趙耀華，魯嘯山，刁彥華，王澤宇，陳傳奇

(北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

太陽能是資源豐富的可再生能源，清潔、無污染.合理開發(fā)和利用太陽能對于緩解能源壓力和環(huán)境污染有著重要意義.太陽能集熱器是接受太陽輻射并向傳熱介質(zhì)傳遞熱量的太陽能熱利用裝置[1]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥[2-4]、建筑供暖[1]和生活熱水[5]等.復(fù)合拋物面聚光(compound parabolic concentrator,CPC)集熱器是太陽能集熱器的一種，由于該集熱器擁有更高的集熱溫度，既接受直射輻射又接受散射輻射，可以收集接收器面積以外的太陽光線，提高太陽能利用率，而且不需要跟蹤機(jī)構(gòu)，故國內(nèi)外科研工作者對其展開了一系列的研究.

Tchinda[6]研究了復(fù)合拋物面平板吸收體聚光太陽能集熱器的傳熱問題.通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)討論了空氣質(zhì)量流量、集熱器長度和風(fēng)速對集熱器性能的影響.Oommen等[7]研究了一種帶V型槽的圓管型復(fù)合拋物面太陽能集熱器產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)與平板集熱器相比，即使在較高的操作溫度下，CPC集熱器的瞬時(shí)效率也相當(dāng)高.趙玉蘭等[8]通過對CPC熱管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和CPC熱管式集熱器的集熱效率進(jìn)行理論計(jì)算對比，發(fā)現(xiàn)3種集熱器中熱管式真空管集熱器效率最佳.寧靜娟等[9]研制了一種帶導(dǎo)熱油的CPC熱管真空管式太陽能熱水器，該熱水器平均集熱效率達(dá)到80%，比全玻璃真空管太陽能熱水器的瞬時(shí)效率高10%～20%，有效提高了集熱品味，而且熱管技術(shù)解決了嚴(yán)寒地區(qū)的抗凍問題.

但是，由于太陽能光照的不穩(wěn)定性、隨機(jī)性和間歇性，復(fù)合拋物面集熱器在利用太陽能時(shí)，無法提供穩(wěn)定熱流給換熱流體，且供應(yīng)與需求在時(shí)間和空間上無法統(tǒng)一.國內(nèi)外學(xué)者將復(fù)合拋物面集熱器和蓄熱器結(jié)合起來，成為一體的裝置，這樣既利用蓄熱器把熱量儲存了起來，延長了太陽能的利用時(shí)間，又節(jié)省了占地空間，簡化了系統(tǒng).一體化太陽能系統(tǒng)按照儲熱方式分類主要包括水箱蓄熱一體化系統(tǒng)和相變蓄熱一體化系統(tǒng).水箱蓄熱一體化系統(tǒng)往往需要良好的天氣條件，蓄熱體積一般較大[10-11]，對水源和水質(zhì)要求較高[12].因此，相變蓄熱技術(shù)與復(fù)合拋物面集熱器的結(jié)合成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究方向.Arunkumar等[13]提出了一種具有相變材料的復(fù)合拋物面聚光器-同心圓管式太陽能蒸餾器，將相變材料裝入特別設(shè)計(jì)的管狀太陽能蒸餾器的原型槽中，對比了使用和不使用相變材料的裝置淡水的產(chǎn)量.由于相變材料儲存了一部分能量，降低了水溫，升高了空氣溫度，使得裝置淡水生產(chǎn)率提高了8%，而且延長了生產(chǎn)淡水的時(shí)間.Guerraiche等[14]提出并構(gòu)建了一種拋物線型太陽能聚光器，該聚光器采用具有相變材料的同心吸收管.相變材料由60%NaNO3和40%KNO3混合而成，填充吸收管環(huán)形空間.在2020年7月21日和10月21日，對有相變材料和無相變材料兩種情況下接收器進(jìn)行同步測試.結(jié)果表明，采用相變材料同心管的接收器的日熱效率分別提高了6.56%和8.32%，而且相變材料具有良好的保溫性能，保溫時(shí)間在2 h左右.Chaabane等[15]提出了一種將相變材料置于真空管內(nèi)的CPC集蓄熱一體式太陽能熱水器.利用數(shù)值計(jì)算分析了不同相變材料(肉豆蔻酸和石蠟-石墨)分別放入3種不同半徑接收器中裝置的熱性能.Haillot等[16]同樣采用將相變材料置于水管和真空管之間的CPC集蓄熱一體裝置，并對基于膨脹石墨的不同相變材料進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.Felinski等[17]將相變材料存放在帶有復(fù)合拋物線聚光器的熱管真空管內(nèi)，實(shí)驗(yàn)表明，相變材料能夠均勻加熱，而其與不帶有CPC的熱管真空管集熱器相比平均蓄熱效率提高了5%.

