高寒地区平板热管式太阳能集热系统热性能研究

Thermal performance of flat-plate heat pipe solar collector system in cold plateau regions

摘要

基于呼和浩特地区高寒气候条件，搭建两组完全一致的平板热管式太阳能集热系统，通过实验对比分析太阳辐射强度、传热工质流量、集热板表面积尘等因素对集热器瞬时集热效率以及系统热性能的影响。结果表明，在同等外界条件下，集热器的集热效率随着工质流量的增加而增大，集热效率与太阳辐射强度变化趋势相近，随积尘密度的增加，集热板表面积尘导致系统的得热量减少，集热性能下降。

Abstract

Based on the cold and high-latitude climate conditions of Hohhot region, two identical flat-plate heat pipe solar collector systems were constructed, and the effects of solar radiation intensity, heat transfer medium flow rate, collector panel surface dust accumulation and other factors on the instantaneous thermal efficiency of the collectors as well as the thermal performance of the system were compared and analyzed through experiments. The results show that, under the same external conditions, the thermal efficiency of the collector increases with the increase of working fluid flow. The change trend of thermal efficiency is similar to that of solar radiation intensity. With the increase of dust density, the dust accumulation on the surface of the collector plate leads to the decrease of the heat gain of the system and the decrease of the collector performance.

Graphical abstract

关键词

平板热管式太阳能集热系统 / 太阳辐射强度 / 工质流量 / 积尘 / 集热效率

Key words

flat-plate heat pipe solar collector system / solar radiation intensity / working fluid flow / dust accumulation / heat collection efficiency

太阳能集热器将太阳辐射能转换为热能并传递给换热工质，其性能直接影响能量利用的效果^[1]。国内外学者对太阳辐射强度、工质流量、环境风速等因素对集热器性能的影响做了较多研究。为提高转换效率，找到接收器能量损失的部位和原因，对接收器热性能开展实验研究很有必要。

平板热管式集热器作为太阳能供暖的主要设备，应用越来越广泛。高志超等^[2]、Kundu^[3]、Hussein等^[4]采用实验装置对集热器进行研究，分析太阳辐射强度对平板集热器瞬时效率的影响。路阳等^[5]通过测量集热器在不同流量下集热器进出口温度，计算太阳能集热器集热效率，建立关于流量的集热器效率方程式。Pourfayaz等^[6]分析环境风速对集热器热性能的影响，结果表明环境风速对集热效率影响较小。在积尘方面，Hegazy等^[7]研究积尘对平板集热器玻璃板透光率的影响，结果表明：玻璃板透光率下降值与其倾角、积尘时间和当地气候条件密切相关。Elminir等^[8]、Semaoui等^[9]研究积尘对玻璃样片透射率的影响，实验结果表明积尘密度增大，相应的透射率减少。EL-Nashar^[10]、侯祎^[11]、李念平等^[12]和刘建波等^[13]研究平板型集热器积尘前后热性能变化，随着表面积尘增加，集热器的热性能大幅下降，导致集热效率和集热器透射率下降。闫素英等^[14]建立镜场积尘数学模型，通过理论分析和试验测试，分析平面镜积尘遮挡机理及积尘前后相对反射比变化情况。王志敏等^[15]研究积尘对槽式太阳能系统光热性能的影响，得出聚光器镜面积尘使焦面聚光特性下降。赵明智等^[16]研究不同沙尘浓度对光伏组件透过率影响，得出随着沙尘浓度升高，透过率降低。

国内外对太阳能集热器的热性能研究较多，但是针对应用于高寒地区的太阳能集热系统研究较少。本文搭建两组完全一致的平板热管式太阳能集热系统，研究不同工况下集热器的热性能。

1 实验装置及测试方案

1.1 实验装置

本实验搭建Ａ、Ｂ两组完全一致的实验系统开展对比实验，如图1所示。系统主要由平板热管式集热器、恒温水箱、流量调节阀、K型温度传感器、循环水泵、玻璃转子流量计、环境数据采集器等组成。集热器选用的是高效抗冻超导平板热管式集热器，位于无遮挡区域，面积为2 m²，与水平面呈45°角朝正南放置。恒温水箱容量为80 L；循环水泵为微型热水增压泵，最大流量20 L/min，额定扬程为8 m；量程为25~250 L/h的LZB-15型流量计。

