焦良珍，刘志玥，毛前军
(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065)
太阳能作为一种能量巨大的可再生能源，它的有效利用将有效缓解全球能源压力和环境压力。全玻璃真空管集热器作为太阳能利用中应用最广的方式之一[1-4]，在武汉地区也存在广泛应用。武汉地处我国中南部，属于太阳能资源可利用区，冬季晴朗天气下可以获得较强的太阳辐射用于生活、生产。本文对处于武汉地区冬季太阳辐射特征下的太阳能集热器性能进行研究，探究结构参数对集热性能的影响，为武汉地区冬季太阳能集热器的应用与性能提升提供参考。
为提升全玻璃真空管太阳能集热器集热性能，国内外学者针对各类因素进行了大量研究[5-8]，其中有众多学者针对集热管长度、安装倾角、太阳辐射强度等因素对流体温度、流速等参数的影响进行研究[9-11]。实验研究中，张昕雨等人[12]研究1 600～1 800 mm长度的集热管对集热器集热的影响，发现管长越长，流体温度越高、效率越低。王恩宇等人[13]研究真空管太阳能集热器不同布置方式对热性能影响。刁荣丹、李金平以及李仁飞等人[14-16]针对环境因素对集热器集热性能的影响进行了研究，研究内容包括集热管表面积尘量、太阳辐照强度、环境温度、风速等对集热量的影响，其中太阳辐射强度对集热器性能影响显著。赵薇等人[17]针对严寒地区典型城市集热器最佳倾角进行了研究，发现集热器倾角与太阳方位角相结合对集热性能有较大影响。在模拟研究中，张涛等[18]针对47 mm、58 mm两种集热管管径以及900～2 400 mm的集热管管长对集热器集热性能影响进行了研究，分析流体温度变化。孙建、张昌宓等人[19-20]对集热器不同结构进行了对比研究，内容包括横、竖排集热器性能比较，不同聚光方式下集热器性能差异以及椭圆形全玻璃真空管集热器性能与传统集热器间性能差异。
在上述研究当中，尽管目前对于全玻璃真空管集热器性能已经有广泛深入的研究，但针对集热器结构并结合武汉当地太阳日运动、逐时太阳辐射强度对集热器进行性能研究较为有限，故本文在集热管管长、管径、集热器倾角这三种影响因素建立集热器模型，在武汉冬季气象条件下进行模拟，探究集热器集热规律，分析各因素对流体温度、流速、Ra以及集热效率的影响。本文研究结果可以为武汉地区全玻璃真空管集热器性能提升与及其有效应用提供参考。
1.1 模型建立
本文以一组全玻璃真空管集热器为参考对象，其安装倾角为42°，集热器参数信息如表1所示；
集热器水箱中部设有一个温度传感器，精度为0.1，已校准。以上述集热器为参考，建立16管模型用于模型验证。集热器结构示意图、模型示意图如图1所示。将模型简化为4管，改变集热管长度，分别建立管长为1 800～2 100 mm集热器模型；
改变真空集热管内管管径，分别建立内管管径为43～53 mm集热器模型；
改变集热器安装角度，分别建立安装角度为33°～51°集热器模型。
表1 全玻璃真空管集热器参数
图1 全玻璃真空管太阳能集热器示意图
1.2 控制方程
研究表明，全玻璃真空管集热器内流体温度温差不超过10 ℃，因此采用Boussinesq模型模拟全玻璃真空管集热器日间集热情况。集热器内流体为不可压缩流体，各控制方程如下。
(1)连续性方程为
(1)
式中ux，uy，uz分别为x，y，z轴方向上的速度分量。
(2)根据动量守恒定律，X,Y,Z三个方向上动量方程分别为
(2)
(3)
(4)
式中p——流体微元体受到的压力/N；
τxx,τxy,τxz——因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量；
Fx,Fy,FZ——微元体上的体力，若体力只有重力，且Z轴竖直向上，则Fx=0,Fy=0,Fz=-ρg
(3)能量方程为
(5)
式中cρ——比热容/J·(kg·K)-1;
T——温度/K;
K——流体的传热系数/W·(m2·K)-1;
St——流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。
(4)辐射方程为
(6)
式中r——位置向量；
s——方向向量；
s′——散射方向；
s——沿程长(行程长度)/m；
α——吸收系数；
n——折射系数；
σs——散射系数；
σ——斯蒂芬-玻耳兹曼常数/W·(m2·k4)-1,σ=5.672×10-8W/(m2·K4)；
