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摘 要 太陽(yáng)能集熱器固有的間歇性和季節(jié)性特征，使其運(yùn)行穩(wěn)定性常受到挑戰(zhàn)，而相變材料(PCM)憑借其出色的儲(chǔ)熱密度和恒溫相變特性，被視為一種極具潛力的能源載體，為加強(qiáng)集熱器穩(wěn)定性開(kāi)辟了新的研究路徑。本文介紹了相變儲(chǔ)熱技術(shù)與太陽(yáng)能集熱器集成的能量分析方法和?分析方法，得出集成式集熱器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性分析指標(biāo)，同時(shí)概述了集成式集熱器中PCM的兩種主要封裝方式，幾何封裝和整體封裝，而且不同類(lèi)型集熱器所采用的封裝方式不同。接著詳細(xì)探討了集成PCM對(duì)平板集熱器、真空管集熱器及光伏/熱(PV/T)集熱器性能和經(jīng)濟(jì)性的影響，并針對(duì)PCM導(dǎo)熱性不佳的問(wèn)題，綜述了當(dāng)前優(yōu)化集成式集熱器性能的主要技術(shù)，包括添加翅片以增大換熱面積、提升PCM自身的導(dǎo)熱性及應(yīng)用微熱管技術(shù)以提高傳熱效率三種強(qiáng)化傳熱技術(shù)。最后，綜合評(píng)估了集成PCM對(duì)太陽(yáng)能集熱器綜合性能及經(jīng)濟(jì)性的影響，并對(duì)集成式集熱器的優(yōu)化方向和研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望，旨在進(jìn)一步提升其實(shí)用性，為促進(jìn)可再生能源的高效、廣泛應(yīng)用貢獻(xiàn)力量。
關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能集熱器；相變儲(chǔ)熱；集熱器效率；強(qiáng)化傳熱
在太陽(yáng)能利用方式中，光熱利用憑借其綠色環(huán)保、節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)，在生活中得到了多方面的廣泛應(yīng)用。作為光熱利用的核心裝置，太陽(yáng)能集熱器的效率和運(yùn)行時(shí)間受限于太陽(yáng)輻射間歇性和季節(jié)性，這往往導(dǎo)致集熱器出口溫度大幅波動(dòng)，并且系統(tǒng)供能與需求在時(shí)間和空間上存在不匹配的問(wèn)題。因此，科研人員持續(xù)致力于集熱器的優(yōu)化與改進(jìn)，其中集成相變儲(chǔ)熱技術(shù)是集熱器優(yōu)化研究的一個(gè)主要方向。
相變儲(chǔ)熱技術(shù)是利用物質(zhì)相態(tài)改變時(shí)吸收或釋放大量熱能的特性來(lái)儲(chǔ)、放熱量，具有儲(chǔ)能密度大(是顯熱儲(chǔ)能的2~10倍)、恒溫相變和熱能存取簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，用于這類(lèi)儲(chǔ)熱技術(shù)的材料稱(chēng)為相變材料(phase change material，PCM)。
通過(guò)引入PCM的太陽(yáng)能集熱器，實(shí)現(xiàn)了集熱與儲(chǔ)熱功能一體化，這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯著提高了對(duì)太陽(yáng)能的綜合利用效率，并減少了太陽(yáng)能熱系統(tǒng)對(duì)額外儲(chǔ)熱設(shè)施的需求。近年來(lái)，太陽(yáng)能集熱器與相變儲(chǔ)熱技術(shù)集成的研究成果備受關(guān)注，Khan等深入探討了集熱器與PCM的集成設(shè)計(jì)原理，發(fā)現(xiàn)增大PCM與吸熱板間的接觸面積能顯著提高出口溫度，還總結(jié)了集成式集熱器的發(fā)展趨勢(shì)；Sadeghi等對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行了全面梳理，發(fā)現(xiàn)PCM的選擇與集熱器的工作溫度相關(guān)，且集成PCM能顯著提高集熱器的熱效率。然而，目前關(guān)于集成式集熱器性能表現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方面的綜述較少。為彌補(bǔ)這一研究空白，本文系統(tǒng)地回顧并總結(jié)了PCM與平板集熱器、真空管集熱器及PV/T集熱器集成的研究進(jìn)展，以期為相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)的研究工作提供參考和指導(dǎo)。