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，CPC太陽能集熱器在與相變蓄熱器集成為一體化裝置時(shí)，大部分研究只是將相變材料放置在圓管接收器內(nèi)部，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不占有較大空間.但是由于相變材料一般導(dǎo)熱系數(shù)較小，在缺乏強(qiáng)化傳熱措施的情況下，傳熱能力較差，會導(dǎo)致熱損失較大.特別地，在圓管接收器中填充相變材料容易導(dǎo)致相變材料膨脹后接收器受損炸裂，存在材料泄漏的問題.

本文將復(fù)合拋物面集熱器與以石蠟為相變材料的相變蓄熱器通過高效傳熱元件平板微熱管陣列有機(jī)結(jié)合為一體，建立了一種新型CPC集蓄熱一體化系統(tǒng).其中采用平板微熱管陣列作為核心傳熱元件，具有傳熱性能好、熱啟動快的特點(diǎn)，能夠迅速將熱能傳遞給相變材料和換熱流體，實(shí)現(xiàn)集熱、蓄熱、取熱3個(gè)功能區(qū)的分開獨(dú)立運(yùn)行.3個(gè)功能區(qū)的分開獨(dú)立運(yùn)行能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，以及減少系統(tǒng)熱能損失.本文通過實(shí)驗(yàn)研究的方法對該系統(tǒng)在2種不同模式下(先蓄后取模式和邊蓄邊取模式)不同風(fēng)量蓄放熱性能進(jìn)行測試，為CPC集蓄熱一體化系統(tǒng)的應(yīng)用提供依據(jù).

1 CPC集蓄熱一體式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

復(fù)合拋物面聚光式太陽能空氣集蓄熱一體式裝置由5個(gè)聚光式集蓄熱單元組成，每個(gè)聚光集蓄熱單元包括CPC 集熱器、相變蓄熱器、風(fēng)道和核心傳熱元件——平板微熱管微陣列，其構(gòu)造如圖1所示.

圖1 CPC太陽能空氣集蓄熱一體化裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the CPC integrated collector-storage solar air heater

CPC集熱器由聚光器和真空管組成.該聚焦面是關(guān)于y軸對稱的軸對稱曲面，聚光曲面的一邊是由一段拋物線與一段圓的漸開線連接而成.其聚光曲面的曲線方程[18]如下.

漸開線方程：

(1)

拋物線方程：

(2)

其中基圓半徑取值比接收管半徑實(shí)際值略小，取基圓半徑r=23 mm，選擇入射半角θ=30°，使用厚度為1.00 mm的高反射不銹鋼板成型的殼體，設(shè)計(jì)幾何聚光比為1/sinθ=2.0.考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中的經(jīng)濟(jì)性因素，將原有設(shè)計(jì)的聚焦面縱向高度截短51.4%，截短后的聚光比為1.8，槽口面積為0.269 m2,截短后的聚光器截面如圖2所示.5個(gè)集熱單元與水平面成β=45°并排放置.

圖2 截?cái)嗪驝PC聚光器截面圖Fig.2 Schematic of the CPC after truncation

蓄熱器包括蓄熱箱體和相變材料.每個(gè)蓄熱箱體尺寸是124 mm×79 mm×737 mm.相變材料選用58#石蠟作為相變材料，每個(gè)箱體填充的石蠟質(zhì)量為4.2 kg，固態(tài)、液態(tài)填充率分別為77.6%、83.5%.58#石蠟的物理性質(zhì)參數(shù)見表1.

表1 58#石蠟物理性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Physical properties of 58# paraffin

由于采用這種新型的集蓄熱一體化結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致較長的平板微熱管長度，從而導(dǎo)致在進(jìn)行放熱過程中，在平板微熱管底部的工作介質(zhì)難以被相變材料加熱蒸發(fā)，降低了系統(tǒng)工作效率，因此本文將不同寬度(40 mm和96 mm)的平板微熱管充分利用其形狀優(yōu)勢進(jìn)行搭接連接的方式，避免了上述問題.不同寬度微熱管之間和翅片與微熱管之間采用導(dǎo)熱硅膠粘接，以減少接觸熱阻.采用聚苯乙烯保溫板對蓄熱箱體和風(fēng)道表面進(jìn)行保溫處理.裝置各部件性能參數(shù)見表2.平板微熱管陣列的工作原理如圖3所示.

