黃闊　陳國宇　鄭桂興　黃允生

學術研究

太陽能平板集熱器熱性能關鍵參數(shù)影響研究*

黃闊陳國宇鄭桂興黃允生

（廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 510170）

通過改變影響太陽能平板集熱器熱性能的關鍵參數(shù)：通道間距、流體流量、吸熱板熱流密度、流體進口溫度，研究流體流動與傳熱規(guī)律。結果表明，通道間距為0.5～1.0 mm時，流體的傳熱系數(shù)、溫升速率、壓降的變化明顯比通道間距為1.0～2.5 mm時高，通道間距越小，溫升速率越快；隨著流體流量增大，流體出口溫度逐漸減小，溫升速率保持穩(wěn)定，阻力系數(shù)減少，壓降逐漸增大，強化傳熱評價因子逐漸增加；吸熱板熱流密度越大，流體出口溫度越高，溫升速率越快；流體進口溫度越高，流體出口溫度越高，進出口溫差和溫升速率保持穩(wěn)定。

太陽能平板集熱器；熱性能；通道間距；流體流量；吸熱板熱流密度；流體進口溫度

0　引言

在全球碳達峰、碳中和背景下，發(fā)展清潔能源已成為國際社會的普遍共識。我國太陽能資源豐富，是世界最大的太陽能熱水系統(tǒng)生產國和安裝國[1]，以真空管型和平板型太陽能集熱器為代表的集熱產品占據了市場主流。太陽能平板集熱器因具有承壓效果好、熱效率高、便于與建筑一體化等特點，應用更為廣 泛[2]。目前，太陽能平板集熱器的研究主要集中在熱水系統(tǒng)構建及熱性能等方面。在提高集熱效率方面，國內外學者主要通過改變吸熱板形狀和流道來實 現(xiàn)[3-5]。隨著強化傳熱技術的發(fā)展，窄縫流道因結構緊湊、換熱面積大而備受關注。窄縫流道根據流道窄縫間距劃分為大通道（大于3 mm）、窄通道（1～3 mm）、微通道（1 um～1 mm）[6]。矩形通道作為典型的窄縫流道，眾多學者對其流動和傳熱特性開展了大量研究。SHAH等[7]通過研究獲得微矩形通道充分發(fā)展段的平均努塞爾數(shù)和泊淞數(shù)關聯(lián)式。STEINKE等[8]和HRNJAK等[9]對微矩形通道內單相流動特性進行實驗研究，認為常規(guī)通道的流動關系式也適用于微矩形通道。徐建軍等[10]通過窄矩形通道內實驗和數(shù)值模擬研究，指出現(xiàn)有經驗關系式適用于窄矩形通道充分發(fā)展段的紊流流動與換熱規(guī)律。

目前，矩形通道結構參數(shù)對流體流動與傳熱性能的影響研究相對較少。幸奠川等[11-12]通過改變矩形通道高寬比，對單相層流進行流體摩擦阻力特性研究，結果表明摩擦阻力隨高寬比的減小而增大。馬璨等[13]研究流動壓降的影響，得到矩形通道高寬比與層流流動壓降數(shù)學表達式。王亮等[14]研究矩形通道長寬比對集熱效率影響，表明集熱效率隨長寬比增加而下降。上述研究僅從通道高寬比/長寬比單一影響因素開展，忽略了高寬比/長寬比的改變會影響流體進入集熱器的流量。

本文以太陽能平板集熱器為研究對象，研究影響其集熱性能的關鍵參數(shù)：通道間距、流體流量、吸熱板熱流密度、流體進口溫度的變化規(guī)律，為太陽能平板集熱器結構優(yōu)化和實際運行提供技術支撐。

1　太陽能平板集熱器傳熱分析

圖1　太陽能平板集熱器流道示意圖

太陽能平板集熱器內流體吸收的有效熱量主要受集熱器采光面積、流體流量、流體定壓比熱、導熱系數(shù)及流體進出口溫差等影響，根據能量守恒定律，傳熱方程式為

式中：

out——流體出口溫度，K；

in——流體進口溫度，K；

——流體流動時間，s；

其中：

式中：

——矩形通道的高寬比；

溫升速率作為熱性能指標，計算公式為

式中：

——溫升速率，K/s；

——流體流動時間，s。

式中：

2　關鍵參數(shù)對熱性能影響

2.1　通道間距

在流體流量為0.000 05 m3/s，流體進口溫度為298.15 K，吸熱板熱流密度為800 W/m2的條件下，以水為流體介質對不同高寬比的太陽能平板集熱器進行熱性能研究。太陽能平板集熱器通道尺寸如表1所示。

