王雪勍， 徐榮吉， 王 岸， 宋文昊， 王瑞祥， 許淑惠

（北京建筑大學(xué)北京市建筑能源綜合高效利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

0 引 言

太陽能是未來能源的重要組成部分，但其具有區(qū)域性、分散性、間歇性等缺點(diǎn)，所以高效利用太陽能變得尤為重要［1-3］。復(fù)合拋物聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）可以在無跟蹤系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)一定倍數(shù)的聚光作用而廣受關(guān)注［4］。Zhang 等［5］發(fā)現(xiàn)光線通過CPC聚光后，會(huì)在吸熱器表面形成非均勻的熱流密度分布。丁虎［6］模擬了使用圓管型吸熱器的CPC聚光器在一年中不同光線入射角下的光路及熱流密度分布，發(fā)現(xiàn)吸熱器表面熱流密度不均勻會(huì)使吸熱器局部的溫度較高而降低集熱器的集熱性能。此外，有研究發(fā)現(xiàn)不均勻的熱流密度分布所導(dǎo)致的局部溫度較高會(huì)加速吸熱器的老化［7］，還會(huì)導(dǎo)致吸熱器熱應(yīng)力變形［8］。

微通道換熱器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，熱響應(yīng)速度快，等溫性能好［9］，對(duì)流換熱系數(shù)比傳統(tǒng)換熱器高50% ～100%、抗壓抗腐蝕，是基于微尺度效應(yīng)而興起的一種高效換熱器，廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)、微電子領(lǐng)域［10］，并在太陽能集熱器中有探索應(yīng)用［11］。微通道平板集熱器與傳統(tǒng)平板相比，將吸熱器由銅圓管更換為鋁微通道扁管，增加了接觸面積從而大幅度降低兩界面的接觸熱阻。王娜［12］通過數(shù)值模擬得到微通道平板型太陽能集熱器，最佳流道尺寸為0.7 mm，最佳空氣夾層間距為17 mm。且其發(fā)現(xiàn)通過減小集熱器流道尺寸，大大減少了水的體積熱容，從而獲得較高的出口溫度。陳孝根等［13］也對(duì)微通道流道尺寸進(jìn)行了三維流動(dòng)傳熱數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道矩形截面高寬比為2 ～4 時(shí)微通道具有較好的換熱及流動(dòng)性能。微通道的尺度效應(yīng)還表現(xiàn)在由于較高的壁厚管徑比可對(duì)表面非均勻熱流密度的起到均化作用，使內(nèi)部工質(zhì)吸熱均勻。但是由于微通道尺寸小，其內(nèi)部工質(zhì)溫度的測量比較困難。

基于CPC的聚光特性及微通道吸熱器的特點(diǎn)，本文提出了一種以平行流微通道為吸熱器的CPC 太陽能集熱器，設(shè)計(jì)并搭建了此集熱器的運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，加工了微通道溫度測試模塊，實(shí)現(xiàn)了11 個(gè)2.5 mm × 1.2 mm平行流道組成的微通道扁管吸熱器內(nèi)工質(zhì)的溫度測量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過改變環(huán)境參數(shù)（太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速）、操作參數(shù)（集熱溫度、水流量）測定集熱器的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。此外，通過對(duì)微通道吸熱器表面熱流密度分布的計(jì)算以及進(jìn)出口工質(zhì)溫度的測量，可以研究微通道對(duì)CPC 非均勻聚光的均化作用。該實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)還可以用于本科生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，利用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境，使學(xué)生更直觀理解集熱器動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

CPC微通道太陽能集熱器運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示，包括CPC 微通道太陽能集熱單元、恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 CPC微通道太陽能集熱單元?jiǎng)討B(tài)特性測試系統(tǒng)

1.1 CPC微通道太陽能集熱器及集熱單元

CPC微通道太陽能集熱器主要由微通道吸熱器、CPC、蓋板、進(jìn)水管、出水管、保溫層和外殼組成，如圖2所示。透過蓋板的太陽光線一部分直接到達(dá)微通道吸熱器上表面；另一部分經(jīng)過CPC反射到達(dá)。由于CPC的聚光作用，會(huì)在微通道吸收表面形成不均勻的能量分布［14］。

圖2 太陽能集熱器示意圖

為有針對(duì)性地研究微通道吸熱器對(duì)CPC 非均勻聚光的均化作用，選取CPC微通道太陽能集熱器中的一個(gè)集熱單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見圖3）。其中CPC 微通道集熱器單元是由3 D打印成型的CPC聚光器作為模具，然后聚氨酯發(fā)泡作為保溫層而成。

圖3 CPC微通道集熱器單元

1.2 恒溫水循環(huán)系統(tǒng)

恒溫水循環(huán)系統(tǒng)由恒溫水槽（DC2006，精度0.1℃）、循環(huán)水泵（無刷直流水泵4509）、閥門及連接管路組成，如圖1 所示。通過恒溫水槽及閥門可以實(shí)現(xiàn)不同集熱溫度及集熱流量實(shí)驗(yàn)工況的設(shè)定。

1.3 測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括太陽能總輻射表（JTBQ-2）、風(fēng)速儀（HJF-S2，精度±（0.3 ＋0.03 ×風(fēng)速）m/s）、轉(zhuǎn)子式流量計(jì)（LZB-10）、熱電偶（OmegaT型熱電偶，精度± 0.3 ℃）、壓力傳感器（?，擲MART SENSOR AS510）、數(shù)據(jù)采集儀（安捷倫34980A）和自編的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序（見圖4）。