圖3 平板微熱管陣列工作原理Fig.3 Schematic of flat micro heat pipe

表2 CPC一體式裝置各部件性能參數(shù)表Table 2 Parameters of each component

該裝置每個(gè)聚光式集蓄熱單元工作原理如圖4和圖5所示.其中圖4為先蓄后取模式工作原理圖，主要分為2個(gè)過程：集/蓄熱過程，一部分太陽光線直接照射到真空管，被真空管選擇性吸收涂層吸收；另一部分太陽能照射到CPC聚光器，經(jīng)過一次或者多次反射匯聚到真空管被吸收.真空管內(nèi)部與微熱管1蒸發(fā)段之間主要通過輻射作用進(jìn)行換熱，微熱管1蒸發(fā)段吸收熱量后，內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)，在冷凝段凝結(jié)回流，將熱量傳遞給石蠟和微熱管2，然后微熱管2啟動，內(nèi)部工質(zhì)發(fā)生與微熱管1相同的過程，對石蠟進(jìn)行加熱，如此循環(huán)將太陽能存儲在石蠟中.取熱過程，當(dāng)換熱流體流經(jīng)微熱管2的取熱段，微熱管2內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)冷凝回流，并釋放出熱量到換熱流體中，而蓄熱箱體中的相變材料成為熱源，將回流的工質(zhì)重新加熱至氣態(tài)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)存儲熱量的提取.圖5為邊蓄邊取模式工作原理圖.此模式也分為2個(gè)過程：當(dāng)日照充足時(shí)，微熱管1蒸發(fā)段吸收來自太陽輻射熱量后，將熱量經(jīng)過冷凝段傳遞給石蠟和微熱管2，微熱管2啟動，內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)，一部分工質(zhì)在蓄熱段冷凝與石蠟進(jìn)行換熱，一部分工質(zhì)與取熱段空氣進(jìn)行換熱冷凝.當(dāng)日照不足時(shí)，微熱管1停止工作，相變材料作為熱源，熱量經(jīng)微熱管2傳遞給換熱流體.

圖4 先蓄后取模式工作原理Fig.4 Working principle of the mode of discharging after charging

圖5 邊蓄邊取模式工作原理Fig.5 Working principle of the mode of discharging while charging

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

復(fù)合拋物面聚光式太陽能空氣集蓄熱一體式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：CPC集蓄熱一體式裝置、軸流風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、熱電偶、Agilent數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)和氣象站.流量計(jì)用來測量換熱流體空氣的體積流量；采用Agilent數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶和計(jì)算機(jī)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用氣象站對總?cè)照蛰椛?、室外溫度和室外風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行測量記錄.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需儀器、儀表規(guī)格和精度如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)儀器、儀表規(guī)格和精度表Table 3 Specifications and accuracy of experimental instrument

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本文重點(diǎn)研究室外環(huán)境下實(shí)驗(yàn)裝置的蓄放熱性能.實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京市，從2020年7月開始進(jìn)行了一系列的測試，分別在2種模式下進(jìn)行.先蓄后取模式：集/蓄熱過程，CPC集熱器接收太陽輻射，相變材料初始溫度控制在30 ℃左右，當(dāng)石蠟溫度測點(diǎn)達(dá)到60 ℃時(shí)，認(rèn)為石蠟完全熔化，停止實(shí)驗(yàn)；取熱實(shí)驗(yàn)，打開取熱風(fēng)道，調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需風(fēng)量，當(dāng)相變材料溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，完成實(shí)驗(yàn).此過程所需風(fēng)量取值為70、90、110 m3/h.邊蓄邊取模式：在CPC集熱器接收太陽輻射的同時(shí)打開取熱風(fēng)道，調(diào)節(jié)所需風(fēng)量分別為70、90、110 m3/h，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10:00—19:00.實(shí)驗(yàn)過程中，各個(gè)部件的溫度測試布點(diǎn)如圖7所示.

