焦良珍，劉志玥，毛前軍

(武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065)

0 引言

太陽能作為一種能量巨大的可再生能源，它的有效利用將有效緩解全球能源壓力和環(huán)境壓力。全玻璃真空管集熱器作為太陽能利用中應用最廣的方式之一[1-4]，在武漢地區(qū)也存在廣泛應用。武漢地處我國中南部，屬于太陽能資源可利用區(qū)，冬季晴朗天氣下可以獲得較強的太陽輻射用于生活、生產。本文對處于武漢地區(qū)冬季太陽輻射特征下的太陽能集熱器性能進行研究，探究結構參數(shù)對集熱性能的影響，為武漢地區(qū)冬季太陽能集熱器的應用與性能提升提供參考。

為提升全玻璃真空管太陽能集熱器集熱性能，國內外學者針對各類因素進行了大量研究[5-8]，其中有眾多學者針對集熱管長度、安裝傾角、太陽輻射強度等因素對流體溫度、流速等參數(shù)的影響進行研究[9-11]。實驗研究中，張昕雨等人[12]研究1 600～1 800 mm長度的集熱管對集熱器集熱的影響，發(fā)現(xiàn)管長越長，流體溫度越高、效率越低。王恩宇等人[13]研究真空管太陽能集熱器不同布置方式對熱性能影響。刁榮丹、李金平以及李仁飛等人[14-16]針對環(huán)境因素對集熱器集熱性能的影響進行了研究，研究內容包括集熱管表面積塵量、太陽輻照強度、環(huán)境溫度、風速等對集熱量的影響，其中太陽輻射強度對集熱器性能影響顯著。趙薇等人[17]針對嚴寒地區(qū)典型城市集熱器最佳傾角進行了研究，發(fā)現(xiàn)集熱器傾角與太陽方位角相結合對集熱性能有較大影響。在模擬研究中，張濤等[18]針對47 mm、58 mm兩種集熱管管徑以及900～2 400 mm的集熱管管長對集熱器集熱性能影響進行了研究，分析流體溫度變化。孫建、張昌宓等人[19-20]對集熱器不同結構進行了對比研究，內容包括橫、豎排集熱器性能比較，不同聚光方式下集熱器性能差異以及橢圓形全玻璃真空管集熱器性能與傳統(tǒng)集熱器間性能差異。

在上述研究當中，盡管目前對于全玻璃真空管集熱器性能已經有廣泛深入的研究，但針對集熱器結構并結合武漢當?shù)靥柸者\動、逐時太陽輻射強度對集熱器進行性能研究較為有限，故本文在集熱管管長、管徑、集熱器傾角這三種影響因素建立集熱器模型，在武漢冬季氣象條件下進行模擬，探究集熱器集熱規(guī)律，分析各因素對流體溫度、流速、Ra以及集熱效率的影響。本文研究結果可以為武漢地區(qū)全玻璃真空管集熱器性能提升與及其有效應用提供參考。

1 模擬過程

1.1 模型建立

本文以一組全玻璃真空管集熱器為參考對象，其安裝傾角為42°，集熱器參數(shù)信息如表1所示；集熱器水箱中部設有一個溫度傳感器，精度為0.1，已校準。以上述集熱器為參考，建立16管模型用于模型驗證。集熱器結構示意圖、模型示意圖如圖1所示。將模型簡化為4管，改變集熱管長度，分別建立管長為1 800～2 100 mm集熱器模型；改變真空集熱管內管管徑，分別建立內管管徑為43～53 mm集熱器模型；改變集熱器安裝角度，分別建立安裝角度為33°～51°集熱器模型。

表1 全玻璃真空管集熱器參數(shù)

圖1 全玻璃真空管太陽能集熱器示意圖

1.2 控制方程

研究表明，全玻璃真空管集熱器內流體溫度溫差不超過10 ℃，因此采用Boussinesq模型模擬全玻璃真空管集熱器日間集熱情況。集熱器內流體為不可壓縮流體，各控制方程如下。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

式中ux，uy，uz分別為x，y，z軸方向上的速度分量。

(2)根據(jù)動量守恒定律，X,Y,Z三個方向上動量方程分別為

(2)

(3)

(4)

式中p——流體微元體受到的壓力/N；

τxx,τxy,τxz——因分子粘性作用而產生的作用在微元體表面上的粘性應力τ的分量；

Fx,Fy,FZ——微元體上的體力，若體力只有重力，且Z軸豎直向上，則Fx=0,Fy=0,Fz=-ρg

(3)能量方程為

(5)

式中cρ——比熱容/J·(kg·K)-1;

T——溫度/K;

K——流體的傳熱系數(shù)/W·(m2·K)-1;

St——流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

(4)輻射方程為

(6)

式中r——位置向量；

s——方向向量；

s′——散射方向；

s——沿程長(行程長度)/m；

α——吸收系數(shù)；

n——折射系數(shù)；

σs——散射系數(shù)；

σ——斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)/W·(m2·k4)-1,σ=5.672×10-8W/(m2·K4)；

