热器和真空管型集热器被广泛应用,因此,本文对这2种类型的太阳能集热器进行综述。

2 平板型集热器

对平板型集热器,集热器吸收太阳辐射能的面积与集热器的采光面积相等。常见的3种平板型集热器见图1[3]。

图1 平板型集热器的3种类型

Ⅰ型集热器是由表面的透光盖板和下方的吸热板、底板组成,空气流道位于透光盖板和吸热板之间;Ⅱ型集热器由表面的透光盖板、吸热板和下方的底板组成(透光盖板和吸热板间有一定空隙),空气流道位于吸热板和底板之间;Ⅲ型集热器由表面透光盖板、插入空气流道中的吸热板、底板组成,空气流道分为上下2层。其中Ⅰ型集热器应用较为广泛,其工作原理是:太阳光透过透光盖板投射于吸热板,吸热板完成太阳能到热能的转化,然后将转换后的热量传递于工作介质(空气),促使流道中的空气温度上升。集热器通过这种方式向外提供有用能。

平板型集热器的热性能受透光盖板、运行参数(空气流量、入口空气温度、太阳辐射照度、倾角)、吸热板及流道等因素的影响。

2.1 透光盖板

通过调控透光盖板的有效透过率、表面对流换热系数及其自身的热导率等参数,从而使太阳能集热器的集热效率发生改变。葛新石等人[4]利用差额法对多层透光盖板-吸热板体系中的有效透过率、吸热板的有效吸热率、最外层盖板有效反射率、透光盖板有效吸收率以及吸热板的热损失进行了分析,并给出了相应的计算方法。戴天红等人[5]以玻璃罩对太阳辐射能量的吸收为基础,从理论上导出了一种单层玻璃罩式集热器的有效穿透系数与吸收率之积,可以在太阳能集热器的数值模拟中使用。张志强等人[6]开发了一种新型的透明蜂窝盖板,并将其应用于平板型集热器。在此基础上,对不同蜂窝结构下集热器的集热率进行了实验,导出了其穿透率的计算式,由此证明了集热管宽度与集热率之间的相关性。

2.2 运行参数

林金清等人[7-8]在二维假设的基础上分别对Ⅰ型和Ⅱ型2种不同集热器的流体热质传递构建了稳态数学模型,采用有限差分法求解,然后利用FORTRAN77编程计算,得到了在稳态的条件下集热器的速度分布、温度分布,以及集热器的集热率分别与空气的流量和入口温度、太阳辐射照度及盖板透光率的相关性。结果表明,这2种类型的集热器的集热率随空气流量和盖板透光率增加而增加,但是入口温度和辐射照度对集热率的作用却与之相反。林金清等人的研究对这2种不同集热器的研究开发和运行具有一定的指导意义。夏国权等人[9]在热量传递的一维假设下构建了数学模型,进而推导出沿程温度分布、介质出口温度和全天系统集热率在准静态的条件下的近似解。通过计算得出介质进口温度、介质流动速度和流道深度对集热器的传热性能的影响趋势。研究发现,全天的集热率与介质的流动速度成正比,与介质进口温度成反比,而随着流道深度增大,集热效率首先是急剧上升随后又逐渐下降。毛润治[10]通过实验分析研究了3种不同气流冲刷式盖板集热器的热特性和空气流量率的相关性。由实验数据分析可知,集热器总的热损耗随着空气流量率增大,呈现出先增大而后又减小的趋势,最后达到一个平稳状态。此外,通过实验数据归纳出空气流冲刷式盖板集热器的总热损失与流量率的关联式,并得到热转移因子与流量率之间的关联式。计算出集热器可达到的最高工作温度,进而求得流量率的最优值。闫崇强等人[11-12]则开展了集热器倾角对V型集热器的集热性能影响的实验研究,并提出昆明地区最优倾角是25°。

2.3 吸热板

吸热板是吸收太阳辐射能并向工作介质传递热量的重要构件,因此,集热器的集热效率受吸热板的结构形式、涂层、流道以及集热腔体的构造和基板情况的影响较大。其中Ucar等人[13]基于实验和火用分析方法,剖析了吸热板形状和布置方式对换热过程的作用,并发现调整形状和布置方式可以提升太阳辐射能的吸收量,进而强化腔体换热效果。并且与传统集热器相比,其集热效率提升了30%。EL-Sawi等人[14]通过对比人字型金属吸热板与平板、V型槽板的集热效率,发现在特定工况下,应用人字型金属吸热板的集热器的集热效率较高。Peng等人[15]采用了将针状肋阵列结构放在吸热板之上的方法,对其进行了实验研究和理论分析,提出当盖板透过率为0.83时,得到各种形式针状肋阵列的集热效率的范围为0.50～0.74。