圖4 LabVIEW數(shù)據(jù)采集處理界面圖

由于系統(tǒng)每個(gè)流道尺寸較小，內(nèi)部工質(zhì)溫度很難測量。基于此，設(shè)計(jì)了微通道溫度測試模塊，并預(yù)留壓力測試孔，如圖5 所示。測試模塊斷面扁槽尺寸與微通道斷面流道尺寸對(duì)應(yīng)，裝配后微通道插入扁槽。然后有一穩(wěn)壓腔，起穩(wěn)定流動(dòng)作用；考慮到扁管較寬，設(shè)置兩個(gè)工質(zhì)進(jìn)（出）口。在垂直于微通道工質(zhì)流動(dòng)方向，設(shè)有11 個(gè)熱電偶測溫孔，分別與微通道11 個(gè)流道的中心相對(duì)應(yīng)，且恰好處于微通道出（入）口邊緣。熱電偶測溫孔上部孔徑為2 mm，下部孔徑為0.5 mm（熱電偶絲0.25 mm × 2）。在混合腔垂直方向中部，熱電偶測溫孔平行方向，預(yù)留3 mm的測壓孔，以便于測試微通道吸熱器工質(zhì)的壓降。該測試模塊也可設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩邊分別插入微通道扁管，可測量微通道中部流體溫度。

圖5 微通道溫度測試模塊圖

1.4 數(shù)據(jù)處理方式

太陽能總輻射表和風(fēng)速儀輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，安捷倫采集到電壓信號(hào)后，用LabVIEW將其轉(zhuǎn)換為直觀的太陽輻射強(qiáng)度值和風(fēng)速值，太陽輻射強(qiáng)度與電壓信號(hào)關(guān)系為：I ＝80xI。式中：I 為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；xI為系統(tǒng)中所采集的太陽輻射電壓信號(hào)，V。

環(huán)境風(fēng)速傳感器輸出信號(hào)也為電壓信號(hào)，測試的環(huán)境風(fēng)速與電壓信號(hào)關(guān)系為

式中：v為環(huán)境風(fēng)速，m/s；xv為系統(tǒng)中所采集的風(fēng)速電壓信號(hào)，V。

將太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系式編入LabVIEW中便可獲得實(shí)時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度值和風(fēng)速值。集熱效率作為太陽能集熱器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其瞬時(shí)效率可用下式表示：

式中：集熱單元熱量計(jì)算公式為

c為水比熱容，J/（kg·℃）；m 為水的質(zhì)量流量，kg/s；Δt為微通道進(jìn)出口溫差，℃；集熱單元照射熱量計(jì)算式為

A為集熱單元面積，m2。

為了研究微通道吸熱器表面的溫度和熱流密度分布的均勻性，在此引入均勻度概念。其值越小，說明均勻性越好。溫度均勻度K計(jì)算如下［15］：

式中：溫度的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如下：

n為溫度測點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ti為第i個(gè)測點(diǎn)溫度，K；σt為溫度的標(biāo)準(zhǔn)差。

熱流密度均勻度Kq計(jì)算如下：

式中：熱流密度的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如下：

n為熱流密度測點(diǎn)個(gè)數(shù)；qi為第i 個(gè)測點(diǎn)熱流密度，W/m2；σq為熱流密度的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，先開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通入設(shè)定溫度的循環(huán)水，穩(wěn)定后，再將集熱單元蓋板揭掉開始接收太陽輻射，如圖6、7 所示。由圖可以看出，在不照射陽光時(shí)，入口11 個(gè)熱電偶最大溫差0.75 ℃，出口最大溫差0.75 ℃，整體均一化較好。當(dāng)太陽輻射穩(wěn)定后（波動(dòng)＜50 W/m2，時(shí)間超過12 min），微通道吸熱器入口處11 個(gè)溫度測點(diǎn)溫差最大為1.5 ℃，出口處11 個(gè)溫度測點(diǎn)的最大溫差為2 ℃。CPC的聚光作用導(dǎo)致了吸熱器表面的不均勻熱流密度，從而導(dǎo)致了進(jìn)、出口截面溫度的溫差。

圖6 微通道入口溫度變化圖

圖7 微通道出口溫度變化圖

馬玉森［14］使用Tracepro 軟件模擬計(jì)算了光線經(jīng)過CPC到達(dá)微通道表面的熱流密度分布，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果使用式（9）計(jì)算微通道表面熱流密度分布不均勻度，其值為0.87。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中當(dāng)集熱單元接受太陽照射后傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)（見圖8），出口流體溫度分布不均勻度較小，均不超過0.031，證明微通道有良好的均化作用。

圖8 太陽照射后微通道出口溫度分布不均勻度變化圖

3 結(jié) 語

闡述了CPC微通道太陽能集熱器運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)設(shè)計(jì)了微通道管內(nèi)溫度測試模塊，實(shí)現(xiàn)了微通道平行流扁管11 個(gè)通道管內(nèi)進(jìn)出口溫度的測試，驗(yàn)證了微通道平行流扁管對(duì)非均勻熱流密度的均化作用良好?；贚abVIEW 虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及處理系統(tǒng)，更加直觀的觀察集熱器運(yùn)行時(shí)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化。可為太陽能集熱器動(dòng)態(tài)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考，也可用于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更直觀理解集熱器動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，深入理解太陽輻射、環(huán)境溫度、集熱溫度、水流量等參數(shù)對(duì)集熱器性能的影響規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有小型化、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在熱工參數(shù)測量、太陽能利用等教學(xué)領(lǐng)域具有一定參考價(jià)值。