I——輻射強度W/m2，依賴于位置(r)與方向(s)；

T——當?shù)販囟?K；

Φ——相位函數(shù)；

Ω′——空間立體角/rad；

α+σs——介質的光學深度。

1.3 模擬驗證

為驗證集熱器模型的可行性，將相同條件下集熱器模型模擬結果與實驗測量結果進行對比，驗證結果如圖2所示。其中，實驗數(shù)據(jù)由集熱器儲熱水箱中部溫度傳感器獲取，于4月23日至4月30日進行為期一周的實驗，經過比較、篩選，最終發(fā)現(xiàn)4月29日測量數(shù)據(jù)較為合理，選取當日日間集熱期間整點時刻水箱流體溫度數(shù)據(jù)用于模型驗證。由圖2可知，水箱流體溫度模擬值高于實測值，這是由于在模擬過程中忽略了集熱器各部位聯(lián)結處的散熱導致模擬值高于實測值；水箱溫度實測值與模擬值之間的變化趨勢趨于一致，經計算得出，模擬值與實測值之間擬合度達到90%以上，因此該模型較為可靠。

圖2 模擬與實驗數(shù)據(jù)驗證

2 集熱器日間集熱流體的流動與傳熱

日間集熱時集熱器內流體流速云圖如圖3所示。由圖3可知，集熱初始，真空管開始接收太陽輻射，靠近壁面的流體首先被加熱，溫度上升導致密度減小，在自然對流的作用下，真空管內熱流體沿著上壁面流入儲熱水箱，冷流體沿著下管壁流入真空管。由于真空管主要是上部分接收太陽輻射，隨著太陽輻射強度逐漸增大，管內自然對流增強，流體流入、流出的速度增大，熱流體經由真空管管口上部流入水箱，冷流體經由真空管管口下部流入真空管，冷、熱流體在管內摻混。

圖3 集熱器內流體不同時刻速度云圖

集熱過程中集熱器內流體溫度分布云圖如圖4所示?？拷苌媳诘牧黧w溫度升溫速率最高，越靠近真空管底部和真空管背部，流體溫度越低；水箱下層流體溫度與中、上層流體溫度差異明顯，當太陽輻射熱輸入逐漸減小，集熱結束時，流體溫度分層情況明顯，在水箱內流體溫度趨于一致，真空管內越靠近底部流體溫度越低。

圖4 集熱器內流體不同時刻溫度云圖

3 結果分析

集熱器在天氣狀況良好時能較大程度發(fā)揮集熱效果，通過比較分析，2020年12月31日，武漢冬季天氣狀況良好，選擇當日氣象參數(shù)作為集熱器模擬條件，氣象參數(shù)如圖5所示。

圖5 不同時刻氣象參數(shù)

3.1 結構參數(shù)對日間集熱器內流體溫度變化影響

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管內徑均為47 mm的條件下，真空集熱管長度L分別為1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm時，集熱器水箱內流體溫度隨時間變化如圖6所示。由圖6可知，隨著管長的增加，集熱器水箱內流體溫度逐漸上升，其中真空集熱管管長為2 100 mm時儲熱水箱內；流體溫度為23.48 ℃，與真空集熱管長1 900 mm相比，水箱內流體溫升高了0.78 ℃，與真空集熱管長1 800 mm相比，水箱內流體溫升高1.08 ℃；同時隨著真空集熱管管長增加，與1 900 mm時水箱溫度相比，1 800 mm時水箱溫度減小1.30%，2 000 mm時水箱溫度增加1.8%，2 100 mm時水箱溫度增加3.45%。

圖6 不同集熱管管長L下水箱流體溫

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管長度均為1 900 mm的條件下，真空集熱管內徑Φ分別為43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm時，集熱器水箱內流體溫度隨時間變化如圖7所示。由圖7可知，隨著管徑的增加，流體溫逐漸升高，其中管徑為53 mm時流體溫度最高為23.09 ℃，相比于真空集熱管管徑為47 mm時流體溫度，管徑為41 mm時流體溫度下降5.02%，管徑為53 mm時流體溫度升高1.73%。

圖7 不同集熱管管徑Φ下水箱流體溫度

在保持集熱器模型真空集熱管長度均為1 900 mm，真空集熱管內徑均為47 mm的條件下，集熱器模型傾角α分別為33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°時，集熱器水箱內流體溫度隨時間變化如圖8所示。由圖8可知，隨著集熱器安裝傾角的增加，水箱內流體溫度逐漸升高，傾角為51°時達到最大為23.16 ℃。與傾角42°時的流體溫度相比，傾角為33°時流體溫度減少4.99%，傾角為51°時，流體溫度升高2.02%。