实验所使用的测试仪器如下：数据采集系统(TP700)，通道数为64；温度传感器（PT100型粘贴式铂电阻），测试范围为-50~200 ℃，精度为 ±0.1 ℃。K型温度传感器，测试范围为-20~200 ℃，数量若干；电子天平（FA2004型），量程为0~200 g，可读性精度为0.1 mg。UV-3600分光光度计，精度为1 nm。通道气象站采集数据，太阳能辐射全自动监测系统，记录测试地点当天环境气象参数。

在实验研究开展之前，对两套系统进行了对照测试，结果表明两套系统进口水温、流量一致的前提下，出口水温偏差小于0.5%，认为两套系统性能完全一致，可以开展对比实验。

1.2 测试方案

A和B两组系统的测点布置如图2所示。A1、B1为恒温水箱1/3处测温点；A2、B2为储热水箱内2/3处测温点；A3、B3为集热器内循环工质进口测温点；A4、B4为集热器内循环工质出口测温点；A5、A6、A7、A8为A组集热器表面温度；B5、B6、B7、B8为B组集热器表面温度；#1、#2、#3、#4为A组集热板上均匀布置的透明玻璃；#5、#6、#7、#8为B组集热板上均匀布置的透明玻璃。

实验测试主要内容：1) 室外环境参数。平板热管式集热器采光面接收到的太阳辐射强度、环境空气温度；2) 集热器运行参数。集热器循环工质的进、出口温度，集热板表面温度，循环工质流量；3) 储热系统运行参数。本实验共采用两个恒温水箱，分别距离水箱底部0.26 m（1/3处）、0.52 m（2/3处）布置两层K型温度传感器，测试之前对水箱内温度进行分层标定。

1.3 积尘收集、布置及称量

1.3.1 积尘的收集

选择实验装置周边地面细小的扬尘，并使用孔径为1 mm的标准筛获得较小粒径的颗粒。

1.3.2 灰尘的布置

先用抹布将集热器表面擦拭干净，后用风机和标准筛等器具在集热板表面均匀布尘。

1.3.3 积尘称量

收取玻璃盖板表面积尘，积尘质量为玻璃盖板有无积尘前后的质量差值。选取8块4 cm×3 cm×0.2 cm的透明玻璃进行平均分布，称量积尘前后透明玻璃的质量，并通过UV-3600分光光度计分别测量无积尘的透明玻璃与积尘状态透明玻璃的透射率。

2 理论计算

2.1 平板集热器采光面余弦因子计算

非跟踪型平板集热器在运行过程中由于太阳入射光束与平板集热器采光面之间存在入射角，使得集热器接收到的太阳辐射能减少，进而造成余弦损失，为准确计算集热器的集热性能，需引入余弦因子的概念，即集热器采光面得到的太阳辐照度（太阳有效辐照度）与太阳总辐照强度之比，其值等于入射角的余弦值。可由式(1)~(9)计算得到：

\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta =\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_Z\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_Z\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma(1)

式中，θ为集热器采光面太阳入射角，(°)；θ_Ζ 为太阳天顶角，(°)；β为集热器安装倾角（由式(2)计算得到），(°)；γ为太阳方位角（由式(3)计算得到），(°)。

\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_Z=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\delta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi(2)

\gamma =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi -\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\delta }\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega }{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }\right)-\mathrm{180}°(3)

式中，δ为太阳赤纬角(由式(4)计算得到)，(°)；φ为当地纬度，(°)；ω为太阳时角(由式(5)计算得到)，(°)；α为太阳高度角(由式(6)计算得到)，(°)。

当\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega >\mathrm{0}时，\gamma =-\gamma。

\delta =\mathrm{23.45}°\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{360}°\times \frac{\mathrm{284}+n}{\mathrm{365}}\right)(4)

式中，n为日期序号，指一年中的第n天，每年1月1日的n为1。

\omega =\mathrm{0.25}°\left(AST-\mathrm{720}\right)(5)

式中，AST为太阳时，可由式(7)计算得：

\alpha =\mathrm{90}°-{\theta }_Z(6)

AST=LST+ET-\mathrm{4}\left(SL-LL\right)(7)

式中，LST为当地标准时，min；ET为全年时差，可由式(8)计算得到，min；SL为标准时计量点处的经度，min；LL为当地经度，东经取正，西经取负。

ET=\mathrm{9.87}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}B-\mathrm{7.53}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta -\mathrm{1.5}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}B(8)

B由式(9)计算得到

B=\mathrm{360}\frac{n-\mathrm{81}}{\mathrm{365}}(9)

2.2 集热器瞬时集热效率

集热器瞬时集热量Q_s，即在短时间内将所吸收的太阳光能转移给水的热量：

Q_s=m{c}_p∆T=m{c}_p\left(T_i-T_o\right)(10)

