研究蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器實(shí)驗(yàn)

摘要：對蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)拋物槽開口寬度保持不變時(shí)，接收器管徑增大對提高集熱效率作用不大；接收器發(fā)射比越小，集熱器熱性能越高，提高集熱器集熱效率需要考慮改進(jìn)選擇性吸收涂層性能以減小接收器發(fā)射比；集熱器瞬時(shí)集熱效率隨著流體流速的增大而逐步緩慢增大，但進(jìn)出口水溫升降低幅度很大，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行目的來確定集熱器的流體流速，其合理取值范圍為0.2m/s-0.4m/s。 　　0引言 　　太陽能集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它用來收集太陽輻射將產(chǎn)生的熱能傳給傳熱工質(zhì)。聚焦型集熱器是由聚光器以反射或折射的方式將投射到光孔上的太陽光線集中到接收器上形成焦面，接收器將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再由介質(zhì)帶走。雖然一定程度上能提高集熱器的供熱溫度，但它不能收集占太陽光總輻射20%～40%的漫射輻射；對于小聚光比的系統(tǒng)，也存在如何研究與制造的聚光系統(tǒng)問題。 　　復(fù)合拋物面聚光（CPC）集熱器是聚焦型集熱器的一種，應(yīng)用最為廣泛，它應(yīng)用了CPC聚光技術(shù)和熱管技術(shù)，既能提高集熱效率，又可避免一般集熱器的防凍和結(jié)垢問題。韓國學(xué)者對CPC熱管型真空管集熱器進(jìn)行研究，得出無跟蹤與有跟蹤的能流密度和出口溫度對集熱器影響；巴西學(xué)者研究了楔形CPC集熱器不同聚光比平均反射比對最大接收角的接收情況；我國清華大學(xué)的李臻等人利用光線追蹤法，結(jié)合輻射度算法定量計(jì)算了CPC反射面的漫反射和太陽光的散射分量對集熱器光學(xué)性能的直接影響；西安交通大學(xué)任云鋒等人將CPC和熱管平板式集熱器相結(jié)合，研究了一種以平面形吸熱板為接收器的熱管式太陽能集熱器，結(jié)果表明悅孕悅型熱管式太陽能集熱器水溫優(yōu)勢更明顯，有專家對內(nèi)聚光型熱管式太陽能集熱器進(jìn)行研究，建立集熱器的總熱損系數(shù)和效率的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 　　目前，國內(nèi)對CPC集熱器的研究力度不斷加大，但從文獻(xiàn)上看，大部分研究是針對CPC型集熱器理論分析方面，實(shí)驗(yàn)研究及具體應(yīng)用方面的成果較少。對于蛇形管復(fù)合拋物面聚光集熱器國內(nèi)外研究更少，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對其性能進(jìn)行研究。 　　1集熱器整體結(jié)構(gòu) 　　蛇形復(fù)合拋物面集熱器主要由復(fù)合拋物面聚光器、接收器、真空玻璃蓋板和邊框等支撐結(jié)構(gòu)組成，前兩個(gè)部分構(gòu)成了集熱器的集熱和吸熱部分，透明玻璃蓋板主要起到減小集熱器熱損失的作用，邊框支撐結(jié)構(gòu)主要起支撐和保護(hù)作用。聚光器的基板取不銹鋼鏡面板，厚度1.2mm反射比0.8，透明蓋板為雙層真空玻璃蓋板。蛇形復(fù)合拋物面集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1.圖2所示。蛇形復(fù)合拋物面集熱器聚光器和接收器組成的集熱單元按照蛇形布置，集熱單元的直管部分水平放置，兩管端頭連接處采用同管徑半圓弧連接。在每個(gè)半圓弧管段上設(shè)置固定支撐裝置。蛇形復(fù)合拋物面集熱器表面為雙層抽真空玻璃蓋板，可以減少收集熱量的輻射和對流損失。集熱器主要由鐵皮材料支撐框架支撐，以承擔(dān)全部質(zhì)量。除正對太陽的集熱器平面，其余各面為集熱器的絕熱支撐結(jié)構(gòu)面，采用鐵皮作為外保護(hù)層。外保護(hù)層與集熱部件之間加裝聚氨酯保溫材料，最大限度地減少熱量散失。 　　2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 　　蛇形復(fù)合拋物面集熱系統(tǒng)由蛇形復(fù)合拋物面集熱器、水箱、水泵及管路閥門組成，系統(tǒng)原理見圖3。 　　