太阳能集热器的结构优化方式分析

曹静　曲春光

【摘 要】太阳能集热器的功能是吸收太阳辐射并传递热能，集热器是太阳能的重要组成部分，与太阳能的供热、供冷功能紧密联系，集热器决定整个太阳能系统的质量。本文阐述了当前国内太阳能集热器的主要种类，对太阳能集热器的结构进行分析，并通过具体实验，得出对太阳能集热器的具体优化建议，旨在提高整个太阳能系统的运行质量。

【关键词】太阳能热泵；集热器；实验

传统石化能源不可再生，越用越少，开发新型能源是必然选择，太阳能作为一种新型清洁能源，分布普遍，能量巨大，可直接开发与利用，我国地大物博，三分之二以上的土地年日照时数都超过2200h，太阳能资源非常丰富，大力开发利用太阳能资源可以有效缓解国内严峻的资源形式。太阳的辐射能转换为热能是太阳能利用的关键。太阳能资源虽然很大，大时比较分散，只有把分散的太阳能集中起来，才可以真正利用太阳能为生产生活服务[1]。所以，集热器就是采集分散的太阳能，转化并传递热能的关键部位。太阳能有多种用途，依生产生活需要，集热器也分为许多种，名称也不同，生活中常见的如太阳灶、太阳能热水器、用于太阳能干燥器等，工业生产中的太阳能熔炉，太阳能热电站等。太阳能集热器是将太阳能热转换为热能的关键部分，是太阳能系统的核心部件，太阳能集热器的性能决定着整个太阳能系统的运行质量，因此，提高集热器的热量采集与热能传递效率，对于开发利用太阳能具有重要意义。

1 太阳能集热器的基本概念与分类

吸收太阳辐射并传递热能至传热介质的装置即太阳能集热器，这个定义说明太阳能集热器包含四个含义。首先，太阳能集热器是一种装置。其次，太阳能可以被这种装置吸收利用。第三，这种装置可以产生热能。第四，热能可以通过这种装置进行传递。太阳能收集与吸收装置是集热器的主要组成部分。太阳能集热器的种类繁多，根据不同分类标准，可以将太阳能集热器分为多个种类。液体采集器与空气采集器是以集热器不同的传热工质划分的，聚光型与非聚光型集热器根据进入采光口的太让辐射方向是否改变划分，集热器是否跟踪太阳又可以划分为跟踪集热器与非跟踪集热器，以集热器内是否有真空空间又可将其划分为平板型与真空管型集热器。以温度为划分标准，集热器可分为低温、中温、高温集热器。按集热器使用材料，可将其划分为纯铝集热板、铜铝复合集热板、纯铜集热板。平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器，直流式真空管集热器等是常见的集热器[2]。

2 太阳能集热器的结构优化

太阳能是一种可再生的清洁型能源，大量应用太阳能，有利于节能减排，保护环境。集热器是太阳能热利用系统的核心部件，优化集热器的集热与传热性能是太阳能集热器结构优化的重点[3]。集热器部件不同，集热效果不同，本文通过具体实验，得出对太阳能集热器的具体优化建议。

2.1 设备与仪器

试验系统组成：平板式太阳能空气集热器；PT100温度传感器；总辐射表；日晷；风机；风速计；无纸记录仪。

2.2 方法

太阳辐照度、传热工质流量、集热器结构等是决定集热器出口温度的主要因素。由于相关大气参数，如辐照度、环境温度具有客观性。通过更换太阳能集热器的重要部件，改变部件结构，观察集热效率，可以获得最佳性能结构参数。

首先，吸热体波纹试验。选择平面无波纹、沿集热器纵向波纹、横向波纹，三种波纹不同的吸热体集热器，在环境温度、太阳辐照度相近的3天内对集热器进出口温度进行测量，比较热能转化率。

其次，进出口数量选定。集热器进出口与外部之间采用直径70mm的耐热抗老化且保温效果好的管道进行连接，进出口数量分为3组、1组，对集热效果进行对比，选择集热效率高的进出口结构。