圖8 不同傾角α下水箱流體溫度

3.2 結構參數(shù)對集熱器內流體流動狀態(tài)的影響

在真空集熱管內選取五個參考截面，分析不同參數(shù)下各參考截面流體流動狀態(tài)。截面的位置γ由截面至集熱管管口距離與集熱管管長的比值決定，γ的值分別為0，0.25，0.5，0.75，1。

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管內徑均為47 mm的條件下，真空集熱管長度L分別為1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm時，真空集熱管內不同截面處流體的平均流速、Ra如圖9示。由圖9可知，當截面越靠近集熱管底部，流速越小，Ra也越??；隨著真空集熱管長度增加，集熱器不同截面處流速均有所增大，管長為1 900 mm時集熱管內各截面Ra變化幅度最小。

圖9 管長L改變時不同截面位置處流體的流速、Ra

在保持集熱器模型傾角均為42°,真空集熱管長度均為1 900 mm的條件下，真空集熱管內徑Φ分別為43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm時，真空集熱管內不同截面處流體的平均流速、Ra如圖10所示。由圖10可知，越靠近集熱管底部，截面平均流速越小，隨著管徑的增大，各截面處流體平均流速均隨之降低；越靠近集熱管底部，截面流體Ra越??；隨著管徑的增大，各截面流體Ra均增大，底部截面流體Ra均趨于0。

圖10 管內徑Φ改變時不同截面位置處流體流速、Ra

在保持集熱器模型真空集熱管長度均為1 900 mm，真空集熱管內徑均為47mm的條件下，集熱器模型傾角α分別為33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°時，真空集熱管內不同截面處流體的平均流速和Ra如圖11所示。由圖11可知，越靠近集熱管底部截面平均流速越小，在管口底部流速均趨于0，隨著集熱器安裝傾角增大，各截面流速均有所增加，其中傾角為42°各截面流速增加幅度最大；隨著傾角的增加，集熱管管口處截面流體Ra逐漸減小，在距管口四分之一截面處各截面流體Ra趨于相同，隨著截面逐漸靠近集熱管底部，不同傾角在相同位置處截面流體Ra之間的差異逐漸增大，直至集熱管底部截面處，傾角越小Ra越大。

圖11 傾角α改變時不同截面位置處流體流速、Ra

3.3 結構參數(shù)對日間集熱器集熱效率的影響

不同結構參數(shù)下，集熱器日間集熱效率如圖12所示。由圖12可知，隨著集熱管長由1 800 mm增至2 100 mm，集熱器集熱效率逐漸降低，最終集熱器集熱效率降低至12.06%，效率降低9.53%；管徑由41 mm增至53 mm，隨著管徑的增加，集熱器效率逐漸降低至11.54%，效率降低15.08%；隨著集熱器安裝傾角由33°增至51°，集熱器效率逐漸增大至13.07%，效率增大10.20%。其中真空集熱管管徑的改變對集熱器集熱效率變化影響最大。

圖12 集熱器效率

真空集熱管管長和真空集熱管管徑變化會導致單位吸熱面積容水量發(fā)生改變，不同單位吸熱面積容水量下的集熱器水箱流體溫度、集熱器集熱效率如表2、表3所示。由表2、表3可知，僅當真空集熱管長度改變，單位吸熱面積容水量越大時，集熱器水箱流體溫度越小，集熱器集熱效率越大；僅當真空集熱管管徑改變時，單位吸熱面積容水量越大時，集熱器水箱流體溫度越小，集熱器集熱效率越大。

表2 不同集熱管管長下單位吸熱面積容水量

表3 不同集熱管管徑下單位吸熱面積容水量

4 結論

通過數(shù)值模擬的方法對武漢地區(qū)冬季不同結構參數(shù)對太陽能集熱器日間集熱性能影響進行研究，模擬中考慮了太陽日運動和太陽輻射強度逐時變化的影響。得出結果如下：

(1)集熱管管長由1800 mm增加至2100 mm時，水箱流體溫度升高6.42%，升高了1.08 ℃，集熱效率降低了1.28%；集熱管管徑由41 mm增加至53 mm時，水箱流體溫度升高7.10%，升高了1.04 ℃，集熱效率降低了2.05%；集熱器安裝傾角由33°增加至51°時，水箱流體溫度升高7.37%，升高了1.59 ℃，集熱效率升高了1.21%。

(2)Ra能較為準確反映流體自然對流強弱，流體越靠近真空管底部Ra越小，真空管底部流體對流換熱強度弱，流速趨于0 m/s，易形成滯流區(qū)。真空集熱管管徑對流體Ra影響較大，集熱管管徑由41 mm增加至53 mm時，集熱管內各截面處流體Ra擴大約1倍，較大管徑有助于強化管內流體對流換熱。

(3)為了獲取較高流體溫度、集熱器效率,武漢地區(qū)集熱器的傾角不應小于51°。當集熱器某一結構參數(shù)發(fā)生變化從而導致集熱器單位吸熱面積容水量發(fā)生改變時，單位吸熱面積容水量越大，水箱流體溫度越低、集熱器集熱效率越高。