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倾角对两种热管PV/T装置热性能影响的对比实验研究

  • 作者:
  • 福建省建筑科学研究院 郑仁春
  • 发布时间:
  • 2019-07-08

福建省建筑科学研究院  郑仁春

    【摘  要】为研究倾角对热管PV/T装置传热性能的影响,设计了无芯热管和丝网芯热管两种热管PV/T系统在不同倾斜角度下的热性能测试实验装置,并在太阳能可控环境实验室中进行实验研究。在实验中,保证倾角以外的其他因素全部不变,通过数据分析,得到在倾角影响下热管PV/T装置集热性能与倾角的关系;且对比了无芯热管和丝网芯热管应用于热管PV/T系统的差异。结论表明:1.无芯热管与丝网芯热管PV/T系统,最佳倾角均为40°左右;2.倾角大于20°时,无芯热管PV/T系统的热性能总是优于丝网芯热管PV/T系统,无芯热管更适用于最佳倾角大于20°的地区,倾角小于20°时,无芯热管PV/T系统的热性能远远小于丝网芯热管PV/T系统,因此选用丝网芯热管PV/T系统更佳。

    【关键词】太阳能;PV/T;倾角;热管

Abstract: Two different types of heat pipe photovoltaic/thermal systems —wickless heat pipe PV/T system andwire meshed heat pipe PV/T system — were proposed and the thermal performances of the two systems working on different inclination angles were experimentally investigatedin an enthalpy difference laboratory with a solarsimulator in this paper. The conclusion shows that:1、The thermal performance of wire meshed heat pipe is not that sensitive to the inclination angle compares to wickless heat pipe. 2、Wickless heat pipe PV/T system is recommend to apply at latitudes higher than 20° while wire meshed heat pipe PV/T system at latitudes lower than 20°. Moreover, instantaneous thermal efficiencies of the PV/T collectors at inclination of 40° were carried out.
Key words:Solar energy;PV/T;Incline angle;Heat pipe.

0 引言

    许多研究者认为,在一定倾角范围内,热管的传热系数高于其在垂直状态下的传热系数,倾角对热管的传热性能有较大影响。PV/T装置在实际应用中均为倾斜放置,其摆放倾角是影响太阳能总收益的重要因素,传统水冷型PV/T系统的冷却水由泵驱动直接通过电池板芯背部的管道,受重力的影响可以忽略,因此以接收到的太阳能辐照总量最大作为系统最佳倾角的唯一判据,而在热管PV/T系统中,由于倾角对热管传热性能也有较大影响,在设计系统最佳倾角时,要同时考虑接收的辐照总量和热管热性能的影响。

    以往的研究都是针对单根热管的传热分析,没有涉及热管PV/T系统热性能受倾角影响的研究,并且室外的研究由于太阳辐照和环境温度等条件都随时间变化,无法控制倾角为唯一变量,达不到研究目的。为了研究倾角对系统热性能的影响,选取了目前最常用的两种热管:无芯热管和金属卷绕丝网吸液芯热管(以下简称丝网芯热管),分别组成两种热管PV/T系统,并且在太阳能可控环境实验室中针对热管PV/T热性能与倾角的关系以及两种热管PV/T系统的差异进行了实验测试,太阳能可控环境实验室能控制环境温度和湿度,提供稳定辐照,使得倾角成为唯一变量,这是室外实验无法达成的。

1 实验系统组成及工作原理

    实验所用热管具体规格如下:无芯热管——HR8(24)*1400F.90.06,丝网芯热管——HR8(24)*1400P.90.06,两者尺寸均为蒸发段长1300mm,外径8mm,冷凝段长90mm,外径24mm;流道——Φ38/1 ϕ26/90-80-9-150 焊G3/4,长998mm,外径38mm。

    实验对象为无芯热管PV/T集热板和丝网芯热管PV/T集热板:宽880mm,高1500mm,厚95mm,实际集热面积为0.998m2;集热板上层压72块62.5*125mm的黑色单晶硅光伏电池,分成36块串联的两组并联在一起,有效覆盖面积为0.555m2;每块集热板有8根热管,热管的冷凝段排列插在流道中,为了增大冷凝段与循环水的换热面积,采用了非等径的大头热管。