1 集成式太陽(yáng)能集熱器理論分析
集成式太陽(yáng)能集熱器的理論分析常用的方法有能量分析法、?分析法以及經(jīng)濟(jì)性分析。圖1 為能量和?分析示意圖。
圖1 能量和?分析示意圖
1.1 能量分析法
1.1.1 數(shù)學(xué)模型
能量分析法是基于熱力學(xué)第一定律，從能量的數(shù)量角度對(duì)集熱器能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行評(píng)估，詳細(xì)分析能量在集熱器中的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換和損失情況，其核心目標(biāo)是量化評(píng)估集熱器的能量效率，為提高集熱器能效提供理論支持。
在穩(wěn)態(tài)條件下，集成式集熱器的能量平衡關(guān)系用式(1)表示。
式中，QA、Qu、Ql、Qst分別為單位時(shí)間內(nèi)投射到集熱器上的太陽(yáng)總輻能、獲得的有用能、損失的能量、PCM儲(chǔ)存的能量，W。
投射到集熱器上的太陽(yáng)總輻射能，可用式(2)表示。
式中，A為集熱器采光面積，m2；J為太陽(yáng)輻照度，W/m2。
集熱器獲得的有用能為傳熱工質(zhì)吸收的能量，可用式(3)計(jì)算。
式中，m為流體質(zhì)量流量，kg/s；cp為流體比熱容，J/(kg·K)；Tin、Tout分別為工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，K。
與普通集熱器不同的是集成式集熱器可以在PCM中儲(chǔ)存熱量，儲(chǔ)熱量用式(4)表示。
式中，MPCM為相變材料質(zhì)量，kg；CPCM,s、CPCM,l分別為相變材料固態(tài)、液態(tài)比熱容，J/(kg·K)；Tm、TPCM,i、TPCM,f分別為相變材料熔點(diǎn)溫度、初始溫度、最終溫度，K；Hf為相變材料潛熱值，kJ/kg。
1.1.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
集熱器熱效率和日平均熱效率計(jì)算公式如式(5)和式(6)所示。
PV板電效率和日平均電效率計(jì)算公式如式(7)和式(8)所示。
式中，Pm 為光伏組件最大功率，W；G為光伏組件表面入射光的輻照度，W/m2；APV為光伏組件面積，m2。
PV/T集熱器的整體效率為電效率與熱效率之和，計(jì)算公式如式(9)所示。
式中，r為封裝系數(shù)，定義為光伏面積與集熱器采光面積之比。
1.2 ?分析法
1.2.1 數(shù)學(xué)模型
?分析方法是融合熱力學(xué)第一和第二定律，從能量的“質(zhì)”和“量”兩個(gè)維度來(lái)全面評(píng)價(jià)集熱器的效率。與能量分析方法相比，這種方法更注重能量的質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)能量的有用性和做功潛力。通過(guò)?分析能發(fā)現(xiàn)集熱器中?損產(chǎn)生部位、大小和影響因素，為集熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化提供精確且有針對(duì)性的指導(dǎo)。
在穩(wěn)態(tài)條件下，集成式集熱器的?平衡方程用式(10)表示。
1.2.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
?效率和日平均?效率計(jì)算公式如式(15)和式(16)所示。
1.3 經(jīng)濟(jì)性分析
集成式集熱器的核心目標(biāo)是提升集熱量，降低產(chǎn)熱成本。為深入了解這一技術(shù)的應(yīng)用潛力和發(fā)展趨勢(shì)，需對(duì)集熱器的投資回報(bào)與成本效益進(jìn)行詳細(xì)分析。
集成式集熱器年化成本(AAC)由式(17)計(jì)算。
2 集成式太陽(yáng)能集熱器中PCM封裝
