平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)分析

張拓

摘 要：平板太陽(yáng)能的集熱器設(shè)計(jì)，與太陽(yáng)能的傳熱效果存在直接的關(guān)系。平板太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程中，要達(dá)到耐用的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)設(shè)計(jì)的方式，改善平板太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)，提高傳熱的效率，保障平板太陽(yáng)能具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)出傳熱的價(jià)值。因此，該文主要從吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)、吸熱板厚度設(shè)計(jì)、吸熱板寬度設(shè)計(jì)、流量設(shè)計(jì)等方面探討了平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：平板太陽(yáng)能 集熱器 設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（c）-0052-02

平板太陽(yáng)能集熱器是由吸熱板、透明蓋板、保溫層、外部殼體構(gòu)成的，主要利用太陽(yáng)能低溫?zé)?，廣泛運(yùn)用在生活、工業(yè)等方面。近幾年，我國(guó)平板太陽(yáng)能的數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)集熱器設(shè)計(jì)的要求逐漸提高，為了保證平板太陽(yáng)能集熱器的發(fā)展能力，應(yīng)該規(guī)范好集熱器的實(shí)踐設(shè)計(jì)，完善集熱器設(shè)計(jì)的同時(shí)，確保集熱器在平板太陽(yáng)能中的質(zhì)量。

1 平板太陽(yáng)能集熱器的傳熱設(shè)計(jì)

集熱器是平板太陽(yáng)能的熱交換裝置，遵循能源平衡的關(guān)系，集熱器吸收越多的太陽(yáng)能，表明熱效率越高，集熱器的傳熱設(shè)計(jì)，與太陽(yáng)能集熱效率存在密切的關(guān)系，傳熱的溫度越高，集熱的性能越好。太陽(yáng)能輻射到平板太陽(yáng)能集熱器的透明蓋板，集熱板表面會(huì)最大程度地吸收，集熱器的系統(tǒng)性能越高，表明透明蓋板能夠吸收更多的太陽(yáng)能，進(jìn)而提高平板太陽(yáng)能的吸熱水平。

2 平板太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)

平板太陽(yáng)能集熱器的吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)，需根據(jù)試驗(yàn)評(píng)估確定最終的系數(shù)，直接改變吸熱板的導(dǎo)熱系數(shù)，保持其他參數(shù)正常。吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，模擬集熱器的運(yùn)行狀態(tài)，掌握集熱器熱性能導(dǎo)熱系數(shù)的吸熱規(guī)律，提前設(shè)計(jì)好模擬試驗(yàn)，將吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)的參數(shù)輸入到試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)計(jì)好集熱器吸熱板導(dǎo)熱的系數(shù)[1]。例如：集熱器保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)=0.043 W/（m·K），吸熱板的導(dǎo)熱系數(shù)=398 W/（m·K），吸熱板的溫度與出口溫度，會(huì)根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化。集熱器吸熱板經(jīng)常采用鋼、銅、鋁等材料，不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值不同，鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)是36 W/（m·K），銅材料是398 W/（m·K），鋁材料是236 W/（m·K）。

2.2 吸熱板厚度設(shè)計(jì)

平板太陽(yáng)能集熱器的吸熱板厚度設(shè)計(jì)，直接改變吸熱板厚度就可以，不需要改變其他的參數(shù)，就能促使平板太陽(yáng)能集熱器達(dá)到優(yōu)化的狀態(tài)。吸熱板厚度設(shè)計(jì)時(shí)，模擬好運(yùn)行的狀態(tài)，在整體上設(shè)計(jì)吸熱板的厚度。集熱器吸熱板厚度數(shù)值越大，集熱器的溫度就會(huì)降低，減少了熱損失，增加了吸熱板的有用能量，待熱效率增加后，選擇最佳的吸熱板厚度數(shù)值。吸熱板厚度設(shè)計(jì)方面，即使持續(xù)地增加板材厚度，也不會(huì)改變熱性能，保持在最佳的狀態(tài)，設(shè)計(jì)好吸熱板厚度。

2.3 吸熱板寬度設(shè)計(jì)

吸熱板寬度很容易影響平板太陽(yáng)能集熱器的性能，吸熱板的寬度增加后，熱損失隨之減少[2]。平板太陽(yáng)能集熱器吸熱板的采光口總能量不變，熱效率也會(huì)降低。所以，設(shè)計(jì)吸熱板寬度試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)中吸熱板寬度在4 cm增加到10 cm時(shí)，集熱器的性能會(huì)明顯減少，將吸熱板的厚度保持在4 cm，采光口總能量不變，光學(xué)損失不變，有用能數(shù)值最高，達(dá)到700 W，熱損失最低。

2.4 進(jìn)口流量設(shè)計(jì)