式中，c_p 为水的比热，J/(kg·K^-1)；T_i 为进口平均水温，K；m为水的质量流量，kg/s；T_o 为出口平均水温，K；

集热器瞬时集热效率η_s 是指瞬时集热量与采光面有效太阳辐射功率之比，表征集热器的集热能力，其计算公式为：

{\eta }_s=\frac{Q_s}{IA}(11)

式中，I为有效太阳辐射强度(由式(12)得到)，W/m²；A为集热器面积，m²。

I=I_t\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta(12)

式中，I_t 为太阳总辐照度，W/m²。

基于集热器进口温度的归一化温差可表示为：

T_i^{*}=\frac{T_i-T_o}{I}(13)

利用最小二乘法进行一次拟合，可得到集热器瞬时集热效率与归一化温差之间的关系式：

{\eta }_{\alpha }={\eta }_o-U{T}^{*}(14)

式中，η_o 为瞬时效率截距；U为热损失系数，W/(m²·K^-1)。

2.3 系统热效率

系统的得热量Q为：

Q=c_p{\mathrm{\rho }}_{\mathrm{w}}\nu (T_A-T_o)(15)

太阳辐照量H为：

H=\mathrm{A}{\int }_{t_{\mathrm{1}}}^{t_{\mathrm{2}}}I\left(t\right)d_t(16)

系统热效率η为系统的热量Q与集热器采光表面太阳辐照量H的比值，其计算公式为：

\eta =\frac{{\rho }_{\omega }{c}_p\nu \left(T_A-T_t\right)}{A{\int }_{t_{\mathrm{1}}}^{t_{\mathrm{2}}}I\left(t\right)d_t}(17)

式中，ρ_w 为水的密度，kg/m³；c_ρ 为水的比热容，J/(kg·K^-1)；ν为储热水箱体积，m³；T_A 为Ａ组水箱内热水温度，K；T_t 为水箱内热水初始温度，K；t₁ 为集热器开始集热的时刻，s；t₂ 为集热器停止集热的时间，s。

3 实验结果与分析

3.1 太阳能集热器热性能分析

图3为太阳辐射强度与室外温度、集热板表面温度、恒温水箱内热水温度随时间变化关系。随着系统运行，恒温水箱内水温不断升高，到15:00左右水温达到71.5 ℃，保持到16:00，之后有所下降，但幅度不大。温度下降是因为随着辐射强度下降，循环工质与水箱中的水换热效果开始减弱，同时水箱通过边壁向外界散热有所增加。

集热板表面温度与太阳辐射强度变化趋势一致，先上升后下降，在13:30达到最大值55.77 ℃，15:00后呈现明显下降趋势，此时辐照度明显下降，集热板换热量降低，内部热管温度下降。

3.2 太阳辐射强度对系统集热性能的影响

3.2.1 对集热器瞬时效率的影响

图4为集热器的瞬时集热效率随太阳辐射强度的变化趋势。集热器进口温度为31 ℃，工质体积流量为200 L/h。由式(11)、(12)计算出9:00—17:00每隔十分钟太阳辐射强度下的集热器瞬时集热效率。

如图4所示，随着太阳辐射强度逐渐增加，集热器瞬时效率随之上升，但曲线斜率不断变小，12:00—14:00之间顺势效率维持在30.33%左右不变。在太阳辐射强度较低时，随着辐照度增加，集热器得热量的增加量要大于热损的增加量，集热效率增加；但随着辐照度再增加，集热管的热量与热损的增加量之间的差值越来越小，导致集热效率的增加越来越小。在15:00—17:00这段时间内，由于太阳辐射强度急剧下降，集热效率快速降低。

图5给出了集热器进口温度为31 ℃，不同流量下(100、150、200、250 L/h)集热器瞬时效率与太阳辐射强度的关系。随着辐射强度增加，集热器吸热加强，从而集热器吸热量上升，集热器的集热效率提高。在太阳辐射强度小于800 W/m²时集热效率的增长幅度大，曲线斜率大；辐射强度大于800 W/m²时，曲线斜率变小，且当辐射强度大于900 W/m²时，集热效率的变化趋于平缓。

集热器散热损失包括对流热损失和辐射热损失。由图3可知，随着辐射强度增加，集热板表面温度增加，集热器辐射热损失和对流热损失增大，故集热效率上升幅度趋于平缓。由图5可知，太阳能辐照度不变时，工质流量越大，系统集热效率越大。