圖7 溫度測點(diǎn)布置Fig.7 Scheme of temperature measurement points

2.3 數(shù)據(jù)處理

對于CPC太陽能集熱器而言，既能利用太陽總輻射當(dāng)中的直射輻射，也能利用太陽總輻射當(dāng)中的散射輻射.從邊緣光線原理可知：在入射半角θ以內(nèi)入射的光線經(jīng)聚光器表面反射后，才會聚到吸收體表面.所以當(dāng)太陽入射光線即太陽方位角在±30°以內(nèi)時(shí)，真空管內(nèi)表面吸收太陽總輻射照度，包括直射輻射和散射輻射.其余時(shí)間，只吸收太陽散射輻射.通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)日太陽方位角的逐時(shí)變化情況，能夠確定裝置吸收太陽總輻射開始和結(jié)束時(shí)間，從而確定裝置實(shí)際蓄熱量.CPC太陽能集熱器對太陽能輻射能的吸收計(jì)算模型如式(3)～(12)所示.

太陽赤緯角δ：

(3)

式中n為日期在一年中的序號，1月1日時(shí)n=1.

真太陽時(shí)St：

(4)

式中：Stt為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；Lst為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的經(jīng)度，采用東八時(shí)區(qū)，東經(jīng)120°；Lloc為當(dāng)?shù)亟?jīng)度，所在地點(diǎn)在東半球取正，西半球取負(fù)，為116.49°；E為時(shí)差，min.E計(jì)算公式為

E=9.87sin 2B-7.54cosB-1.5sinB

(5)

(6)

太陽時(shí)角ω：

ω=15°×(St-12)

(7)

太陽高度角h：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(8)

式中φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，?9.88°.

太陽方位角γ：

(9)

當(dāng)-θ≤γ≤θ時(shí)，即Stt1≤Stt≤Stt2時(shí)，真空管內(nèi)表面所接收輻射為

ICPC=Inβ+Idβ

(10)

當(dāng)γ<-θ或γ>θ時(shí)，即實(shí)驗(yàn)其余時(shí)間，只接收散射輻射，即

ICPC=Idβ

(11)

式中：Stt1為太陽方位角等于-θ時(shí)，裝置吸收太陽總輻射開始的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；Stt2為太陽方位角等于θ時(shí)，裝置吸收太陽總輻射結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；ICPC為真空管內(nèi)表面接收的太陽總輻射強(qiáng)度，W/m2；Inβ為45°傾斜面接收太陽直射輻射強(qiáng)度；Idβ為45°傾斜面接收太陽散射輻射強(qiáng)度，W/m2.

裝置吸收太陽輻射熱量：

(12)

式中：Qg為裝置吸收太陽總輻射熱量，kJ；τ1、τ2分別為實(shí)驗(yàn)蓄熱起始和終止時(shí)間，s；A為5個(gè)聚光器槽口總面積，m2.

在實(shí)驗(yàn)測試中，評價(jià)一體式裝置的性能主要通過實(shí)驗(yàn)裝置1天的蓄熱效率、取熱功率和裝置的日總效率.相關(guān)參數(shù)計(jì)算如式(13)～(18)所示.

蓄熱量：

Qs=MPCM[cp,PCMΔTPCM+H]+Mme[cp,meΔTme]

(13)

蓄熱效率：

(14)

式中：Qs為總蓄熱量，kJ；MPCM、Mme分別為石蠟、金屬材料質(zhì)量，kg；cp,PCM、cp,me分別為石蠟、金屬材料比熱，kJ/(kg·K)；ΔTPCM、ΔTme分別為蓄熱過程中石蠟、金屬材料溫度差值；H為石蠟的相變潛熱，kJ/kg；ηs為裝置蓄熱效率，%.

空氣取熱量：

(15)

平均取熱功率：

(16)

瞬時(shí)取熱功率：

Pd,in=ρa(bǔ)ircp,airVair(To-Ti)

(17)

裝置日總效率：

(18)

式中：Qd為空氣側(cè)取熱量，kJ；ρa(bǔ)ir為空氣密度，kg/m3；cp,air為空氣比熱，kJ/(kg·℃)；Vair為空氣體積流量，m3/s；Ti、To分別為空氣側(cè)進(jìn)、出口溫度，℃；τ1、τ2分別為實(shí)驗(yàn)起始和終止時(shí)間，s；Pd為空氣側(cè)平均取熱功率，W；Δτ為實(shí)驗(yàn)取熱時(shí)長，s；Pd,in為空氣側(cè)瞬時(shí)取熱功率；ηt為裝置從吸收太陽輻射到加熱空氣的總熱效率，%.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 先蓄后取模式下裝置性能

