文/黃闊 陳國宇 陳立玲
隨著我國碳達峰碳中和目標的提出,發(fā)展清潔能源替代傳統(tǒng)能源已成為全社會共識。太陽能作為一種清潔可再生能源,對緩解氣候變化、降低能源消耗及保護生態(tài)都有著重要的現(xiàn)實意義。我國太陽能熱資源豐富,超過4/5的地區(qū)年均太陽能輻射強度大于1200KW·h/m2,年日照在2200h以上。在太陽能熱利用中,集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的核心部件,分為平板型集熱器和真空管型集熱器兩種類型。平板型太陽能集熱器主要在我國南方地區(qū)使用,其主要優(yōu)點是熱效率高、性價比高、循環(huán)快;而真空管太陽能集熱器主要在北方使用,其主要優(yōu)點是保溫性能好、抗凍性能強,但是平均日熱效率比平板太陽能集熱器低、價格較高??傮w來看,平板型太陽能集熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、較好的承壓性能,能夠廣泛應(yīng)用于建筑、制冷、采暖等行業(yè)的特點。
當(dāng)太陽光照射到太陽能集熱器的玻璃蓋板上時,太陽能被涂有特殊涂層的吸熱板吸收,光能轉(zhuǎn)化為熱能,吸熱板溫度會逐漸升高,同時伴有熱輻射散熱,為了減少熱輻射散熱損失,一般選擇對長波有較低發(fā)射率的涂層;被吸熱板吸收的可見光轉(zhuǎn)化為熱能后,會傳遞給通道內(nèi)的流體,流體溫度升高后流出通道流入水箱,集熱器玻璃蓋板和保溫層以對流和輻射的形式向周圍環(huán)境散熱,散熱損失包含玻璃蓋板上端熱輻射和四周外部熱損失。該能量傳遞過程循環(huán)往復(fù)直至穩(wěn)定,如圖1所示。
圖1 太陽能平板集熱器能量傳遞過程
平板集熱器一般由玻璃蓋板、集熱板(吸熱板)、保溫層及絕熱外殼體等主要構(gòu)件組成。玻璃蓋板通常置于太陽能集熱器上方,由透明度非常高的特殊材質(zhì)制作,一般使用平板玻璃和玻璃鋼板,其中平板玻璃使用最為普遍。平板玻璃的太陽光透過比通常和玻璃中含鐵量成反相關(guān),含鐵量越低,則平板玻璃太陽光透過比越高,低鐵質(zhì)的平板玻璃太陽光透過比可達0.90以上。集熱板(吸熱板)是在熱導(dǎo)率高的基板材料如鋁、銅、鍍鋅板和不銹鋼等表面涂上涂層制作而成,吸熱涂層材料對吸熱板最大限度吸收太陽輻射能量起核心作用。根據(jù)吸熱板涂層光學(xué)特征與照射波長有無相關(guān)性,涂層主要分為非選擇性吸收和選擇性吸收兩類,有關(guān)的是選擇性吸收涂層,無關(guān)的則是非選擇性吸收涂層。選擇性的吸收涂層可以增強吸熱板對光輻射的吸收能力,同時降低吸熱板的散熱損失。平板型集熱器底板與四周壁面都需要使用保溫棉來抑制其散熱,保溫絕緣材料一般要求導(dǎo)熱系數(shù)低于0.055W/(m·K),目前普遍使用聚氨酯、聚苯乙烯、巖棉、礦棉等。絕熱外殼則用于固定玻璃蓋板、吸熱板以及保溫層于一體,具有保護太陽能集熱器的作用,其密封性能起到影響系統(tǒng)的牢固性和熱損失的重要作用。
關(guān)于平板型太陽能集熱器,國外學(xué)者主要針對其傳熱性能的提高展開研究,如Linthorst等和Elsh erbiny等將平板集熱器比擬為自然對流腔體進行研究,獲得腔體不同長寬比的臨界傾角及臨界瑞利數(shù);Abdullah等研究了在透明玻璃蓋板和熱吸收面板之間的空氣夾層內(nèi)使用蜂窩件,能夠有效減少集熱器頂端的熱量輻射,進而提升太陽能集熱器的熱性能;Braga等對矩形腔內(nèi)水的自由對流過程進行了研究,獲得水溫分布圖和流體流動圖;Dagdougui等對不同蓋板尺寸下平板集熱器內(nèi)流體流動與傳熱規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究,分析了各種類型變化層數(shù)的玻璃蓋板對平板集熱器頂部熱量損失,同時對太陽光輻射面積、集熱器流道管徑、集熱器流道間距以及流體流量等關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,提高流體出口溫度。
