太阳能热泵集热器的优化研究

太阳能热泵集热器的优化研究

陈祥

陈祥

身份证号码：43042319910115XXXX;广东万博电气有限公司528513

摘要：伴随着社会的发展，能源越来越紧缺，而随着科技的发展和技术的进步，各国都在加紧开发可再生能源，可以说，各国的焦点均以此为中心，无论是美国的特斯拉抑或日本的燃料电池，从中可见未来一段时间的能源趋势，这些新能源的利用将会逐渐替换普通能源的使用，从而让人类的活动不那么依赖非可再生能源。而在可再生能源中，太阳能的开发和利用是一个被重点关注的领域。其中集热器又是对太阳能利用的关键部件，本文通过对太阳能热泵集热器进行分析和实验，提出如何才能进一步优化集热器，节省能源。

关键词：太阳能热泵；集热器；实验

现如今，对于能源的需求已经日渐增加，而随着人们对能源的使用和开采，能源的短缺已经越来越成为各个国家所担心的问题。而地球的很多资源都是不可再生的，并且是有限的。资源上的短缺让越来越多的国家开始争夺资源，并且努力寻找可以替代的能源。现在，科技渐渐发展起来，各国都纷纷加入新能源的开发和建设的大军当中，利用和开发新能源也成为现在的主流趋势。在新能源的开发中，人们对太阳能的关注度一直都是很高的，太阳辐射能中蕴含的能量非常巨大，每一年当中，到达地球上的太阳辐射能就有5.56×1001MJ，这个能量就相当于标准煤1.89×106t。众所周知，我国的土地面积是排在世界的前列的，在中国三分之二的土地上，接受太阳光的年日照数平均在2100小时以上，我国的太阳能资源是比较富足的，如果我们尽最大效率利用起来，那么在能源缓解和资源节约方面一定能占据优势。在太阳能的利用当中，集热器是太阳能系统热利用系统的重要组成部分，太阳能要实现供冷、供热必须提高集热器的集热效率，集热器性能的好坏对整个太阳能热利用系统的效率是起着非常重要的作用的，可以说是至关生死的。现就下面几点谈谈集热器的效率相关方面。

1、太阳能集热器的种类

太阳能集热器用来吸收太阳辐射，其选择性吸收面板面板接受各种短波辐射后将辐射能转换成热能并将热能传递给热介质的这样一种装置。太阳能集热器可以分为以下几个种类。首先按照集热器的传热工质类型可以分为液体集热器和空气集热器。按照采光方向分为聚光型的集热器和非聚光性型的集热器。按照保温介质可以分为平板型集热器和真空管型集热器。如果按照集热器是否会跟踪太阳的运动分为跟踪型的集热器和非跟踪型的集热器。最后，按照集热器的工作温度范围可以分为低温型的、中温型的和高温型的。现在市面上常出现的集热器有这几种类型：平板型的太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器等。

2、太阳能集热器的结构优化

太阳能作为一种最常见的可再生的能源，对太阳能的充分利用是实现资源的节约和环保的重要方式之一。其中，在太阳能热利用的系统当中运用得最广的一个重要的部件是集热器，对于集热器的传热性能的分析和对于它的优化是现在很多关注太阳能这一领域的人非常关心的研究热点。但是，对于集热器当中的不同结构，对于集热的效果是大有不同的，我们要通过大量的实验来让太阳能集热器的内部达到一个最优的结构，实现太阳能集热器的结构优化。比如平板型集热器当中的选择性吸收面板距离玻璃盖板的高度关系到集热器的热损失的高低，过高则使得集热器过于偏厚，导致材料成本过高；而高度过低则使得太阳能集热器的选择性吸收涂层面板对外有过大的热辐射损失，这样极大降低了集热器的工作效率。