利用PCM進(jìn)行儲(chǔ)放熱時(shí)材料會(huì)發(fā)生固-液相態(tài)轉(zhuǎn)換，易發(fā)生泄漏問(wèn)題。因此，在太陽(yáng)能集熱器中集成PCM時(shí)需采用合適的封裝技術(shù)，以確保集熱器的穩(wěn)定性和安全性。目前，集成式集熱器中常用的封裝方式有幾何封裝和整體封裝，不同的封裝形式對(duì)集成式集熱器性能有一定影響。
2.1 幾何封裝
幾何封裝是把PCM封裝在金屬或塑料的圓柱管、長(zhǎng)方體、球體等容器中作為儲(chǔ)熱單元，由多個(gè)相變儲(chǔ)熱單元組成集熱器的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。這種封裝方式儲(chǔ)熱單元與傳熱介質(zhì)可充分接觸，有助于PCM的熔化和凝固，提升儲(chǔ)放熱效率。Krishnananth 等把石蠟封裝在圓柱形鋁容器中作為儲(chǔ)熱單元，研究了儲(chǔ)熱單元在雙通道太陽(yáng)能集熱器中放置位置對(duì)集熱器性能的影響。結(jié)果表明，儲(chǔ)熱單元放在吸收板上面的設(shè)計(jì)性能最好。Arfaoui等設(shè)計(jì)了一款具有儲(chǔ)熱功能的緊湊型太陽(yáng)能空氣集熱器，儲(chǔ)熱系統(tǒng)由兩層封裝有PCM的球形儲(chǔ)熱單元組成。華維三等把復(fù)合三水乙酸鈉封裝在球形容器中作為儲(chǔ)熱單元，基于相變儲(chǔ)熱球體設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)水箱相變蓄熱式太陽(yáng)能集熱器。Raj等通過(guò)數(shù)值模擬研究了集熱器參數(shù)對(duì)矩形封裝石蠟相變特性的影響。Sudhakar等提出在吸熱板表面球形容器中封裝PCM的設(shè)計(jì)，以擴(kuò)大傳熱面積，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成球形封裝PCM可以提高集熱器的出口空氣溫度和熱效率，圖2是PCM球形封裝示意圖。
圖2 PCM球形封裝示意圖
2.2 整體封裝
整體封裝是根據(jù)集熱器結(jié)構(gòu)把PCM作為一個(gè)整體集成在集熱器中，這種封裝方式能夠提升集熱組件與儲(chǔ)熱單元間的傳熱效率，減少熱損失、提高熱利用率。Yang等研究了光伏板底部整體封裝PCM對(duì)PV/T性能的影響，結(jié)果表明，集成PCM使PVT的熱效率提高了11.49%，電效率提高了1.18%。Bazri等提出把PCM整體封裝在真空管集熱器公共歧管中的緊湊型設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，該集熱器比普通集熱器的熱性能更好。Pawar等提出一種在熱管式真空管集熱器的真空內(nèi)管中充滿(mǎn)PCM的設(shè)計(jì)，能夠延長(zhǎng)集熱器的運(yùn)行時(shí)間。Verma等根據(jù)平板雙通道太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)構(gòu)把PCM整體封裝在吸熱板下方，并通過(guò)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量流量為0.05 kg/s時(shí)集熱器熱效率最大，PCM整體封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。Brahma等提出在太陽(yáng)能空氣集熱器吸熱板底部整體封裝PCM的設(shè)計(jì)，并研究了不同種類(lèi)PCM對(duì)集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，集成PCM提高了集熱器出口空氣溫度，且集成石蠟的集熱器熱效率最高。
圖3 PCM整體封裝示意圖
3 集成式太陽(yáng)能集熱器研究進(jìn)展
基于相變儲(chǔ)熱的集成式太陽(yáng)能集熱器是在太陽(yáng)能集熱器中集成PCM，利用PCM恒溫相變、高儲(chǔ)熱密度的特性?xún)?yōu)化集熱器性能。本節(jié)主要討論平板太陽(yáng)能集熱器、真空管太陽(yáng)能集熱器和PV/T太陽(yáng)能集熱器與PCM集成的性能和經(jīng)濟(jì)性。
3.1 平板集熱器