本文分別在2020年10月的3 d(2020-10-17、2020-10-22、2020-10-18)進(jìn)行了先蓄后取實(shí)驗(yàn).蓄熱實(shí)驗(yàn)期間3 d的太陽輻照度和室外溫度氣象數(shù)據(jù)如圖8所示.最高環(huán)境溫度分別為25.7、18.5、24.7 ℃，最高太陽輻照度分別為972、958、921 W/m2.3 d的平均溫度分別為21.8、16.6、21.9 ℃，平均太陽輻照度分別為833、823、774 W/m2.

圖8 2020年10月17日、22日、18日氣象數(shù)據(jù)Fig.8 Meteorological parameters on October 17,22,and 18,2020

圖9為2020年10月17日蓄熱過程中石蠟在蓄熱箱體高度方向上的溫度分布情況.相變材料平均溫度30 ℃時(shí)，開始蓄熱實(shí)驗(yàn)，蓄熱時(shí)間為10:29—15:10，其中根據(jù)太陽方位角公式計(jì)算公式，太陽方位角在入射半角±30°范圍內(nèi)的時(shí)間為10:37—13:54，即復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽總輻射照度時(shí)間為10:37—13:54，其余時(shí)間復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽散射輻射照度，經(jīng)過式(12)計(jì)算得到當(dāng)天裝置吸收的累計(jì)太陽輻照量為15.75 MJ.由圖9可知，相變材料相變點(diǎn)溫度在58 ℃左右.由于蓄熱箱體底部靠近平板微熱管搭接部分，因此底部石蠟溫度一直高于中部和上部，并且最先融化；在蓄熱過程中因?yàn)樽匀粚α鞯挠绊憣?dǎo)致液態(tài)石蠟向上部移動并加熱上部石蠟，所以上部石蠟溫度會略高于中部石蠟溫度.蓄熱實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，裝置總蓄熱量為5.71 MJ，所以得到裝置蓄熱效率為36.2%.

圖9 先蓄后取模式下高度方向相變材料溫度變化Fig.9 Curve of PCM temperature of the mode of discharging after charging

其余2 d裝置的蓄熱時(shí)間分別為10:30—15:15、10:26—15:22，吸收太陽總輻射照度時(shí)間為10:44—14:08、10:33—13:52，裝置吸收的累計(jì)太陽輻照量為15.88、14.90 MJ.裝置的總蓄熱量分別為5.67、5.62 MJ，可得裝置蓄熱效率分別為35.7%、37.8%，由3 d實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出裝置10月份平均蓄熱效率在36%左右.

在蓄熱實(shí)驗(yàn)完成之后，分別進(jìn)行取熱實(shí)驗(yàn).取熱實(shí)驗(yàn)期間室外環(huán)境溫度分別為18.2～24.4、14.9～18.0和19.5～23.6 ℃.圖10為2020年10月17日取熱空氣體積流量為70 m3/h時(shí)，風(fēng)道進(jìn)出口溫度、石蠟溫度和取熱功率隨時(shí)間變化的曲線，放熱時(shí)長為232 min.取熱剛開始時(shí)，風(fēng)道進(jìn)出口空氣存在著25 ℃左右的溫差，取熱功率較大，隨著石蠟溫度的降低而逐漸凝固，進(jìn)出口溫差逐漸減小，瞬時(shí)取熱功率也逐漸降低.通過計(jì)算得到整個(gè)取熱實(shí)驗(yàn)期間平均取熱功率為386 W，空氣側(cè)總?cè)崃繛? 367 kJ.