首先，准备好试验的设备和仪器。其具体的仪器由以下几个部件组成：1、无纸记录仪，笔者采用的是北京中旺新业生产的XSR70-12T0USBVO型12通道彩屏的记录仪；2、PT1000温度传感器和风速计，这个风速计采用的是美国E+E公司生产的EE65型微风传感器；3、总辐射表等。其次，是采用试验的方法。太阳辐照度、传热工质流量和集热器进口的温度以及当时环境温度等各种因素影响了集热器出口的温度。在这些因素当中，有几个因素是我们不能改变的，它们是辐照度和环境温度。所以，太阳能集热器要想得到进一步的优化就必须从其他的影响因素入手，对其他几个部分进行试验，从而达到结构的最优化。第一，对吸热体的波纹测试。我们可以用三种不一样的波纹吸热体的集热器进行测试，我们这三组都是做对比实验，唯一变量就是波纹不同，其他的都是不变量，在这样的操作下看哪个的效果更好。第二，对进出口的数量进行控制，在这次的实验当中个，选取的是直径为70MM的管道和外部的设备进行连接，我们可以分开进行检测数量是4组和2组的时候的效果是怎么样的。然后进行效率的计算，效率来衡量太阳能集热器的好坏，如果效率越高就说明优化效果越好。最后，就是得出刚才那两组实验当中所得出的结果和对它进行分析与总结。首先是在对吸热体波纹的实验当中，其结果表明，波纹不同它们所吸收的热量也是不一样的，横向波纹吸收的热量是86.72%，平面无波纹吸收的热量是65.11%，而纵向的波纹吸收的热量则是71.13%，从这组数据当中我们可以看出横向波纹吸收到的热量是最对的，因为有波纹的比起平面的是可以增加吸热的，因为波纹有起伏就增加了受热的面积，而横向的也比纵向的要好是因为横向的阻力更小，总结来说，具有横向的波纹是吸热效果最好的。而对于进出口安排的数量的测试，得出以下的结论。当集热器安排的口子数量多时比口子数量安排少的时候集热的效果要高出8%，它的集热效果是更好的。

3、太阳能热泵系统中的集热器的分析

第一、我们可以采用低温平板的集热器，因为它的结构简单，而且可以用敞开型的可以和建筑做在一起。第二，低温平板的集热的效率是比较高的，这是因为在低温的时候的时候就可以给水温开始进行加热，因此，虽然低温平板的集热器是很简单的集热器，但是它在太阳光照射的时间很短的时候也可以很有效率的进行加热。所以就算是只有一层玻璃的、上黑颜色的普通集热器的效率也可以到达40%到80%，当表面温度不高的时候也能有比较好的吸收热量的效果。第三，我们可以把集热器和蒸发器放在一起，把它们组合在一起之后，就可以变成一种具有多种功能的集热器，这种类型的集热器不仅是可以直接收太阳辐射而且还可以将空气中的热也进行吸收，增加制热的效率。这种新组合的集热器可以将其镶嵌到墙体里面，不占空间。并且，在夏天的时候还可以把这种集热器当做蒸发器来使用，可以说这种集热器是集合了多种功能。

结语：

根据以上的研究我们可以看出，具有横向波纹的集热器是比没有波纹的和纵向型波纹的集热效果是好很多的。而且对于集热器的进出口来说，进出口的出口数量是4组的时候比出口的数量是2组的时候是要好很多的，因为这样就可以让集热器内部里面的空气流动的速度变快，更有利于换热。从当前的趋势来说，太阳能的开发和利用效率还有很大的上升的空间，而集热器是太阳能热利用系统中的重中之重，所以，我们优化集热器，可以更有效的利用太阳能，对可再生能源和开发是有着重要的意义的。

参考文献：

[1]季杰,赵方亮,黄文竹,蔡靖雍.直膨式太阳能热泵制热性能的对比研究[J].太阳能学报.2016(10)

[2]黄文生.太阳能热泵空调的影响因素分析[J].产业与科技论坛.2014(11)

[3]蒋绿林,侯亚祥,姜钦青,张亮,王昌领,陈孚江.辐照强度对直膨式太阳能热泵性能影响的研究[J].可再生能源.2015(06)

[4]孙振华,王如竹,李郁武.基于仿真与实验的直膨式太阳能热泵热水器变频策略[J].太阳能学报.2008(10)

[5]李舒宏,武文彬,张小松,殷勇高.太阳能热泵热水装置试验研究与应用分析[J].东南大学学报(自然科学版).2005(01)