I——辐射强度W/m2，依赖于位置(r)与方向(s)；
T——当地温度/K；
Φ——相位函数；
Ω′——空间立体角/rad；
α+σs——介质的光学深度。
1.3 模拟验证
为验证集热器模型的可行性，将相同条件下集热器模型模拟结果与实验测量结果进行对比，验证结果如图2所示。其中，实验数据由集热器储热水箱中部温度传感器获取，于4月23日至4月30日进行为期一周的实验，经过比较、筛选，最终发现4月29日测量数据较为合理，选取当日日间集热期间整点时刻水箱流体温度数据用于模型验证。由图2可知，水箱流体温度模拟值高于实测值，这是由于在模拟过程中忽略了集热器各部位联结处的散热导致模拟值高于实测值；
水箱温度实测值与模拟值之间的变化趋势趋于一致，经计算得出，模拟值与实测值之间拟合度达到90%以上，因此该模型较为可靠。
图2 模拟与实验数据验证
日间集热时集热器内流体流速云图如图3所示。由图3可知，集热初始，真空管开始接收太阳辐射，靠近壁面的流体首先被加热，温度上升导致密度减小，在自然对流的作用下，真空管内热流体沿着上壁面流入储热水箱，冷流体沿着下管壁流入真空管。由于真空管主要是上部分接收太阳辐射，随着太阳辐射强度逐渐增大，管内自然对流增强，流体流入、流出的速度增大，热流体经由真空管管口上部流入水箱，冷流体经由真空管管口下部流入真空管，冷、热流体在管内掺混。
图3 集热器内流体不同时刻速度云图
集热过程中集热器内流体温度分布云图如图4所示。靠近管上壁的流体温度升温速率最高，越靠近真空管底部和真空管背部，流体温度越低；
水箱下层流体温度与中、上层流体温度差异明显，当太阳辐射热输入逐渐减小，集热结束时，流体温度分层情况明显，在水箱内流体温度趋于一致，真空管内越靠近底部流体温度越低。
图4 集热器内流体不同时刻温度云图
集热器在天气状况良好时能较大程度发挥集热效果，通过比较分析，2020年12月31日，武汉冬季天气状况良好，选择当日气象参数作为集热器模拟条件，气象参数如图5所示。
图5 不同时刻气象参数
3.1 结构参数对日间集热器内流体温度变化影响
在保持集热器模型倾角均为42°,真空集热管内径均为47 mm的条件下，真空集热管长度L分别为1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm时，集热器水箱内流体温度随时间变化如图6所示。由图6可知，随着管长的增加，集热器水箱内流体温度逐渐上升，其中真空集热管管长为2 100 mm时储热水箱内；
流体温度为23.48 ℃，与真空集热管长1 900 mm相比，水箱内流体温升高了0.78 ℃，与真空集热管长1 800 mm相比，水箱内流体温升高1.08 ℃；
同时随着真空集热管管长增加，与1 900 mm时水箱温度相比，1 800 mm时水箱温度减小1.30%，2 000 mm时水箱温度增加1.8%，2 100 mm时水箱温度增加3.45%。
图6 不同集热管管长L下水箱流体温
在保持集热器模型倾角均为42°,真空集热管长度均为1 900 mm的条件下，真空集热管内径Φ分别为43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm时，集热器水箱内流体温度随时间变化如图7所示。由图7可知，随着管径的增加，流体温逐渐升高，其中管径为53 mm时流体温度最高为23.09 ℃，相比于真空集热管管径为47 mm时流体温度，管径为41 mm时流体温度下降5.02%，管径为53 mm时流体温度升高1.73%。
图7 不同集热管管径Φ下水箱流体温度
在保持集热器模型真空集热管长度均为1 900 mm，真空集热管内径均为47 mm的条件下，集热器模型倾角α分别为33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°时，集热器水箱内流体温度随时间变化如图8所示。由图8可知，随着集热器安装倾角的增加，水箱内流体温度逐渐升高，倾角为51°时达到最大为23.16 ℃。与倾角42°时的流体温度相比，倾角为33°时流体温度减少4.99%，倾角为51°时，流体温度升高2.02%。
图8 不同倾角α下水箱流体温度
3.2 结构参数对集热器内流体流动状态的影响
在真空集热管内选取五个参考截面，分析不同参数下各参考截面流体流动状态。截面的位置γ由截面至集热管管口距离与集热管管长的比值决定，γ的值分别为0，0.25，0.5，0.75，1。