    热管PV/T实验系统如图1所示,由PV/T集热器、循环水泵、循环管路、储水箱、太阳能逆变控制器和蓄电池组成。集热板吸收太阳能,将热量传给热管,由水泵驱动水循环,将热管冷凝段的热量不断带入水箱。太阳能逆变控制器和蓄电池实现电能储存和输出。

    实验系统选用12V的直流无刷水泵ZK30A-1230,最大功率4.8W。采用T型热电偶对60L循环水箱内的水温进行测量,由于储水箱存在分层现象,为准确测得温度,在水箱内部轴线上等间距布置5个温度测点,通过与电脑连接的Agilent34970A数据采集仪进行采集。采用速度式水表lxs-15测量冷却水流量。

    要研究倾角对热管PV/T系统性能的影响,需保证在其他条件都不变的情况下,改变集热板的倾斜角,对比系统在不同倾角下的性能差异。因此,必须保证太阳辐照、环境温度、湿度、循环水流量、循环水量以及初始水温不变,而太阳能可控环境实验室可以提供这样的实验条件:干球温度的可控范围和精度为-15~50℃±0.2℃,湿球温度满足标准GB/T7725-2003的要求;由TRM-PD1人工太阳模拟发射器提供太阳辐照,能够提供200-1200W的辐照。集热器表面接收到的太阳总辐射量采用TBQ-2A总辐射表测量。

    实验安排:设定环境温度稳定在25℃,每次做实验前都换水并加热到25℃,保证初始水温一致,太阳辐照度保持在650W,循环水流量0.033kg/s,无芯热管PV/T集热板和丝网芯热管PV/T集热板分别组成两个相同的系统,保持模拟发射器与集热板的相对位置不变,在集热板倾斜角为9°、20°、30°、40°、50°、60°、70°情况下测试两个系统的光热性能,实验过程中产生的数据由计算机以30s/次进行自动保存。

2 性能评价和实验结果

    系统的平均热效率主要由集热器表面所接受到的太阳辐照量Ht (MJ/m2)、系统的初始水温twi (℃)和终了水温twf (℃)决定,受系统循环水量和集热器的倾角等影响。太阳能热水系统性能评价方法如式(1)所示:

     

    式中,Qw为系统水箱的实际得热量,MJ/m2;cw为水的比热容,KJ/(kg•℃);m为水箱中水的总量,kg;twf和twi为系统终了水温和初始水温,℃;ηt为热管PV/T系统的热效率。

    其中,实验储水箱中布置了五个测温点,以五个测温点的平均温度作为水箱中的水温:

        

    由图2可知,20°以上的角度,系统1的集热效率总是高于系统2的效率,因为倾角在20°以上时,无芯热管结构简单,管壁的导热热阻小,而丝网芯热管由于丝网芯的存在,管壁的导热热阻大于无芯热管,使得整体的传热热阻大于无芯热管,导致系统2的集热效率低于系统1;而在9°这样小角度下,系统1基本上不工作,热管热阻极大,系统2保持正常工作,具有较高集热效率。所以,在最佳倾角大于20°的地区,建议使用无芯热管PV/T系统,而在最佳倾角小于20°的地区,则使用丝网芯热管PV/T系统。

3 结论

    通过两种热管PV/T系统在不同倾角下的热性能实验,可得如下结论:

    (1)对热管PV/T系统来说,倾角对系统的热性能有较大影响,设计热管PV/T系统的摆放倾角时必须考虑倾角的影响。

    (2)无芯热管PV/T系统的热效率随倾角的增加,先增大后减小,在40°左右热效率最大。丝网芯热管PV/T系统的热效率则从平缓到增大,最后再减小,在40°左右热效率最大。

    (3)在20°以上,无芯热管PV/T系统的热效率总是高于丝网芯热管PV/T系统。无芯热管PV/T在倾斜角20°以下热效率急剧下降,甚至几乎不工作,而丝网芯热管在极小的角度下仍高效率工作。所以,在最佳倾角大于20°的地区,更适合采用无芯热管PV/T系统,而在最佳倾角小于20°的地区,采用丝网芯热管PV/T系统更好,此结论也适用于其他与热管相结合的集热装置的倾角优化。

参考文献

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    [3]孙全平,陈晓华,陈金发. 太阳能热管的研制和应用[J. 能源技术,2002,23;110-112
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    备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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