3.2.2 太阳辐射强度对系统热效率的影响

图6为系统热效率随时间变化曲线图，集热器进口温度为31 ℃，工质体积流量为200 L/h。由式(15)、(16)计算9:00—17:00每隔半小时逐时平均太阳辐射强度下的系统热效率。

在9:00—12:00之间，集热器的热量大于热损量，集热效率逐渐上升，水箱的热量增大，系统热效率上升；但是增幅会逐渐减小。当辐射强度达到一定值时，随着辐射强度继续增加，系统的得热量与热损量之间的差值越来越小，集热效率上升趋势缓慢，水箱温升增幅减小，系统热效率上升趋于平缓。在13:00—14:00之间，辐射强度趋于稳定，系统热效率却不断下降，是因为系统对外界的辐射热损失和对流热损失增大，热量增加幅度与热损失增加幅度的差值越来越小，集热效率减小导致储热水箱上升的温度下降。在14:00—17:00系统热效率明显下降。

3.3 流量对系统集热性能的影响

图7为不同辐射强度下集热效率随工质体积流量(100、150、200、250 L/h)的变化关系，集热器进口温度为31 ℃。

如图7所示，在太阳辐射强度与集热板进口温度一定的条件下，不同流量会引起集热效率发生变化，当集热器内工质流量增加时，热损递减，集热效率有所提升。本实验中，流量在100~200 L/h之间，集热效率增长幅度较大，流量在200 L/h以上时，集热效率上升趋势有所削减。随着流量增加，热转移因子随之增加，但增幅逐渐降低，同时热损系数不断被减弱，逐渐下降，最后趋于定值，但增大流量会提高系统循环热泵的能耗。

3.4 集热器表面积尘对系统集热性能的影响

开展A、B两组集热器集热性能校核试验，集热器进口温度为31 ℃，工质流量250 L/h条件下，A、B两组系统集热性能相近，比值的平均值为0.99，以此为基础对后续实验数据进行修正。

3.4.1 积尘对系统热效率的影响

对A组（积尘状态）、B组（清洁状态）进行系统测试，以恒温水箱内水温为基准，初始温度T_t均为31 ℃，容量为80 Ｌ。由式(15)、(16)计算A、Ｂ两组的系统热效率，系统热性能下降值为：

\xi =\mathrm{1}-\frac{{\eta }_B}{{\eta }_A}(18)

由于在相同外界条件下进行测试，有H_B-H_A，故系统热性能下降率的表达式为：

\xi =\mathrm{1}-\frac{{\eta }_A}{{\eta }_B}=\mathrm{1}-\frac{T_B-T_t}{T_A-T_t}(19)

式中，η_A 为Ａ组集热器热效率；η_B 为Ｂ组集热器热效率；T_A 为Ａ组水箱内热水温度，℃；T_B 为Ｂ组水箱内热水温度，℃；T_t 为系统运行时水箱初始温度，℃

积尘密度可用以下公式进行计算：

w=\frac{m}{s}(20)

式中，w为积尘密度，g/m²；m为积尘质量，g；s为透明玻璃面积，m²。

图9(a)为系统集热性能下降率随时间的变化趋势，在9:00—10:00太阳辐射强度较小，系统热性能较弱。集热板表面的积尘会遮挡集热器的有效采光面积，但是灰尘的粒径极小，辐射强度对系统热效率的增加量大于二次飘尘对热性能带来的影响，故系统热性能总体上呈现上升的趋势，热性能下降率逐渐变小并最终在9%左右波动。图9(b)为积尘前后透射率随波长的变化曲线图，透明玻璃洁净时的平均透射率为88.30%，积尘后四块透明玻璃平均透射率的平均值为84.11%，透射率下降约4.19%，随着积尘密度的增加，透镜的透射率下降。

当天最终水温T_e为17:00的水温，将T_e代入公式得集热性能下降率为：

\xi =\mathrm{1}-\frac{{\eta }_B}{{\eta }_A}=\mathrm{1}-\frac{\left(T_{eB}-T_t\right)}{\left(T_{eA}-T_t\right)}(21)

式中，取T_eA =T_A =59.6 ℃，T_eB =T_B =62.45 ℃，得到试验结束时ξ=9.06％，试验结束后，称量积尘前后4块透明玻璃的质量，积尘密度平均值为4.16 g/m²，由图9(b)可知透射率下降约4.19%。故集热器表面积灰会严重影响系统的整体热性能。