在國內(nèi),平板型太陽能集熱器屬于太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)中最先進行研究與應(yīng)用的一類典型產(chǎn)品,近五十年來產(chǎn)品應(yīng)用得到進一步發(fā)展,性能得以進一步提升,與國外先進技術(shù)相比差距越來越小。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于平板型太陽能集熱器的研究主要集中在其流動與傳熱特性方面,如陳則韶等對集熱器空氣夾層開展研究,發(fā)現(xiàn)空氣夾層厚度在6cm時熱損失最小;王輝等利用超聲速火花噴漆工藝、等離子噴涂工藝輔以氣溶膠-凝膠薄膜工藝生產(chǎn)的新型涂層和復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)該條件下集熱器吸熱板涂層的太陽光吸收比高達0.92;林金清等對流道內(nèi)流動特性開展研究,發(fā)現(xiàn)空氣集熱器熱效率的影響因素包括太陽輻射強度、氣體流速和進口溫度等,熱效率與太陽輻射強度和氣體流速成正比、與氣流進口溫度成反比;集熱器吸熱板的溫度隨時變動難以穩(wěn)定、溫度分布規(guī)律難以獲得,丁剛等通過改變流道,將單出入口流道設(shè)計為多出入口流道,流體出口溫度得以提高,熱分布在流道內(nèi)更加均勻;流體吸熱的太陽能越多,集熱器瞬時效率也越高??梢姡Y(jié)合研究現(xiàn)狀來看,透明蓋板、集熱器空氣夾層、吸熱板涂層、流道結(jié)構(gòu)、流體流動參數(shù)等,均可不同程度改變集熱器熱效率。
當(dāng)太陽能輻射到平板集熱器的玻璃蓋板后,部分能量被涂有涂層的吸熱板吸收后轉(zhuǎn)化為熱能Q0;被轉(zhuǎn)化的熱能傳遞給通道內(nèi)的流體,流體溫度升高后流入水箱,被工質(zhì)吸收的熱量稱為有效能Q1;集熱器玻璃蓋板和保溫層以對流和輻射的形式向周圍環(huán)境散熱,散熱損失包含玻璃蓋板上端熱輻射Q2和四周外部熱損失Q3。根據(jù)能量守衡定律,有:
式(1)至式(5)中:Q0為有效輻射能,W;Q1為集熱器自身溫度升高而儲存的能量,W;Q2為集熱器內(nèi)流體吸收的熱量,W;Q3為集熱器系統(tǒng)的熱損失,W;A為太陽能集熱器集熱面積,m2;G為太陽能輻射強度,W/m2;(τ? )e為集熱器吸熱板對太陽光吸收比與玻璃蓋板透射比乘積,無量綱;m為太陽能集熱器內(nèi)流體的質(zhì)量流量,kg/s;Cp為流體的定壓比熱,J/(kg·K);Tout為太陽能集熱器內(nèi)流體出口溫度,K;Tin為流體進口溫度,K;a2為邊緣熱損失系數(shù),W/(m2·℃ );A2為周邊面積,m2;T2為周邊緣保溫棉外表面溫度,K;Ta為環(huán)境溫度,K;a3為底部熱損失系數(shù),W/(m2·℃);A3為底部面積,m2;T3為底部保溫棉外表面溫度,K。
集熱器熱效率是太陽能集熱器內(nèi)流體吸收的有效熱量與太陽光輻射到集熱器能量之比。集熱器正反平衡熱效率分別為:
基于平板集熱器傳熱過程分析,結(jié)合式(6)和式(7),提高集熱器熱效率的主要途徑有研發(fā)高透射比涂層、增加流動工質(zhì)的吸熱量和減少熱損失。
基于平板型太陽能集熱器工作原理及結(jié)構(gòu),本文分析了平板集熱器傳熱過程及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)太陽能集熱器熱效率提升主要圍繞提高流體工質(zhì)的吸熱能力和減少散熱損失開展。當(dāng)前提升平板型太陽能集熱器熱效率的主要方法有研發(fā)太陽透射比高的玻璃蓋板、開發(fā)高效吸熱涂層技術(shù)、提高流動工質(zhì)的傳熱速率及提高保溫性能和密封性以減少熱損失。與其他類型的集熱器比較,平板型太陽能集熱器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等優(yōu)勢,其熱效率進一步提升后的應(yīng)用與發(fā)展前景將更為廣闊。