目前,吸热板的涂层主要有选择性吸收涂层和非选择性吸收涂层2种。为了满足在太阳辐射下的吸收能高,又有较小的热损耗,因此涂层材料必须选用选择性吸收涂层[16]。其中,金属氧化物、碳化物、氮化物以及金属陶瓷等诸多复合材料都是选择性吸收涂层。此外,有机聚合物作为吸热材料也成为发展趋势[17]。平板集热器工作时,热损耗主要来自于顶部、底部及边框的热量散失,其中所有热损耗中顶部占比最高可达60%以上[18]。所以,想要有效提高集热效率,就应改善顶部的热损耗。顶部热损耗产生的原因是,吸热板与盖板存在明显的温差,热量经过自然对流传递至透明盖板,从而引发热损耗。所以,合理设置吸热板与盖板的间距,可以有效改善集热效率[19-20]。邓月超等人[21]通过数值模拟方法探究了不同吸热板温度和集热器与水平面间倾角的工况下,自然对流热损耗与吸热板和夹层间距的关系。夹层间距一定时,吸热板温度越高,对流换热系数越大,自然对流换热作用越强,热损耗越大。集热器水平放置时,自然对流换热作用最强,热损耗最大,当倾角超过30°后,自然对流热损耗基本不变。

2.4 流道

近10年,学者们热衷于研究集热器流道改进。丁刚等人[22]采用CFD方法数值模拟流道改进后集热器内部工作介质的流场分布和传热过程,模拟发现,在不改变工况的情况下改进后的集热器集热效率可升高20%左右。刘一福[23]利用FLUENT软件模拟研究了在变夹角和变间距条件下扰流板空气集热器集热性能的变化趋势。通过研究结果可知,扰流板空气集热器热性能最优时的扰流板夹角和间距分别为45°和140 mm。夏佰林等人[24]则开展了蛇形流道太阳能平板集热器集热性能实验探究,提出流道转弯数量和集热性能的关系,并确定了转弯数量的最佳值。Hu等人[25]研究表明挡板可强化对流换热降低热损耗,从而改善了集热器集热性能,并提出在特定工况下,最佳挡板数量为3。并发现太阳辐射密度、周围环境温度等环境工况对集热性能的影响较小。贾斌广等人[26]对蛇形太阳能空气集热器的流道结构进行进一步的优化,提出涡旋形太阳能空气集热器,并指出涡旋形的结构可以通过减小空气流动过程的涡流来降低压力损失与强化传热。

3 真空管集热管

为了克服平板型太阳能空气集热器顶部的透明盖板热损失大的缺点,相关学者将真空管引入了太阳能空气集热器中,设计了真空管太阳能集热器[27]。此种集热器的制作成本更低并且加工制作相对简单,所以这种集热器市场占有率很高,是目前使用范围最广的一种集热器[28]。目前,真空管集热器应用广泛,在供热供暖系统、太阳能辅助热泵系统、食品干燥处理及海水淡化等都有应用。但是,真空管集热器并不是完美的,在实际应用中,它的集热性能还有进一步的发展空间。

3.1 真空管集热器的发展

真空管集热器的内部和外部玻璃管之间存在一个真空环境,且在真空管内侧面涂有选择性吸收层,该真空结构不仅可以降低热损耗还可提高抗冻性能[29]。初期,水作为真空管内换热介质被广泛应用,但太阳能利用率较低。主要原因是升温后的水被储存于蓄热水箱,而未被直接利用。因此,具有高换热性能及应用强制对流换热方式的U形真空管集热器迎来了良好的发展契机[30]。此外,考虑到液体工质会遇到冻结、堵塞和泄漏等问题,因此许多学者开始研究以气体为介质的集热管[31]。随着研究的推进,发现集热器集热性能不好的原因之一是气体换热系数较液体小。为了提升集热性能,Lamnatou等人[32]研制了一种以相变材料作为传热介质的热管太阳能集热器。其热管蒸发段设置在真空管内,而凝结部分与换热流体进行换热,其换热效率得到了极大的提升。