3.4.2 积尘对集热器表面温度的影响

图10为A、B两组集热器表面温度变化情况。图10(a)中A系统为清洁状态，图10(b)中A系统为积尘状态，A、B两组盖板表面温度变化趋势基本一致，随着辐照度逐渐增加出现逐渐上升趋势。图10(a)所示，表面温度不同，积尘量对集热器热性能的影响差为2.85 ℃，积尘使集热板表面温度明显下降，是因为集热板表面灰尘对太阳光进行遮挡，使穿过盖板的透射率下降，微热管表面吸收热量减少，通过丙酮的相变循环换热加热量减少，集热器内循环工质温度下降，反作用于集热器盖板表面，导致集热板表面温度降低。

4 结 论

对平板热管式集热系统进行性能测试，通过实验分析太阳辐射强度、工质流量、集热板表面积尘等因素对其系统热性能的影响，得出以下结论：

1) 在流量为100 L/h时，太阳辐射强度从641.49 W/m²上升至945.21 W/m²，集热效率增加了5.39%，系统的集热效率随着太阳辐射强度的增加而增大，但增加的幅度逐步减小。

2) 在平均太阳辐射强度为933.67 W/m²时，流量从100 L/h至250 L/h，集热效率增加了4.10%，集热器瞬时集热效率随着工质流量的增大呈上升趋势，流量较小时集热效率增大的幅度较大，流量较大时集热效率的增幅则较小。

3) 透射率随着集热器盖板表面积尘量增加而下降，在同等外界条件下，集热器表面积尘密度为4.16 g/m²时，透射率从洁净状态的88.30%下降到84.11%，下降约4.19%；系统的热量显著减少，集热性能下降了9.06%。

参考文献

[1] 李国柱, 王帅, 黄凯良, 等. 太阳能集热器种类与集热性能提升技术研究进展[J]. 科技导报, 2022, 40(24):50-63.

[2] 高志超, 隋军, 刘启斌, 等. 30 m²槽式太阳能集热器性能模拟研究[J]. 工程热物理学报, 2010, 31(4):541-544.

[3] KUNDU B. Analytic method for thermal performance and optimization of an absorber plate fin having variable thermal conductivity and overall loss coefficient[J]. Applied Energy, 2010, 87(7):2243-2255.

[4] HUSSEIN H M S, MOHAMAD M A, EL-ASFOURI A S. Theoretical analysis of laminar-film condensation heat transfer inside inclined wickless heat pipes flat-plate solar collector[J]. Renewable Energy, 2001, 23(3/4):525-535.

[5] 路阳, 刘建波, 王克振, 等. 流量对平板太阳能集热器热性能的影响[J]. 兰州理工大学学报, 2015, 41(4):60-64.

[6] POURFAYAZ F, SHIRMOHAMMADI R, MALEKI A, et al. Improvement of solar flat-plate collector performance by optimum tilt angle and minimizing top heat loss coefficient using particle swarm optimization[J]. Energy Science & Engineering, 2020, 8(8):2771-2783.

[7] HEGAZY A A. Effect of dust accumulation on solar transmittance through glass covers of plate-type collectors[J]. Renewable Energy, 2001, 22(4):525-540.

[8] ELMINIR H K, GHITAS A E, HAMID R H, et al. Effect of dust on the transparent cover of solar collectors[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(18/19):3192-3203.

[9] SEMAOUI S, ARAB A H, BOUDJELTHIA E K, et al. Dust effect on optical transmittance of photovoltaic module glazing in a desert region[J]. Energy Procedia, 2015, 74:1347-1357.

[10] EL-NASHAR A M. The effect of dust accumulation on the performance of evacuated tube collectors[J]. Solar Energy, 1994, 53(1):105-115.

[11] 侯祎. 积尘对平板型太阳能集热系统性能的影响[D]. 西安:西安建筑科技大学, 2015.

[12] 李念平, 马俊, 刘刚, 等. 平板型太阳能集热器表面积尘对其热性能影响的分析[J]. 太阳能学报, 2013, 34(7):1197-1201.

[13] 刘建波. 太阳能集热器热性能研究[D]. 兰州:兰州理工大学, 2014.

[14] 闫素英, 魏泽辉, 马靖, 等. 镜面积尘对线性菲涅尔镜场反射比及系统集热性能的影响[J]. 太阳能学报, 2019, 40(3):766-771.

[15] 王志敏, 产文武, 杨畅, 等. 基于槽式太阳能系统的镜面积尘的影响及预测方法分析[J]. 光学学报, 2020, 40(18):64-72.

[16] 赵明智, 张丹, 宫博, 等. 沙漠环境对光伏组件的影响研究[J]. 太阳能学报, 2020, 41(5):365-370.

基金资助

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY19081)