平板集熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好而應(yīng)用最廣，但存在熱損失大、效率低的問(wèn)題，而集成PCM可以降低熱損失，提高集熱效率和穩(wěn)定性，圖4是集成式平板集熱器示意圖。El Khadraoui等研究了集成PCM對(duì)集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，集成PCM使集熱器出口空氣溫度提高了3~7 ℃，日平均熱效率提高了16%。Muthukumaran等研究了集成螺旋管封裝的相變儲(chǔ)熱單元對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成螺旋形儲(chǔ)熱單元使集熱器日平均熱效率和?效率分別提高了28.13%和0.9%。Vengadesan等對(duì)比分析集成圓柱形封裝PCM的太陽(yáng)能集熱器與普通集熱器的熱性能。結(jié)果表明，集成式集熱器的總有效集熱量增加了60.5%，頂部熱損失減少了37.7%。Tuncer等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法分析了集成相變儲(chǔ)熱單元的集熱器與普通集熱器的熱性能。集成PCM使集熱器平均熱效率最大提高了39.23%，平均?效率提高了3.42%。
圖4 集成式平板集熱器示意圖
研究人員針對(duì)PCM種類(lèi)、封裝形式、集熱器結(jié)構(gòu)和流量等參數(shù)對(duì)集熱器性能的影響進(jìn)行了研究。Koca等提出一種在平板集熱器底部充滿(mǎn)CaCl2·6H2O、兩側(cè)裝有反射面的新型設(shè)計(jì)，并對(duì)該集熱器進(jìn)行了熱性能分析。Bouadila等研究了集成球形封裝PCM填充床的太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能，該集熱器具有很好的穩(wěn)定性，受太陽(yáng)輻射波動(dòng)的影響較小。Ghiami等研究了不同流量下集成式太陽(yáng)能空氣集熱器的熱性能。結(jié)果表明，在0.017 kg/s的流量下，集熱器的日平均熱效率和?效率最高。Raj等對(duì)比分析了PCM矩形封裝和圓柱形封裝對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能的影響。結(jié)果表明，圓柱形封裝的儲(chǔ)放熱效果更好，集熱器的熱效率更高。Ahmadi等通過(guò)數(shù)值模擬研究了相變儲(chǔ)熱單元放置位置對(duì)集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，儲(chǔ)熱單元最佳放置位置是集熱器末端，且間距為15 cm時(shí)，平均熱效率最高。Brahma等研究了集成石蠟、硬脂酸和乙酰胺的集熱器熱性能，在相同條件下測(cè)試發(fā)現(xiàn)，集成硬脂酸的集熱器熱效率最高，集成乙酰胺的集熱器?效率最高。
除了對(duì)集成式集熱器的熱性能進(jìn)行研究外，研究人員還對(duì)集成PCM的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，主要關(guān)注的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是投資回收期和平準(zhǔn)化供熱成本(LCOH)。研究結(jié)果表明，集成式集熱器的LCOH為0.018~0.035 USD/kWh，比普通集熱器低；投資回收期通常為0.22~2.17 a。圖5是太陽(yáng)能空氣集熱器(A-Ⅰ)與集成式太陽(yáng)能空氣集熱器(A-Ⅱ)的LCOH和投資回收期對(duì)比。
圖5 A-Ⅰ與A-Ⅱ的LCOH和投資回收期對(duì)比
3.2 真空管集熱器
真空管集熱器熱效率較高，但存在過(guò)熱、熱分層及用能不匹配的問(wèn)題，而集成PCM可以進(jìn)一步提高集熱器熱效率，消除過(guò)熱問(wèn)題，延長(zhǎng)有效運(yùn)行時(shí)間，圖6是集成式真空管集熱器示意圖。
圖6 集成式真空管集熱器示意圖