圖10 風(fēng)量70 m3/h時(shí)風(fēng)道進(jìn)出口溫度、石蠟溫度和取熱功率變化曲線Fig.10 Curve of inlet and outlet temperature,parameters temperature,and discharging power with volume flow rate of 70 m3/h

圖11為不同取熱風(fēng)量(70、90、110 m3/h)下風(fēng)道進(jìn)出口溫度和取熱功率隨時(shí)間變化情況.圖11(a)為放熱過程風(fēng)道進(jìn)出口溫度變化情況，可以看到空氣體積流量為70 m3/h時(shí)，可以提供溫度更高、更加穩(wěn)定的出口溫度.圖11(b)為放熱過程空氣取熱功率變化情況，取熱空氣流量分別為90、110 m3/h時(shí)，完成取熱過程的時(shí)間分別為154、160 min，計(jì)算得到平均取熱功率分別為574、524 W.取熱時(shí)間隨著空氣流量的增加而減小，這是因?yàn)殡S著空氣流量的增大，流速增加，增強(qiáng)了風(fēng)道內(nèi)空氣的擾動，提高了傳熱系數(shù)，加強(qiáng)了空氣與核心傳熱組件翅片的換熱，取熱時(shí)間減小，平均取熱功率增加.空氣流量為90、110 m3/h的放熱時(shí)間、出口溫度和取熱功率相差不大，這是由于取熱空氣流量為90 m3/h時(shí)，當(dāng)天的室外氣溫相比其他2天偏低，風(fēng)道進(jìn)口空氣溫度較低，與傳熱組件翅片的溫差較大，瞬時(shí)傳熱功率較大，取熱時(shí)間減少較多.

圖11 先蓄后取模式下不同風(fēng)量風(fēng)道進(jìn)出口溫度、取熱功率隨時(shí)間變化Fig.11 Curve of inlet and outlet temperature,and discharging power of the mode of discharging after charging

圖12顯示了10月3個(gè)實(shí)驗(yàn)日的空氣有效利用量即空氣側(cè)總?cè)崃亢屠塾?jì)太陽輻射量情況.取熱空氣流量分別為90、110 m3/h時(shí)，空氣側(cè)總?cè)崃糠謩e為5 301、5 035 kJ.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)實(shí)驗(yàn)日的累計(jì)太陽輻射量在15 MJ左右，而當(dāng)體積流量從70 m3/h增加到110 m3/h時(shí)，空氣有效利用量變化不大，在5 MJ左右.不同實(shí)驗(yàn)條件下的裝置日總熱效率可由式(18)計(jì)算出來.3個(gè)實(shí)驗(yàn)日裝置日總熱效率變化不大，維持在34%左右.可以看出取熱空氣流量的變化對該裝置日總效率影響不大，這是由于該CPC集蓄一體化裝置保溫效果良好，在室外氣象參數(shù)相差不大時(shí)，不同取熱風(fēng)量下裝置熱損失較小，裝置日總效率變化不大.

圖12 先蓄后取模式下不同風(fēng)量累計(jì)太陽輻射量和空氣有效利用量Fig.12 Cumulative solar radiation and useful energy under different volume flow rates of the mode of discharging after charging

3.2 邊蓄邊取模式下裝置性能

不同于先蓄后取模式，邊蓄邊取模式是在開始蓄熱的同時(shí)進(jìn)行空氣的取熱.在9月份的3 d(2020-09-18、2020-09-19、2020-09-04)進(jìn)行了3種不同風(fēng)量(70、90、110 m3/h)邊蓄邊取實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10:00—19:00，3 d的氣象數(shù)據(jù)如圖13所示.3 d最高環(huán)境溫度分別為31.5、32.3、37.6 ℃，最高太陽輻照強(qiáng)度分別為970、919、997 W/m2.3 d的平均溫度分別為29.1、29.3、31.4 ℃，平均太陽輻照強(qiáng)度分別為584、548、547 W/m2.可以認(rèn)為3 d的氣象參數(shù)相差不大，實(shí)驗(yàn)中的變量只是換熱流體的體積流量.根據(jù)式(3)～(12)，得到實(shí)驗(yàn)3 d復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽總輻射時(shí)間分別為10:48—13:19、10:38—13:19、11:08—13:29，其余時(shí)間復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽散射輻射.