表1　太陽能平板集熱器通道尺寸 單位：mm

在相同流體流量下，分析通道間距對流體流速、雷諾數(shù)、傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)、流體出口溫度、溫升速率、阻力系數(shù)、壓降、強化傳熱評價因子的影響。

流體流速和雷諾數(shù)隨通道間距變化曲線如圖2所示。

圖2　流體流速和雷諾數(shù)隨通道間距變化曲線

由圖2可知，隨著通道間距減小，流體流速逐漸增大，雷諾數(shù)變化較為平緩。

傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)隨通道間距變化曲線如圖3所示。

圖3　傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)隨通道間距變化曲線

流體出口溫度和溫升速率隨通道間距變化曲線如圖4所示。

圖4　流體出口溫度和溫升速率隨通道間距變化曲線

阻力系數(shù)和壓降隨通道間距變化曲線如圖5所示。

圖5　阻力系數(shù)和壓降隨通道間距變化曲線

強化傳熱評價因子隨通道間距變化曲線如圖6所示。

圖6　強化傳熱評價因子隨通道間距變化曲線

由圖6可知，隨著通道間距減小，強化傳熱評價因子變化平緩。總體而言，通道間距減小有利于太陽能平板集熱器綜合熱性能的提高。

2.2　流體流量

在太陽能平板集熱器通道長度為2 000 mm，寬度為500 mm，高度為1.0 mm，流體進口溫度為298.15 K，吸熱板熱流密度為800 W/m2的條件下，研究流體流量對太陽能平板集熱器熱性能的影響。流體流速和雷諾數(shù)隨流體流量變化曲線如圖7所示，傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)隨流體流量變化曲線如圖8所示。

圖7　流體流速和雷諾數(shù)隨流體流量變化曲線

圖8　傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)隨流體流量變化曲線

由圖7、8可以看出，隨著流體流量增大，流體流速和雷諾數(shù)逐漸增大，傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)穩(wěn)定。

流體出口溫度和溫升速率隨流體流量變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，隨著流體流量增大，流體出口溫度逐漸減小，溫升速率保持穩(wěn)定。由此可知，流體流量影響流體出口溫度，對溫升速率影響不大。

阻力系數(shù)和壓降隨流體流量變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，隨著流體流量增大，阻力系數(shù)逐漸減少，壓降逐漸增大。在流體流量0.000 02 m3/s時，壓降為1.93×103Pa；在流體流量0.000 06 m3/s時，壓降為5.78×103Pa。

強化傳熱評價因子隨流體流量變化曲線如圖11所示。

圖9　流體出口溫度和溫升速率隨流體流量變化曲線

圖10　阻力系數(shù)和壓降隨流體流量變化曲線

圖11　強化傳熱評價因子隨流體流量變化曲線

由圖11可知，隨著流體流量增大，強化傳熱評價因子逐漸增加。在流體流量0.000 02 m3/s時，強化傳熱評價因子為6.12；在流體流量0.000 06 m3/s時，強化傳熱評價因子為8.83。由此可知，增大流量有利于太陽能平板集熱器綜合熱性能的提高。

2.3　吸熱板熱流密度

在太陽能平板集熱器通道長度為2 000 mm，寬度為500 mm，高度為1.0 mm，流體流量為0.000 05 m3/s，進口溫度為298.15 K的條件下，研究吸熱板熱流密度對太陽能平板集熱器熱性能影響。

流體出口溫度和溫升速率隨吸熱板熱流密度變化曲線如圖12所示。

圖12　出口溫度和溫升速率隨吸熱板熱流密度變化曲線

由圖12可知，隨著吸熱板熱流密度增大，流體出口溫度和溫升速率逐步增大。當吸熱板熱流密度為700 W/m2時，流體出口溫度為301.45 K，溫升速率為0.165 K/s；當吸熱板熱流密度為1 100 W/m2時，流體出口溫度為303.45 K，溫升速率為0.265 K/s，溫升速率提高了60%。由此可知，吸熱板熱流密度越大，流體出口溫度和溫升速率越高。

