热二极管传热性能及其在储能式太阳能集热器中的应用研究

摘要

目前,随着世界经济的快速发展,传统能源危机日益严峻。加快新能源特别是太阳能的开发利用力度,已成为我国迫在眉睫的一项任务。现在应用最广的全玻璃真空管太阳能集热器和平板型太阳能集热器,虽然工艺技术较为成熟,但都存在集热效率不高、缺乏储能设备,用水清洁度得不到保证等不足之处。因此本文创新性的提出一种融集热、储热,提热于一体的新型太阳能集热器概念。这种集热器采用传热效率高的热二极管作为传热元件,同时利用相变储能材料将白天吸收的太阳辐射能储存起来供夜间产生热水使用。这样既解决储能问题,又实现热水即产即用,从而保证用水的清洁卫生。
　　 本文以理论结合实验的方法,研究了单根热二极管和储能式热二极管太阳能集热器的热性能。首先,理论分析热二极管工作原理和传热特性,以电加热模拟太阳辐射的方式,通过实验研究加热段和绝热段倾角、工质充液率、工质种类,管径等因素对热二极管的传热影响；其次,通过实验测试储能式热二极管太阳能集热器的相关传热参数。主要包括:集热器吸热板工作温度的变化规律、热二极管实际工作性能、储能材料相变规律和温度场分布、取热时水温升和铜管总传热系数的关系,以及水流量对铜管换热性能的影响。
　　 实验结果表明,影响热二极管传热性能的主要因素包括以下几方面。当加热段和绝热段倾角的组合使得加热段内工质充注率为80-90％时,冷热段温差在3℃以内,传热效率可达83％；分别充注水、乙醇、丙酮的热二极管中,丙酮热二极管具有较好的启动性能,启动时间不超过3分钟,且冷热段温差最小；一般管径越粗,蒸发段温度越低,输出功率越大。另外,储能式热二极管太阳能集热器的实验研究表明,吸热板工作时中间各点温度较为一致,边缘处则偏低5-8℃；热二极管应用于太阳能集热时,在低太阳辐照度下启动时间较长,正常工作状态下具有较好的等温传热性；储能箱内不同高度的储能材料相变速率不同。中部的储能材料相变耗时最短,底部次之,顶部最长；通水取热过程中,水的温升在起初一定时间内保持稳定,随后逐渐减小；由于储能材料内部传热系数较低,换热铜管总传热系数不高；另外,随着水流量的增加,铜管总传热系数也会提高。
　　 储能式热二极管太阳能集热器具有抗冻性好,能量便于储存,用水清洁卫生等优点,但相对于技术成熟的传统式太阳能集热器,仍存在总效率偏低,成本较高等不足。要增强该系统的实用性,还有待进一步的改进性实验研究。