Papadimitratos等提出一種將PCM集成在真空管中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并在相同條件下進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該集熱器熱效率比傳統(tǒng)集熱器高26%。Naghavi等提出了一種在真空管集熱器歧管中封裝PCM的設(shè)計(jì)，在不同流速和天氣條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該集熱器熱效率波動(dòng)范圍約為8%，穩(wěn)定性較好，且消除了熱管過(guò)熱和歧管中熱分層的問(wèn)題。Chopra等研究了集成PCM對(duì)真空管集熱器熱性能的影響。結(jié)果表明，集成SA-67作為儲(chǔ)熱材料，使真空管集熱器的日平均熱效率(DTHE)提高了32%~37%。Chopra等對(duì)比分析了集成式真空管集熱器(PA-ETC)與真空管集熱器(WS-ETC)的熱性能。結(jié)果表明，在流量為0.4 L/h時(shí)，PA-ETC的日平均熱效率最高，比WS-ETC的高24.82%；在流量為0.13 L/h時(shí)，PA-ETC的日平均?效率(DEXE)最高，比WS-ETC的高6.33%，圖7是WS-ETC與PA-ETC的熱效率和?效率對(duì)比圖。
圖7 WS-ETC與PA-ETC的熱效率和?效率對(duì)比圖
PCM種類(lèi)、集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)及流量是影響集成式真空管集熱器性能的主要參數(shù)。劉艷峰等研究了PCM熔點(diǎn)和工質(zhì)質(zhì)量流速對(duì)真空管集熱器熱性能的影響。結(jié)果表明，集成式集熱器出口溫度峰值最大降低了10.6 K，有效運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了1.0~3.7 h。Olfian等研究了真空管直徑對(duì)集熱器出口溫度和PCM熔化/凝固的影響，結(jié)果表明，直徑為6 mm時(shí)，PCM液體分?jǐn)?shù)和流體出口溫度分別提高了25%和13.5%，且日平均熱效率最高提高了48.5%。Pathak等研究了流量對(duì)集成式真空管集熱器熱性能的影響，測(cè)試期間日累計(jì)太陽(yáng)輻射量為26.93~28.50 MJ/m2，日平均溫度為30.14~32.22 ℃。結(jié)果表明，集熱器流量為0.50 L/min時(shí)能量效率最大，達(dá)到了86.71%；流量為0.17 L/min時(shí)?效率最大，達(dá)到了24.01%。Wu等研究了PCM物性參數(shù)對(duì)集成式真空管集熱器的影響，結(jié)果表明，隨著PCM密度、比熱容和熔化溫度的增加，降低了集熱器的流體出口溫度峰值，增加了有效集熱時(shí)間。
在集成式真空管集熱器的經(jīng)濟(jì)分析中，研究人員主要關(guān)注平準(zhǔn)化能源成本、熱水生產(chǎn)成本和投資回收期等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。研究結(jié)果表明，集成式真空管集熱器生產(chǎn)1 L熱水的成本為0.08~0.38 USC，比普通真空管集熱器(熱水成本0.48~0.56 USC/L)低；投資回收期通常為3.26~6 a；平準(zhǔn)化能源成本為2.55 INR/kWh。
3.3 光伏/熱集熱器
集成式PV/T集熱器中，在光伏電池下方填充了PCM，利用PCM恒溫相變的特性，使PV電池溫度保持在最佳發(fā)電效率區(qū)間內(nèi)，以提升發(fā)電效率和集熱效率，圖8是集成式PV/T集熱器示意圖。Preet等研究了集成石蠟對(duì)PV/T集熱器性能的影響，結(jié)果表明，集成PCM使光伏板的表面溫度降低了53%，最大電效率提高了1.94%。Gaur等通過(guò)數(shù)值模擬研究了集成PCM對(duì)PV/T性能的影響。結(jié)果表明，集成PCM對(duì)PV/T集熱器的有用熱能、電效率和熱效率都有一定提升。Hosseinzadeh等研究了集成PCM對(duì)納米流體基PV/T集熱器(NPV/T)性能的影響。結(jié)果表明，集成PCM使NPV/T的平均電、熱和整體能量效率分別提高了0.61%、11.8%和12.41%，平均熱能?和電能?效率分別提高了0.71%和0.53%。Prakash等通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比PV/T和PV/T-PCM集熱器的性能。結(jié)果表明，集成PCM使集熱器的平均電效率、熱效率、整體能量效率和?效率分別提高了2.58%、20.05%、14.69%和1.57%，光伏板平均溫度降低了18.29%。
圖8 集成式PV/T集熱器示意圖