第三，集热器串联组合试验。集热器的连接方式分并联、串联和串并联三种。本次试验对集热器进行串联，分别测量单个集热器的集热效率，串联两个集热器的集热效率、串联三个集热器的集热效率。

2.3 试验结果

首先，吸热体波纹试验。沿集热器横向波纹集热效率为83.52%，沿集热器纵向波纹的集热效率为73.93%，平面无波纹的集热效率为66.05%。由试验数据可知，平面无波纹的集热器，集热效率最低。平面有波纹的集热器，可以增大集热器吸热与换热面积，因此其集热效率较平面集热器高。波纹集热器可以在一定程度上阻碍工质的流动，这就达到减少热阻的效果，充分换热，集热效率与传热工质流动方向一致的纵向波纹集热器的集热效率高。

其次，进出口数量。本次试验显示，集热器出入口数量为1组时的集热效率显著低于三组集热器入口。集热器出入口较少时，集热器内部的某些边角因与出入口距离过远，气流相对稳定，不易流动，空气流动性不强，换热效果不好。三组集热器出入口沿集热器宽度均匀分布，不易形成气流死角，空气流动迅速，换热效果显著，从而提高了集热器的效率。

第三，串联组合试验结果。太阳能能源丰富，但是密度小，分布分散，不易利用，单个集热器的集热效率较低。集热器并联与串联各有优势，就集热效率与并联相比，串联有一定的集热效率相对较低。集热器采集热量时会有一定的热损，当将多个集热进行串联时，会降低集热器的总体集热效率。在试验时间内，单个太阳能空气集热器的平均集热效率是51.41%，两个集热器串联后的集热效率为37.51%，三个集热器串联后的集热效率为30.88%。由此可见，虽然集热器串联可以增加出口温度，但是集热器串联越多，集热效率越低。

3 结论

3.1 选择与集热器传热工质流动方向垂直的横向波纹集热器

由本文试验数据可知，与集热器传热工质流动方向垂直的横向波纹集热器的集热效率显著高于平面无波纹或纵向波纹的集热器。

3.2 选择合适的上下通道空间比例

本次试验中发现，当上下通道空间比例2：1，即吸热体距离内壳底部40mm时，太阳能空气集热器的传热工质能最大限度的吸收与传递热能，提高集热器集热效率。

3.3 设计多个进出口

本次试验中，1组进出口的集热器，集热效率显著低于3组集热器，设计多个进出口，有利于集热器内部空气流动，均匀换热，提高集热效率。

3.4 根据具体需要选择集热器连接方式

经测试，单个太阳能空气集热器的平均集热效率是51.41%，两个集热器串联后的集热效率为37.51%，三个集热器串联后的集热效率为30.88%。由此可见，虽然集热器串联可以增加出口温度，但是集热器串联越多，集热效率越低，因此在实际的生产生活应用中，应根据具体需要选择集热器连接方式。

4 结语

当前国家正在提倡节能减排，太阳能作为一种清洁型能源，正日益受到政府的重视，其发展前景十分广阔，如建筑节能、供热、发电采光照明等方面。国民生活水平不断提高，不禁扩大了太阳能集热器的市场，也对太阳能集热器也提出了更高的要求，提高太阳能集热器的集热效率是提高太阳能资源利用率的内在要求，本文经过试验认为，优化太阳能集热器的结构，如选择与集热器传热工质流动方向垂直的横向波纹集热器，选择合适的上下通道空间比例，设计多个进出口，根据具体需要选择集热器连接方式可以显著提高太阳能集热器的集热效率。相信随着太阳能技术的快速发展，太阳能资源的利用率将会大幅提高。

【参考文献】

[1]张淞源，关欣，王殿华，等.太阳能光伏光热利用的研究进展[J].化工进展，2012，31（增刊）：323.

[2]班婷，朱明，王海.太阳能集热器的研制及结构优化[J].农业工程学报，2011，S1：277-281.

[3]朱冬生，徐婷，蒋翔，黄银盛，漆小玲.太阳能集热器研究进展[J].电源技术，2012，10：1582-1584.

[责任编辑：杨玉洁]