蛇形復(fù)合拋物面集熱器共有17個(gè)集熱單元，聚光器由裝飾不銹鋼制成，蛇形盤管接收器采用薄壁銅管制成，表面涂有選擇性吸收涂層。集熱器的有效采光面積為1.53m2，實(shí)際面積為2.28m2，正南向東西放置，采光面與水平面成40°。為研究集熱器沿水流方向的溫度分布情況，在銅管管壁表面布置熱電偶溫度傳感器，順?biāo)鞣较蛎块g隔2m布置1個(gè)溫度測點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)出口管壁溫度布置2個(gè)測點(diǎn)，進(jìn)出口水溫布置2個(gè)測點(diǎn)，共布置13個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖4。 　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下： 　　1. 水箱 　　集熱系統(tǒng)設(shè)置A，B 兩個(gè)電加熱水箱，水箱設(shè)有溫控裝置，功率6kW，控制精度±0.5℃，容積0.25m2。水箱外表面采用擠塑板保溫。 　　為了循環(huán)用水，系統(tǒng)采用兩個(gè)水箱交替運(yùn)行。測試一個(gè)工況時(shí)，盡量保證從一個(gè)水箱取水。取連續(xù)數(shù)個(gè)晴天工況，每天測試時(shí)進(jìn)口溫度保持某一固定值，對不同進(jìn)口溫度的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。由于室外氣象參數(shù)變化（風(fēng)速、太陽輻射等）導(dǎo)致所測試的瞬時(shí)值存在一定波動(dòng)。 　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 　　3.1接收器管徑對集熱器性能影響 　　如圖5，圖6所示，隨著接收器管徑增大，集熱器的瞬時(shí)集熱效率呈現(xiàn)不斷上升趨勢，而進(jìn)出口水溫升卻逐步降低。由于接收器的熱損與其直徑二次冪成正比，其體積與直徑三次冪成正比，故當(dāng)溫升相同時(shí)，大管徑接收器比小管徑接收器單位體積的熱損少，熱效率更高，但是對于同一太陽輻射照度而言，管徑由10mm增加到20mm時(shí)，集熱器的瞬時(shí)集熱效率增加1%。 　　3.2接收器發(fā)射比對集熱器性能影響 　　如圖7，圖8所示，在某一太陽輻射照度下，隨著接收器發(fā)射比著則增大，接收器對蓋板的輻射換熱增強(qiáng)，接收器管壁溫度降低，與空氣之間的對流換熱減弱，同時(shí)，蓋板溫度升高導(dǎo)致對外熱損失增強(qiáng)，因此集熱器進(jìn)出口水溫升、瞬時(shí)集熱效率隨之降低。當(dāng)太陽輻射照度為840W/m2時(shí)，集熱器進(jìn)出口水溫升，瞬時(shí)集熱效率分別從13.3℃、60.8%降低到12.9℃、59.6%，但效率逐漸降低，這是因?yàn)殡S著接收器管壁溫度的降低，εr越小，集熱器熱性能越好：提高集熱器的集熱效率需要考慮改進(jìn)選擇性吸收涂層的性能。蓋板保溫作用對提高集熱器的熱性能非常重要。 　　3.3流速對集熱器性能影響 　　如圖9所示，集熱器進(jìn)出口水溫升隨著流體流速的增加而逐步減小，主要因?yàn)殡S著流體進(jìn)口流速的增加，管內(nèi)流體到達(dá)湍流狀態(tài)的時(shí)間有所縮短。真空管獲得的加熱能量減少，從而流體出口溫度降低。如圖10所示，瞬時(shí)集熱效率變化平緩，呈現(xiàn)上升趨勢，但由于流速較大，有些熱量來不及被流體吸收，因而變化較為平緩。 　　因此，應(yīng)該綜合該集熱器的進(jìn)出口水溫升以及瞬時(shí)集熱效率來確定該集熱器運(yùn)行時(shí)的流體流速。 　　4結(jié)論 　　4.1當(dāng)溫升相同時(shí)，大管徑接收器比小管徑接收器單位體積的熱損少，熱效率更高，但是對于同一太陽輻射照度而言，管徑由10mm增加到20mm時(shí)，集熱器的瞬時(shí)集熱效率增加了1%。綜合來看，當(dāng)拋物槽開口寬度保持不變時(shí)，接收器管徑的增加對提高集熱效率作用不大。 　　4.2集熱器的接收器發(fā)射比越小，集熱器的熱性能越好，提高集熱器的集熱效率可以考慮選擇改進(jìn)選擇性吸收涂層的性能，從而減小接收器發(fā)射比。 　　4.3集熱器的瞬時(shí)集熱效率隨著流體流速的增大而逐步緩慢增加，但進(jìn)出口水溫升降低幅度很大，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來確定集熱器的流體流速，其合理取值范圍為0.2～0.4m/s。（天津大學(xué)劉樹、張歡、由世俊、馮彬、張曉偉）