在保持集热器模型倾角均为42°,真空集热管内径均为47 mm的条件下，真空集热管长度L分别为1 800 mm，1 850 mm，1 900 mm，1 950 mm，2 000 mm，2 050 mm，2 100 mm时，真空集热管内不同截面处流体的平均流速、Ra如图9示。由图9可知，当截面越靠近集热管底部，流速越小，Ra也越小；
随着真空集热管长度增加，集热器不同截面处流速均有所增大，管长为1 900 mm时集热管内各截面Ra变化幅度最小。
图9 管长L改变时不同截面位置处流体的流速、Ra
在保持集热器模型倾角均为42°,真空集热管长度均为1 900 mm的条件下，真空集热管内径Φ分别为43 mm，45 mm，47 mm，49 mm，51 mm，53 mm时，真空集热管内不同截面处流体的平均流速、Ra如图10所示。由图10可知，越靠近集热管底部，截面平均流速越小，随着管径的增大，各截面处流体平均流速均随之降低；
越靠近集热管底部，截面流体Ra越小；
随着管径的增大，各截面流体Ra均增大，底部截面流体Ra均趋于0。
图10 管内径Φ改变时不同截面位置处流体流速、Ra
在保持集热器模型真空集热管长度均为1 900 mm，真空集热管内径均为47mm的条件下，集热器模型倾角α分别为33°，36°，39°，42°，45°，58°，51°时，真空集热管内不同截面处流体的平均流速和Ra如图11所示。由图11可知，越靠近集热管底部截面平均流速越小，在管口底部流速均趋于0，随着集热器安装倾角增大，各截面流速均有所增加，其中倾角为42°各截面流速增加幅度最大；
随着倾角的增加，集热管管口处截面流体Ra逐渐减小，在距管口四分之一截面处各截面流体Ra趋于相同，随着截面逐渐靠近集热管底部，不同倾角在相同位置处截面流体Ra之间的差异逐渐增大，直至集热管底部截面处，倾角越小Ra越大。
图11 倾角α改变时不同截面位置处流体流速、Ra
3.3 结构参数对日间集热器集热效率的影响
不同结构参数下，集热器日间集热效率如图12所示。由图12可知，随着集热管长由1 800 mm增至2 100 mm，集热器集热效率逐渐降低，最终集热器集热效率降低至12.06%，效率降低9.53%；
管径由41 mm增至53 mm，随着管径的增加，集热器效率逐渐降低至11.54%，效率降低15.08%；
随着集热器安装倾角由33°增至51°，集热器效率逐渐增大至13.07%，效率增大10.20%。其中真空集热管管径的改变对集热器集热效率变化影响最大。
图12 集热器效率
真空集热管管长和真空集热管管径变化会导致单位吸热面积容水量发生改变，不同单位吸热面积容水量下的集热器水箱流体温度、集热器集热效率如表2、表3所示。由表2、表3可知，仅当真空集热管长度改变，单位吸热面积容水量越大时，集热器水箱流体温度越小，集热器集热效率越大；
仅当真空集热管管径改变时，单位吸热面积容水量越大时，集热器水箱流体温度越小，集热器集热效率越大。
表2 不同集热管管长下单位吸热面积容水量
表3 不同集热管管径下单位吸热面积容水量
通过数值模拟的方法对武汉地区冬季不同结构参数对太阳能集热器日间集热性能影响进行研究，模拟中考虑了太阳日运动和太阳辐射强度逐时变化的影响。得出结果如下：
(1)集热管管长由1800 mm增加至2100 mm时，水箱流体温度升高6.42%，升高了1.08 ℃，集热效率降低了1.28%；
集热管管径由41 mm增加至53 mm时，水箱流体温度升高7.10%，升高了1.04 ℃，集热效率降低了2.05%；
集热器安装倾角由33°增加至51°时，水箱流体温度升高7.37%，升高了1.59 ℃，集热效率升高了1.21%。
(2)Ra能较为准确反映流体自然对流强弱，流体越靠近真空管底部Ra越小，真空管底部流体对流换热强度弱，流速趋于0 m/s，易形成滞流区。真空集热管管径对流体Ra影响较大，集热管管径由41 mm增加至53 mm时，集热管内各截面处流体Ra扩大约1倍，较大管径有助于强化管内流体对流换热。
(3)为了获取较高流体温度、集热器效率,武汉地区集热器的倾角不应小于51°。当集热器某一结构参数发生变化从而导致集热器单位吸热面积容水量发生改变时，单位吸热面积容水量越大，水箱流体温度越低、集热器集热效率越高。
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