圖13 2020年9月18日、19日、4日氣象數(shù)據(jù)Fig.13 Meteorological parameters on September 18,19,and 4,2020

圖14所示為取熱風(fēng)量為70 m3/h時(shí)風(fēng)道進(jìn)、出口溫度和取熱功率變化曲線.在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，復(fù)合拋物面集熱器吸收太陽散射輻射，風(fēng)道出口空氣溫度迅速升高，這是由于實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)相變材料處于固態(tài)，相變材料側(cè)熱阻大，進(jìn)入到相變材料的熱量小，大部分熱量被空氣直接取走，空氣溫度快速上升.在太陽光線入射角小于入射半角之后，出口空氣溫度增加速率減小，呈現(xiàn)出平緩增加的趨勢，此時(shí)復(fù)合拋物面集熱器吸收輻射增大，流經(jīng)核心傳熱元件平板微熱管的熱流密度增加，且部分相變材料熔化，增加了自然對流，相變材料側(cè)熱阻減小，進(jìn)入到相變材料的熱量快速增加，進(jìn)入到空氣的熱量緩慢增加，空氣溫度平緩上升.在太陽光線入射角大于入射半角之后，出口空氣溫度又繼續(xù)增加了1 h左右，這是由于熱損失和取熱功率之和仍小于吸收太陽光線的熱功率.在出口空氣溫度達(dá)到最大值之后，由于集熱器吸收太陽散射輻射，且太陽輻照強(qiáng)度逐漸降低，熱損失和取熱功率之和大于吸收的熱功率，風(fēng)道出口溫度逐漸降低.裝置取熱功率隨時(shí)間變化趨勢與風(fēng)道出口溫度的變化趨勢相同.

圖14 風(fēng)量70 m3/h時(shí)風(fēng)道進(jìn)出口溫度和取熱功率變化曲線Fig.14 Curve of inlet and outlet temperature and discharging power with volume flow rate of 70 m3/h

圖15所示為邊蓄邊取模式下不同風(fēng)量風(fēng)道進(jìn)出口溫度、取熱功率變化情況.由圖15 (a)不同體積流量換熱流體風(fēng)道空氣出口溫度發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量70 m3/h時(shí)風(fēng)道出口溫度一直高于其他2種風(fēng)量下風(fēng)道出口溫度，風(fēng)量90 m3/h和110 m3/h出口溫度相差不大.隨著取熱風(fēng)量由70 m3/h增加到110 m3/h，風(fēng)道出口溫度最大值由48.1 ℃降低到44.6 ℃.由圖15(b)不同體積流量換熱流體取熱功率可知，最大取熱功率由325 W增加到359 W.這是因?yàn)楦邠Q熱風(fēng)量導(dǎo)致對流換熱系數(shù)增大，最大取熱功率增加.

圖15 邊蓄邊取模式下不同風(fēng)量風(fēng)道進(jìn)出口溫度、取熱功率變化曲線Fig.15 Curve of inlet and outlet temperature,and discharging power of the mode of discharging while charging

圖16是邊蓄邊取模式下，不同體積流量空氣有效利用量和裝置日總效率變化情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空氣有效利用量隨體積流量的增加而增大，當(dāng)體積流量從70 m3/h增加到110 m3/h時(shí)，空氣有效利用量從6.47 MJ增加到7.07 MJ.同時(shí)，隨著體積流量的增加，裝置日總效率增加，由42.7%增加到45.6%，這是由于換熱流體體積流量降低時(shí)，瞬時(shí)取熱功率降低，導(dǎo)致蓄熱功率增大，相變材料溫度和真空管管內(nèi)溫度增加，裝置熱損失增加，裝置日總效率降低.

圖16 邊蓄邊取模式下不同風(fēng)量累計(jì)太陽輻射量和空氣有效利用量Fig.16 Cumulative solar radiation and useful energy under different volume flow rates of the mode of discharging while charging

4 結(jié)論

1) 本文建立了CPC太陽能集熱器對太陽能輻射能的吸收計(jì)算模型，計(jì)算CPC太陽能空氣積蓄熱一體化實(shí)驗(yàn)裝置的累計(jì)太陽輻射量.根據(jù)本文涉及的6個(gè)實(shí)驗(yàn)日每天太陽方位角的變化情況，得到實(shí)驗(yàn)裝置可接收太陽總輻射的時(shí)間分別為10:37—13:54、10:30—15:15、10:26—15:22、10:48—13:19、10:38—13:19、11:08—13:29.

2) 在先蓄后取模式下，裝置累計(jì)太陽輻射量在15 MJ左右，裝置平均蓄熱效率在36%左右.而取熱空氣流量的變化對該裝置日總效率影響不大，裝置日總效率維持在34%左右.

3) 在邊蓄邊取模式下，隨著換熱流體流量的增大，由70 m3/h增加到110 m3/h時(shí)，空氣有效利用量從6.47 MJ增加到7.07 MJ，裝置日總效率從42.7%增加到45.6%.