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《農業工程雜志》2014年第五期

1國內外研究現狀

1.1國外研究現狀

BhagoriaetalJL等［2］在集熱器透明蓋板與吸熱板之間增加了一層聚四氟乙烯膜，集熱器集熱效率提高了5%，若采用蜂窩狀聚四氟乙烯，則集熱器效率能提高12.1%。TirisC等［3］在對翅片進行傳熱分析的基礎上，計算了吸熱板的熱損失系數，研究了不同的翅片形狀(矩形、三角形)對平板集熱器效率和成本的影響，并以鋁吸熱板為例，進行了經濟性分析。MatrawyKK等［4］對蛇形管式(STC)、管板式(PTC)和雙平行平板式(TPPC)集熱器進行了對比研究，模擬計算了集熱器吸熱板溫度、全天有用能和平均效率，TPPC效率比STC高6%，比PTC高10%。KunduB［5］在同時考慮溫度對集熱器熱損失系數和吸熱板導熱系數的影響的基礎上，建立了全新的平板集熱器優化模型，研究了環境溫度和太陽輻射強度對集熱器優化結構的影響。CadafalchJ［6］建立了平板太陽能集熱器的一維瞬態數學模型，該模型針對多層蓋板、空氣夾層、表面涂層、保溫層等不同的結構和部件進行分析，還利用實驗數據對模型結果進行了對比驗證。NayakJK［7］對3種測試平板集熱器瞬時效率的方法進行了全面的對比分析，并將瞬時測試結果與基于ASHRAE93-86標準的穩態測試結果進行了對比，結果顯示DSC方法與測量值更加接近。CarvalhoMJ等［8］對比了DST和CSTG兩種集熱器性能測試方法，并給出了兩種方法的性能測試結果和它們之間的轉換因子。丹佛建成了利用空氣加熱，利用一個燒天然氣的爐子作為輔助熱源，采用卵石床進行蓄熱的太陽房。該建筑地板面積約195m2，設計熱負荷114500kJh。這些太陽房的成功運行，為太陽能在供熱空調領域的應用開辟了可行的途徑［9］。

1.2國內研究現狀

張彥峰等［10］對平板集熱器中存在的自然對流現象進行了理論分析，解決了不同傾角集熱器空氣夾層最佳間距的確定問題。對空氣夾層中的自然對流熱損失、空氣夾層間距及放置傾角3者的相互關系進行了分析計算，提出在0°≤Φ≤90°，102＜Ra＜106的范圍內幾種傾角位置空氣夾層最佳間距的推薦值。崔永亮等將方形蜂窩和百葉形蜂窩對平板集熱器熱性能的影響進行了3維數值模擬，結果顯示，方形蜂窩優于百葉形蜂窩。當蜂窩高度為60mm的條件下，當蜂窩孔徑≥40mm后，方形蜂窩和百葉形蜂窩幾乎失去抑制對流的功效。鄭振宏等對V形隔熱膜平板集熱器進行了理論和試驗研究，結果顯示V形隔熱膜可以有效抑制對流熱損失，減小頂部熱損失系數，提高集熱器效率10%左右，工質溫度越高，熱效率提高幅度越大。V形隔熱膜平板集熱器運行于70～100℃時，熱效率在30%～45%。張鶴飛對金屬直管型、金屬蛇形管型、非金屬直管型和非金屬蛇形管型4種集熱器進行了理論分析，提出了無因次參數可作為設計各類集熱器的重要參數，衡量集熱器性能好壞的指標。熱阻值與當量導熱系數的乘積越小、肋效率越高，集熱器額集熱因子越高。趙軍等提出了一種新的集熱器吸熱板溫度場分布的簡易算法，并將計算結果與有限元數值計算方法得出的結果進行了對比，表明該簡易算法是可靠的，可用于分析吸熱板結構、氣象參數對集熱器傳熱的影響。楊小鳳等對平板集熱器、CPC平板集熱器、真空管集熱器和CPC真空管集熱器的性能進行了理論計算和比較，中溫時平板的熱損失數最大，CPC平板次之，真空管再次之。平板集熱器在50℃以下時，性能比真空管集熱器好，但入口水溫在90℃左右時，平板集熱器的效率遠低于其他幾種。

