福建省建筑科學研究院  鄭仁春

    【摘  要】為研究傾角對熱管PV/T裝置傳熱性能的影響，設計了無芯熱管和絲網芯熱管兩種熱管PV/T系統在不同傾斜角度下的熱性能測試實驗裝置，并在太陽能可控環境實驗室中進行實驗研究。在實驗中，保證傾角以外的其他因素全部不變，通過數據分析，得到在傾角影響下熱管PV/T裝置集熱性能與傾角的關系；且對比了無芯熱管和絲網芯熱管應用于熱管PV/T系統的差異。結論表明：1.無芯熱管與絲網芯熱管PV/T系統，最佳傾角均為40°左右；2.傾角大于20°時，無芯熱管PV/T系統的熱性能總是優于絲網芯熱管PV/T系統，無芯熱管更適用于最佳傾角大于20°的地區，傾角小于20°時，無芯熱管PV/T系統的熱性能遠遠小于絲網芯熱管PV/T系統，因此選用絲網芯熱管PV/T系統更佳。

    【關鍵詞】太陽能;PV/T;傾角;熱管

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

    許多研究者認為，在一定傾角范圍內，熱管的傳熱系數高于其在垂直狀態下的傳熱系數，傾角對熱管的傳熱性能有較大影響。PV/T裝置在實際應用中均為傾斜放置，其擺放傾角是影響太陽能總收益的重要因素，傳統水冷型PV/T系統的冷卻水由泵驅動直接通過電池板芯背部的管道，受重力的影響可以忽略，因此以接收到的太陽能輻照總量最大作為系統最佳傾角的唯一判據，而在熱管PV/T系統中，由于傾角對熱管傳熱性能也有較大影響，在設計系統最佳傾角時，要同時考慮接收的輻照總量和熱管熱性能的影響。

    以往的研究都是針對單根熱管的傳熱分析，沒有涉及熱管PV/T系統熱性能受傾角影響的研究，并且室外的研究由于太陽輻照和環境溫度等條件都隨時間變化，無法控制傾角為唯一變量，達不到研究目的。為了研究傾角對系統熱性能的影響，選取了目前最常用的兩種熱管：無芯熱管和金屬卷繞絲網吸液芯熱管（以下簡稱絲網芯熱管），分別組成兩種熱管PV/T系統，并且在太陽能可控環境實驗室中針對熱管PV/T熱性能與傾角的關系以及兩種熱管PV/T系統的差異進行了實驗測試，太陽能可控環境實驗室能控制環境溫度和濕度，提供穩定輻照，使得傾角成為唯一變量，這是室外實驗無法達成的。

1 實驗系統組成及工作原理

    實驗所用熱管具體規格如下：無芯熱管——HR8(24)*1400F.90.06，絲網芯熱管——HR8(24)*1400P.90.06，兩者尺寸均為蒸發段長1300mm，外徑8mm，冷凝段長90mm，外徑24mm；流道——Φ38/1 ?26/90-80-9-150 焊G3/4，長998mm，外徑38mm。

    實驗對象為無芯熱管PV/T集熱板和絲網芯熱管PV/T集熱板：寬880mm，高1500mm，厚95mm，實際集熱面積為0.998m²；集熱板上層壓72塊62.5*125mm的黑色單晶硅光伏電池，分成36塊串聯的兩組并聯在一起，有效覆蓋面積為0.555m²；每塊集熱板有8根熱管，熱管的冷凝段排列插在流道中，為了增大冷凝段與循環水的換熱面積，采用了非等徑的大頭熱管。

    熱管PV/T實驗系統如圖1所示，由PV/T集熱器、循環水泵、循環管路、儲水箱、太陽能逆變控制器和蓄電池組成。集熱板吸收太陽能，將熱量傳給熱管，由水泵驅動水循環，將熱管冷凝段的熱量不斷帶入水箱。太陽能逆變控制器和蓄電池實現電能儲存和輸出。