通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，PCM種類(lèi)及厚度、PV/T流道設(shè)計(jì)和環(huán)境參數(shù)是影響集成式PV/T集熱器性能的主要參數(shù)。Hossain等提出一種雙側(cè)蛇形流道設(shè)計(jì)的集成式PVT集熱器，通過(guò)能量和?分析發(fā)現(xiàn)，該集熱器流量為4 L/min時(shí)電效率最大，2 L/min時(shí)熱效率最大，0.5 L/min時(shí)平均?效率最大。Su等研究了PCM熔點(diǎn)和厚度對(duì)集成式PV/T集熱器性能的影響。結(jié)果表明，集成厚度為3.4 cm、熔點(diǎn)為40 ℃的PCM層使PV/T的總輸出能量最大。Fayaz等研究了工況對(duì)集成式PV/T集熱器性能的影響，結(jié)果表明，隨著體積流量的增加，集熱器的電效率和熱效率均有一定程度的提升。Taqi、Al-Najjar等提出一種相關(guān)性建模的方法，并對(duì)PCM-PV/T集熱器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)電量主要取決于太陽(yáng)輻照度；熱能和熱?對(duì)環(huán)境溫度和風(fēng)速非常敏感；隨著輻照度的升高，熱能的上升效率是電能的4.5倍。
在集成式PV/T集熱器的經(jīng)濟(jì)分析中，研究人員主要關(guān)注發(fā)電成本、生命周期轉(zhuǎn)化率和投資回收期等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。研究結(jié)果表明，PCM-PV/T的初期投資成本很高，但投資回收期較短，長(zhǎng)期來(lái)看經(jīng)濟(jì)性較好，投資回收期通常為2.1~6 a；發(fā)電成本通常為0.026~0.53 USD/kWh，生命周期轉(zhuǎn)化率通常為0.028~0.14。圖9所示是PV/T與PCM-PV/T發(fā)電成本的對(duì)比。
圖9 PV/T與PCM-PV/T發(fā)電成本對(duì)比
4 集成式集熱器性能優(yōu)化
集成PCM對(duì)太陽(yáng)能集熱器性能有顯著提升，但也存在一些明顯缺陷，最為突出的是PCM熱導(dǎo)率較低，不利于熱量?jī)?chǔ)存和釋放。因此，研究人員為進(jìn)一步提升集成式集熱器性能，在強(qiáng)化傳熱方面進(jìn)行了大量研究，目前強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要有增加翅片、提升PCM導(dǎo)熱性能及應(yīng)用微熱管。
4.1 增加翅片
增加翅片能為集熱組件與PCM之間的熱傳遞提供額外表面積和熱導(dǎo)率，有助于提高PCM儲(chǔ)放熱效率。Abokersh等研究了翅片和PCM對(duì)真空管集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，翅片對(duì)改善PCM傳熱特性、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。Essa等為提高石蠟的導(dǎo)熱性，在真空管中增加了翅片結(jié)構(gòu)，研究了翅片對(duì)集熱器效率和儲(chǔ)放熱速率的影響。Essa等還研究了螺旋銅翅片和傳統(tǒng)鋁翅片對(duì)集成式真空管集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，添加螺旋翅片的集熱器中PCM的溫度均勻性更好，集熱器效率更高。Badiei等通過(guò)數(shù)值模擬研究了集成PCM和翅片對(duì)集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明，翅片對(duì)集熱效率的提升取決于PCM熔化溫度，選擇合適熔點(diǎn)的相變材料后，再添加翅片能夠有效提升集熱器熱效率，結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。Singh等提出在吸熱板底部加裝66個(gè)圓管狀翅片的設(shè)計(jì)，并對(duì)不同配置的集熱器進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，與集成式集熱器相比，帶翅片集成式集熱器的空氣出口溫度提高了5 ℃，日平均熱效率提高了10%，運(yùn)行時(shí)間增加了0.7 h/d。
圖10 帶翅片的集成式集熱器示意圖
4.2 提升PCM導(dǎo)熱性