平板太陽(yáng)能集熱器進(jìn)口流量與集熱器熱性能的關(guān)系是，當(dāng)進(jìn)口流量增加時(shí)，翹片效率是保持不變的，集熱器效率因子、熱移除因子、集熱效率等，均會(huì)增加。進(jìn)口流量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，數(shù)值在0.02調(diào)整到0.1 kg/s的過(guò)程中，集熱器效率因子與熱移除因子均增加到了0.95左右，集熱效率從0.3增加到了0.5，進(jìn)口流量在0.1 kg/s繼續(xù)增加時(shí)，集熱器的熱性能沒(méi)有太大的變化。

2.5 進(jìn)口溫度設(shè)計(jì)

集熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中，翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子等，基本不受進(jìn)口溫度的影響，而集熱器效率受進(jìn)口溫度的影響最大，其會(huì)隨著進(jìn)口溫度的增加，表現(xiàn)出降低的變化方式。當(dāng)集熱器進(jìn)口溫度增加時(shí)，吸熱板與周?chē)h(huán)境的溫度差變大，導(dǎo)致熱損失增加，有用能明顯降低。進(jìn)口溫度與外界溫度的溫差，低于22 ℃時(shí)，光學(xué)損失是主要的能量損失，高于22 ℃時(shí)，熱損失是主體損失能源，將進(jìn)口溫度控制在22 ℃，能夠確保集熱器的熱效率保持在最佳的狀態(tài)。

2.6 吸熱板發(fā)熱效率設(shè)計(jì)

吸熱板發(fā)熱效率在平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)中起到重要的作用，吸熱板溫度增加時(shí)，吸熱板發(fā)射率會(huì)隨之降低，出口溫度也會(huì)降低[3]。吸熱板發(fā)射效率設(shè)計(jì)的過(guò)程中，吸熱板發(fā)射率從0.1到0.9的變化范圍內(nèi)，采光口總能量保持不變，光學(xué)損失基本不變化，有用能從700 W降低到400 W，熱損失會(huì)從300 W增加到800 W，吸熱板發(fā)射效率設(shè)計(jì)期間，吸熱板涂層改進(jìn)是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作，其在集熱器熱性能中起到一定的作用。

2.7 吸熱板吸收效率設(shè)計(jì)

吸熱板吸收效率在平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)數(shù)值在0.45～0.95，吸熱板溫度會(huì)從56 ℃增加到62 ℃，集熱器的出口溫度會(huì)從53 ℃增加到55 ℃，有用能從500 W增加到1 100 W，光學(xué)損失從800 W降低到200 W，熱損失稍微有增加的變化趨勢(shì)。集熱器熱性能會(huì)隨著吸熱板吸收率的變化而增加，兩者表現(xiàn)出線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后，能夠增加集熱器的熱效率。

2.8 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度利用

集熱器設(shè)計(jì)方面，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響范圍很小，其中集熱器效率受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響最大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在500增加到1 000 W/m?時(shí)，集熱器的有用能增加非?？?，此時(shí)吸熱板溫度、熱損失增加得會(huì)非常慢，也會(huì)增加集熱器的效率。

2.9 環(huán)境溫度設(shè)計(jì)控制

平板太陽(yáng)能集熱器的環(huán)境溫度變化，對(duì)翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子沒(méi)有明顯的影響，集熱器效率會(huì)增加過(guò)快。集熱器所處的環(huán)境溫度增加后，吸熱板與周?chē)h(huán)境的溫度差會(huì)非常小，此時(shí)熱損失減小，熱效率會(huì)增加。

3 平板太陽(yáng)能集熱器的效率分析

平板太陽(yáng)能集熱器的效率，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，太陽(yáng)能具有能量平衡的關(guān)系，一部分被集熱器吸收利用，一部分反射到外部環(huán)境內(nèi)。集熱器的效率設(shè)計(jì)與分析中，需要考慮入口溫度、環(huán)境溫度、總熱損失系數(shù)的參數(shù)運(yùn)用，根據(jù)平板太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)，規(guī)劃好效率參數(shù)，而且在集熱器效率分析方面，引入熱遷移因子，通過(guò)效率因子計(jì)算出集熱器瞬時(shí)效率數(shù)據(jù)，同時(shí)為集熱器的試驗(yàn)提供理論的數(shù)值條件。平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)，要注重效率的分析運(yùn)用，改善集熱器的效率，最主要的是提高集熱器的熱效率水平，體現(xiàn)平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)的重要性，推進(jìn)平板太陽(yáng)能的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

平板太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)非常重要的工作，與平板太陽(yáng)能的性能存在直接的關(guān)系。集熱器的傳熱設(shè)計(jì)，屬于關(guān)鍵的部分，優(yōu)化好集熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程，注重效率的分析，最終確保集熱器能夠符合平板太陽(yáng)能的設(shè)計(jì)要求。平板太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)中，積極落實(shí)優(yōu)化措施，保證太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)的有效性，避免發(fā)生傳熱問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 高騰.平板太陽(yáng)能集熱器的傳熱分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].天津大學(xué)，2012.

[2] 施燕華.平板太陽(yáng)能集熱器的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，2015.

[3] 王勇.平板太陽(yáng)能微通道集熱器流體集熱效應(yīng)研究與模擬[D].濟(jì)南大學(xué)，2015.