卞衛等用熱力學第2定律分析了進口溫度和流量對平板集熱器效率的影響，并研究了求解最大效率的方法。羅振濤對強制循環平板集熱器進行了效率測試，建立集熱器的數學模型進行了模擬計算，并對理論計算和試驗結果之間的誤差進行了分析。計算效率和測定效率之間的誤差是由于所取時間間隔太大。流量不同，得出的效率曲線也不同。李炳海等將太陽能集熱器，安裝在日光溫室東側緩沖間屋頂，保溫儲熱水箱充量為1000kg，安裝在溫室內東側山墻邊。結果表明:日光溫室使用地熱加溫系統后，室內15cm深土溫在晴天時平均比不加溫的對照區提高2.94℃，陰天提高2.56℃。最低土溫由11.0℃提高到13.9℃。而且發現對5cm以上的土壤溫度和溫室內氣溫的差異較小。太陽能地熱系統能夠對土壤溫度有明顯的提升作用，熱能主要集中加熱了15～25cm深度的土壤。王奉欽［19］對太陽能集熱器輔助加溫系統對溫室地溫的升溫效果進行了系統的研究和試驗，并進行了一定的理論分析和計算，試驗結果表明，這種方法具有明顯的地溫升溫效果。肉孜•阿木提等［20］通過對鋼化玻璃-蛇形單層通路、鋼化玻璃-蛇形雙層通路、PC陽光板-蛇形單層通路和PC陽光板-蛇形雙層通路4種集熱板的比較得出，PC陽光板-蛇形單層通路集熱效率最高。效率為74.6%，傳熱介質溫度可達到105.2℃，造價低于真空管式集熱器的13。劉伯聰等［21］對比較連續晴天、連續晴天且氣溫較高、陰天，太陽能蓄熱系統的蓄熱效率。通過試驗得出太陽能蓄熱系統使用后，夜間室內平均氣溫由9.3℃提高到13.7℃，－20cm土壤溫度由15.6℃提高到17.7℃，說明該系統有效提高日光溫室中的地溫與氣溫。余學江［22］設計了一種半固定式可調節集熱器，通過大量計算得出不同時期集熱器應選擇的最佳傾角。設置了8個調節角度，每年可調節14次。與固定式集熱器相比，其集熱效率提高了8.3%。

2太陽能集熱器的種類

太陽能集熱器的種類有平板型平行流道式集熱器(圖1)、平板型蛇形管式集熱器(圖1)、全玻璃真空管集熱器(圖2)和熱管式真空管集熱器(圖3)。

2.1平板型平行流道式集熱器

集熱器載熱流體的通道是相互平行的，下端設分水管，上端設集水管，這種流道形式在日常的平板式集熱器中比較常見，它的特點是進入集熱器的載熱流體流量大，流體進出口溫差小，適用于需獲得的流體溫度不高，循環加熱流體的場合。

2.2平板型蛇形管式集熱器

載熱流體通道在集熱器內部彎成蛇形，從流體進口到出口就只有一個通道，它的特點是進入集熱器流體的流量小，但流體進出口溫差大，適用于獲取較高溫度，直通加熱流體的場合。

2.3全玻璃真空管集熱器

全玻璃真空管具有集熱效率高，保溫性能好，使用壽命長等優點;但由于其承壓部分為內玻璃管，所以其承壓能力低，且玻璃管內易結垢，管內的水容量大，無法取出使用，導致了熱水利用率降低。

2.4熱管式真空管集熱器

熱管工質熱容量小，啟動快;真空集熱管內沒有水，耐冰凍;耐熱沖擊;熱管和連集管是金屬，承壓能力強;熱管有“熱二極管效應”，保溫好;集熱管采用“干性連接”不漏水，運行安全可靠，易于安裝維修。但是成本高，當集熱器與環境之間溫度差小時熱效率低。