提升PCM導(dǎo)熱性是在PCM中添加高導(dǎo)熱性材料(如：碳基材料、金屬泡沫材料和納米材料等)，制備出具有高導(dǎo)熱性的復(fù)合PCM，通過(guò)提高PCM的儲(chǔ)放熱效率來(lái)提升集熱器性能，表1統(tǒng)計(jì)了3種集熱器中集成高導(dǎo)熱性復(fù)合PCM的研究進(jìn)展。
表1 高導(dǎo)熱性復(fù)合PCM的集成研究
4.3 應(yīng)用微熱管
微熱管是一種高效的傳熱元件，具有良好的熱傳遞性和溫度均勻性，應(yīng)用在集成式集熱器中可以提升相變儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)放熱效率。Wang等提出一種在集成式太陽(yáng)能空氣集熱器中應(yīng)用扁平微熱管陣列作為核心傳熱元件的設(shè)計(jì)。Wang等研究了應(yīng)用扁平微熱管陣列的集成式集熱器的熱性能，結(jié)果表明，該集熱器的儲(chǔ)放熱效率分別為67.5%和98.5%，且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。Wang等對(duì)應(yīng)用扁平微熱管陣列(FMHPA)的集成式太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在平均太陽(yáng)輻照度為810 W/m2，平均氣溫為30.3 ℃時(shí)，該集熱器的集熱效率達(dá)到了80.59%。Tamuli等提出在集成式真空管集熱器中應(yīng)用微熱管陣列的設(shè)計(jì)，通過(guò)瞬態(tài)數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)提高了集熱器的出口溫度，延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間。Zhang等通過(guò)數(shù)值模擬研究了基于搭接式扁平微熱管陣列的集成式太陽(yáng)能空氣集熱器的熱性能。結(jié)果表明，該集熱器具有優(yōu)異的熱性能和良好的儲(chǔ)放熱效率。
5 結(jié)論與展望
集成相變儲(chǔ)熱技術(shù)是提升太陽(yáng)能集熱器性能的重要方向之一。目前基于相變儲(chǔ)熱的集成式太陽(yáng)能集熱器主要以平板集熱器、真空管集熱器及PV/T集熱器等中低溫集熱器為研究對(duì)象。本文從理論分析方法、封裝技術(shù)、性能、經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)化傳熱五個(gè)方面對(duì)集成式太陽(yáng)能集熱器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，結(jié)論如下：
（1）在集成式太陽(yáng)能集熱器的理論分析中，最常用的是能量分析、?分析和經(jīng)濟(jì)性分析方法，關(guān)于評(píng)估環(huán)境影響方面的研究較少；
（2）PCM的選擇對(duì)集熱器性能有直接影響，通常選擇儲(chǔ)熱密度大、體積變化小、無(wú)腐蝕性和成本低等特性的PCM，且必須進(jìn)行封裝，目前集成式集熱器中常用的封裝方式是幾何封裝和整體封裝；
（3）平板集熱器中集成PCM能降低吸熱板溫度，減少熱損失，使熱效率和?效率最高提高了39.23%和3.42%，并降低了平準(zhǔn)化供熱成本；
（4）真空管集熱器中集成PCM能延長(zhǎng)有效運(yùn)行時(shí)間，提升熱性能，熱和?效率最高提高了37%和6.33%，并縮短了投資回收期，降低了產(chǎn)熱成本；
（5）PV/T集熱器中集成PCM使集熱器平均電和熱效率分別最高提高了2.58%和20.05%、平均整體能量和?效率分別最高提高了14.69%和1.57%，其中熱效率提升較大，并能延長(zhǎng)PV/T的使用壽命，降低發(fā)電成本；
（6）針對(duì)PCM低熱導(dǎo)率問(wèn)題，研究人員通常采用增加翅片、提升PCM導(dǎo)熱性能及應(yīng)用微熱管的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。
總之，集成PCM有利于提升太陽(yáng)能集熱器的性能及經(jīng)濟(jì)性，但受限于PCM的安全性和高成本問(wèn)題，推廣應(yīng)用仍然較少，未來(lái)可以從開(kāi)發(fā)低成本、安全的新型復(fù)合PCM、封裝材料與技術(shù)等方面進(jìn)行深入探索。