3.2 真空管集热器的改进设计

以往学者通过优化真空管结构及改进换热材料以达到提高换热性能的目的。其中优化结构的常见措施是:提高吸收板的粗糙度,造成传热面上的分层流动;采用空气射流,使换热面周围的空气流动发生改变以提高换热;增加气流的循环频率,进而提高空气流动速度;设置扰流板,以此来强化流动干扰等。改进换热材料的举措有:选用不同的吸收材料,探索能强化吸收太阳辐射能的材料;将换热介质替换成纳米流体,以实现增强换热流体换热系数的目标;应用相变材料使集热器内部温度降低,以此减少热损耗。

Mittal等人[33]探究了不同吸热板粗糙度的真空管集热器的热性能,研究传热系数与摩擦系数的关系,并建立了公式。该研究结果表明,当雷诺数大于1 200时,肋片倾斜比不倾斜热效率高;当雷诺数小于1 200时,有金属网的集热器比没有金属网的集热器的热效率更高。空气射流对集热器热效率的提升效果明显,与雷诺数、迎角、射流直径和喷射距离相关[34]。Belusko等人[35]指出相比于传统集热器,射流方式的集热器的热性能提升了约20%。Wang等人[36]研制了一种带有微型热管阵列的真空管集热器,采用高导热性的微型热管阵列和绝热真空管可有效改善集热率并且减小压力损失,并且发现集热器的效率可达到82.7%,压力损失小于20 Pa。此外,增加风量有利于热效率的提升。梁若冰[37]则对U形真空管集热器的结构进行了改进。其探究结果表明U形集热管根数为1、2、3时的换热率分别升高至74%、77%和82%。Kabeel等人[38]设计了由2根同心铜管组成的新型热管集热器,这种新型集热器热效率最大达到67%。

真空管集热器的热量主要来自于管内涂层对太阳辐射的吸收,因此,集热器的性能主要受涂层的影响。Zhao等人[39]采用的涂层材料是TiC-TiN/Al2O3,在温度为82 ℃条件下,该涂层有较高的吸收率(0.92)和较低的发射率(0.11)。此外,换热工质在热量输运过程中是不可或缺的重要部分,且换热流体必须具备换热系数大、流动阻力小及高比热容等特性。因此,研究换热工质的物理性质对改善集热器集热性能具有重要意义。Olfian等人[40]将真空管集热器中经常使用的纳米流体进行了归纳总结,并给出了纳米粒子相符的几何尺寸和体积分数。除了前面提及的几种方法外,将相变蓄热材料与真空管集热器的耦合是一次重大的改变和创新。Qiu等人[41]采用超临界二氧化碳作为传热介质应用于抛物槽式集热器,该系统的热效率最高可达84.17%。Algarni等人[42]采用纳米流体并结合相变材料以提高换热工质的换热系数和蓄热能力,系统热效率提高了32%。

3.3 相变型真空管集热器

相变蓄热材料的潜热特性可以有效应对换热介质比热容低的问题,其蓄热特性能降低储罐的造价和扩大空间使用率。鉴于此,近些年众多学者致力于研究相变蓄热材料与真空管集热器的耦合。

常见相变蓄热材料可分为有机物和无机物2种,其中常用于真空管集热器的相变蓄热材料见表1。

表1 常用于真空管集热器的相变蓄热材料

在实际的工程中,针对不同的应用环境应选用合适的相变蓄热材料,但由于相变蓄热材料具有热导率低、稳定性差、具有腐蚀性及易泄漏等缺陷,因此,需要加入膨胀石墨等物质来改善其特性,从而克服以上缺陷。

相变蓄热材料与真空管集热器的结合形式包括将相变蓄热材料嵌入真空管内部、单独布置相变蓄热单元、联箱内嵌入相变蓄热材料以及管道中嵌入相变蓄热材料。Felinski等人[43]设计了以石蜡为相变蓄热材料的真空管集热器,研究发现改进的结构可以减少约30%的热量损失。Chopra等人[44]在集热器联箱中填充了硬脂酸,发现该系统的热效率最高可达到72.5%。Arkar等人[45]将相变蓄热材料嵌入建筑供暖系统通风管道,经过实验分析得出该系统的太阳能供热率可达到63%。