3存在的問題

(1)太陽能集熱器理論計算模型僅對集熱器的某一部分進行分析和優化，不適用于集熱器整體的熱性能評價。模型應用的假設和簡化，脫離了平板集熱器實際運行工況，結論的應用范圍受到了很大的限制。(2)常見的平板式太陽能集熱器一般為平行流道式，集熱器載熱流體流量大，進出口溫差小，玻璃透明蓋板為單層玻璃，底面和側面的保溫層也較薄，導致了集熱器熱損大，高溫段的熱效率偏低。(3)溫室的地溫與氣溫在很大程度上決定植物的生長，地溫不僅直接影響植物根部的生長和根系的形成，還影響養分和水分的吸收、土壤微生物的生存、部分蔬菜的花芽分化及其發育和產量等［23］。大部分日光溫室在嚴寒冬季很難滿足作物生長要求，溫室內無供暖設備時，生產喜溫類蔬菜有很大困難。使用傳統的加熱方式對溫室進行加溫，即浪費大量的不可再生資源，又產生大量的溫室氣體污染環境。(4)太陽能集熱器主要的兩大種類是平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器。平板型太陽能集熱器存在嚴寒冬季的凍裂進而熱量損失嚴重的問題;真空管型太陽能集熱器雖然集熱效率可達到94%，但是整體不承壓并且易破碎，而且成本比較高。(5)冬季是日光溫室加熱的主要時間段，尤其是在嚴寒冬季的夜晚，室外氣溫與土壤溫度極低，嚴重威脅到作物的生長。此時使用集熱器對溫室進行加溫。集熱器處在－20℃左右的環境中，會失去韌性極易破損。平板集熱器中的水凍結，影響集熱器的正常運轉，導致集熱管炸裂。(6)太陽能集熱器集熱系統中，主要是太陽能板的集熱部分，集熱面積與太陽能利用率成正比。即集熱板的面積越大集熱越多。但是實際中由于環境條件的限制，集熱器的擺放角度成為影響集熱面積的重要因素之一。寒冷冬季由于集熱器角度固定，吸收直射太陽光線的范圍有限，大大降低了集熱效率。

4解決策略

(1)在實際應用中，太陽能集熱器集熱效率的高低完全取決于實驗中對集熱器各部分材料的分析和比較。理論模型的建立不能單一性、局限性。要對太陽能集熱器的整體進行性能評價，從多角度建立模型，將理論與實際相結合，實現集熱的最大化。(2)提高集熱器集熱性能的措施:①調整雙層玻璃蓋板內層玻璃與外層玻璃間的間距，以減小吸熱板通過玻璃蓋板向環境的散熱損失;②增大集熱器內流體流速、增大集熱器銅管內表面換熱系數等以減小吸熱板至載熱流體的熱阻。(3)在嚴寒冬季對日光溫室使用太陽能地熱系統對溫室土壤進行加溫，主要集中對深15～25cm處土壤進行加溫，可以保證喜溫蔬菜根系對溫度的最低需求，保證作物根系的生長。(4)采用平板型太陽能空氣集熱器，采用PC陽光板-蛇形單層通路，PC陽光板透光率要好。更重要的是PC陽光板特有的中空結構，使板材具有良好的隔熱、保溫、抗沖擊性能，有效地阻隔了熱量的散失［24］。蛇形單層通路高于雙層通路的集熱效率，且結構簡單，成本低廉。(5)目前平板集熱器防凍結的方法有加熱防凍循環、落水放空和不排水放空。這3種方法雖然在一定程度上可以起到防凍效果，但是實際操作繁瑣，消耗大量時間。目前最方便有效的方法是防凍液與水進行二次換熱。將防凍液作為傳熱工質，可有效增加集熱板的御寒能力，防止集熱管的炸裂。(6)將集熱器支架設計成角度可調的，通過調整支架的角度進而確定集熱器的角度。通過計算得到當地的集熱器擺放最佳傾角，定期調節集熱器的角度，有效集熱面積最大化同時也是增加了太陽光垂直射入集熱板的面積，提高了太陽能的利用效率也提高了太陽能集熱器的集熱效率［25］。

5結束語

國內外學者對太陽能集熱器的研究分析，采用了理論計算和模型對比，在一定程度上解決了集熱器集熱效率的問題，但是沒有對集熱器整體進行系統研究。提升的也只在于某一部分的集熱性能，理論計算和模型也比較復雜，不便于工程計算和設計的需要。一些模型在優化過程中過度重視熱性能的改善，忽視了規模化推廣應用產品的經濟性、穩定性和實用性。針對嚴寒地區冬季寒冷，日光溫室土壤溫度較低，嚴重限制農作物的正常生長，甚至出現凍傷、凍死現象。為了防止這種現象發生，大部分地區使用溫室大棚，進行夜間必要加熱。對溫室的加熱存在首要問題:加熱消耗大量的化石燃料，化石燃料燃燒產生大量有害氣體和溫室氣體，嚴重污染環境。為了減少化石能源的利用率和溫室氣體排放對空氣的影響，采用新型溫室加溫方式———太陽能集熱器對溫室的加溫。采用太陽能集熱器加溫在一定程度上保護農業生態環境而且也是農業可持續發展的重要舉措。節省燃料費用支出，農民的收入也得到了保障，體現了以人為本的重要思想。

作者：姚亮馬俊貴呂全貴張振國許紅軍董蓬單位：新疆農業大學機械交通學院新疆農牧業機械管理局新疆農業大學林學與園藝學院