2.4　流體進口溫度

在太陽能平板集熱器通道長度為2 000 mm，寬度為500 mm，高度為1.0 mm，流體流量為0.000 05 m3/s，吸熱板熱流密度為800 W/m2的條件下，研究流體進口溫度對太陽能平板集熱器熱性能的影響。流體出口溫度和溫升速率隨流體進口溫度變化曲線如圖13所示。

由圖13可知，隨著流體進口溫度增大，流體出口溫度逐漸增大，出口溫度和進口溫度溫差始終保持在3.7 K；溫升速率為0.185 K/s，保持穩(wěn)定。

圖13　流體出口溫度和溫升速率隨流體進口溫度變化曲線

3　結論

本文通過研究影響太陽能平板集熱器熱性能的關鍵參數(shù)：通道間距、流體流量、吸熱板熱流密度、流體進口溫度的變化規(guī)律，為太陽能平板集熱器結構優(yōu)化和實際運行提供技術支撐。結論如下：

1）通道間距越小，流體溫升速率越快；

2）隨著流體流量增大，流體出口溫度逐漸減小，溫升速率保持穩(wěn)定；阻力系數(shù)減少，壓降逐漸增大；強化傳熱評價因子逐漸增大，總體而言，增大流量有利于太陽能平板集熱器綜合熱性能的提高；

3）吸熱板熱流密度越大，流體出口溫度越高，溫升速率越快；

4）流體進口溫度越高，流體出口溫度越高，進出口溫差和溫升速率始終保持穩(wěn)定。

綜上所述，通道間距和吸熱板熱流密度影響流體溫升速率，流體流量和吸熱板熱流密度影響流體出口溫度；當吸熱板熱流密度一定時，通道間距越小、流體流量越小，流體溫升速率越大，出口溫度越高。

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Study on the Influence of Key Parameters of Thermal Performance of Solar Flat-panel Collector

HUANG Kuo CHEN Guoyu ZHENG Guixing HUANG Yunsheng

(Guangzhou Energy Testing and Research Institute, Guangzhou 510170, China)

By changing the key parameters that affect the thermal performance of the solar flat plate collector: channel spacing, fluid flow, heat flow density of the heat sink, fluid inlet temperature, the flow and heat transfer laws of the fluid are studied. The results show that when the channel spacing is 0.5～1.0 mm, the changes of heat transfer coefficient, temperature rise rate and pressure drop of fluid are significantly higher than those when the channel spacing is 1.0～2.5 mm. The smaller the channel spacing is, the faster the temperature rise rate of fluid is; With the increase of fluid flow, the outlet temperature of fluid decreases gradually, the temperature rise rate remains stable, the resistance coefficient decreases, the pressure drop increases, and the comprehensive thermal performance evaluation factor increases gradually; The higher the heat flux of the heat absorbing plate is, the higher the fluid outlet temperature is, and the faster the temperature rise rate is; The higher the fluid inlet temperature is, the higher the fluid outlet temperature is, and the temperature difference between the inlet and outlet and the temperature rise rate remain stable.

solar flat-plate collector; thermal performance; channel spacing; fluid flow; heat flow density of heat absorbing plate; fluid inlet temperature

TK513

A

1674-2605(2022)05-0004-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.05.004

黃闊,陳國宇,鄭桂興,等.太陽能平板集熱器熱性能關鍵參數(shù)影響研究[J].自動化與信息工程,2022,43(5):17-22,49.

HUANG Kuo, CHEN Guoyu, ZHENG Guixing, et al. Study on the influence of key parameters of thermal performance of solar flat-panel collector[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(5):17-22,49.

廣東省市場監(jiān)督管理局科技項目（2020CZ05）；廣東省自然科學基金面上項目（2020A1515010947）；廣州市市場監(jiān)督管理局科技項目（2020kj33，2020kj34）；廣州市基礎與應用基礎研究項目（202002030439）。

黃闊，男，1982年生，博士，高級工程師，主要研究方向：能源計量及節(jié)能。E-mail:huangkuo2006@126.com

陳國宇，男，1990年生，博士，高級工程師，主要研究方向：能源計量及節(jié)能。

鄭桂興，男，1985年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：節(jié)能。

黃允生，男，1987年生，本科，工程師，主要研究方向：節(jié)能。