    實驗系統選用12V的直流無刷水泵ZK30A-1230，最大功率4.8W。采用T型熱電偶對60L循環水箱內的水溫進行測量，由于儲水箱存在分層現象，為準確測得溫度，在水箱內部軸線上等間距布置5個溫度測點，通過與電腦連接的Agilent34970A數據采集儀進行采集。采用速度式水表lxs-15測量冷卻水流量。

    要研究傾角對熱管PV/T系統性能的影響，需保證在其他條件都不變的情況下，改變集熱板的傾斜角，對比系統在不同傾角下的性能差異。因此，必須保證太陽輻照、環境溫度、濕度、循環水流量、循環水量以及初始水溫不變，而太陽能可控環境實驗室可以提供這樣的實驗條件：干球溫度的可控范圍和精度為-15～50℃±0.2℃，濕球溫度滿足標準GB/T7725-2003的要求；由TRM-PD1人工太陽模擬發射器提供太陽輻照，能夠提供200-1200W的輻照。集熱器表面接收到的太陽總輻射量采用TBQ-2A總輻射表測量。

    實驗安排：設定環境溫度穩定在25℃，每次做實驗前都換水并加熱到25℃，保證初始水溫一致，太陽輻照度保持在650W，循環水流量0.033kg/s，無芯熱管PV/T集熱板和絲網芯熱管PV/T集熱板分別組成兩個相同的系統，保持模擬發射器與集熱板的相對位置不變，在集熱板傾斜角為9°、20°、30°、40°、50°、60°、70°情況下測試兩個系統的光熱性能，實驗過程中產生的數據由計算機以30s/次進行自動保存。

2 性能評價和實驗結果

    系統的平均熱效率主要由集熱器表面所接受到的太陽輻照量H_t (MJ/m²)、系統的初始水溫twi (℃)和終了水溫t_wf (℃)決定，受系統循環水量和集熱器的傾角等影響。太陽能熱水系統性能評價方法如式(1)所示：

    式中，Q_w為系統水箱的實際得熱量，MJ/m²；c_w為水的比熱容，KJ/(kg•℃)；m為水箱中水的總量，kg；t_wf和t_wi為系統終了水溫和初始水溫，℃；η_t為熱管PV/T系統的熱效率。

    其中，實驗儲水箱中布置了五個測溫點，以五個測溫點的平均溫度作為水箱中的水溫：

    由圖2可知，20°以上的角度，系統1的集熱效率總是高于系統2的效率，因為傾角在20°以上時，無芯熱管結構簡單，管壁的導熱熱阻小，而絲網芯熱管由于絲網芯的存在，管壁的導熱熱阻大于無芯熱管，使得整體的傳熱熱阻大于無芯熱管，導致系統2的集熱效率低于系統1；而在9°這樣小角度下，系統1基本上不工作，熱管熱阻極大，系統2保持正常工作，具有較高集熱效率。所以，在最佳傾角大于20°的地區，建議使用無芯熱管PV/T系統，而在最佳傾角小于20°的地區，則使用絲網芯熱管PV/T系統。

3 結論

    通過兩種熱管PV/T系統在不同傾角下的熱性能實驗，可得如下結論：

    （1）對熱管PV/T系統來說，傾角對系統的熱性能有較大影響，設計熱管PV/T系統的擺放傾角時必須考慮傾角的影響。

    （2）無芯熱管PV/T系統的熱效率隨傾角的增加，先增大后減小，在40°左右熱效率最大。絲網芯熱管PV/T系統的熱效率則從平緩到增大，最后再減小，在40°左右熱效率最大。

    （3）在20°以上，無芯熱管PV/T系統的熱效率總是高于絲網芯熱管PV/T系統。無芯熱管PV/T在傾斜角20°以下熱效率急劇下降，甚至幾乎不工作，而絲網芯熱管在極小的角度下仍高效率工作。所以，在最佳傾角大于20°的地區，更適合采用無芯熱管PV/T系統，而在最佳傾角小于20°的地區，采用絲網芯熱管PV/T系統更好，此結論也適用于其他與熱管相結合的集熱裝置的傾角優化。

參考文獻

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    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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