高效太阳能空气集热器的研究

O 引语

我国是一个农业大国，干燥作业是农副产品加工过程中的一个必要环节，且耗能巨大。干燥作业基本上是以干燥的空气作为热载体，若采用太阳能水集热器，则需要进行能量的二次转移，即先将水加热，再由热水将空气加热，这将增加设备投资且降低热效率。最佳方案是用太阳能空气集热器直接将太阳能转化为热能，储存在空气中使空气温度升高，用热空气进行干燥作业。我国市场上没有成型的太阳能空气集热器产品，国家也没有关于太阳能空气集热器的相关标准，多数企业是根据需要量身订做。工农业生产领域的太阳能设备大都比较简陋，其中最主要的原因是设备制造成本太高。因此，研制开发热效率高、造价低廉、安装方便、便于大批量生产的太阳集热器，对于将太阳能利用于干燥作业有重要意义。

1 太阳能空气集热器的设计

1.1总体设计方案

经查阅资料，分析对比，最后确定空气集热器采用平板式结构。该结构便于安装，有利于降低制造成本。

设计的关键是确定结构参数，合理的结构参数将有助于提高太阳能空气集热器的热效率。这一过程是采用优化设计方法完成的。具体做法为：通过计算机模拟仿真技术，利用ANSYS软件的参数化分析和计算语言APDL，对给定外型尺寸的太阳能空气集热器进行参数化建模，同时利用APDL语言的计算控制和结果提取功能以及循环迭代算法，模拟计算出太阳能空气集热器不同形式下的温度场，最后得到使太阳能空气集热器出口温度达到最大时的构造形式，最终提取出其最优结构参数。

1.2太阳能空气集热器的定型设计

1.2.1空气集热器的结构设计

1)首先设计制作小型集热器模型，并对其进行有限元分析；经优化处理，最后确定空气集热器的基本结构(见图1)。

2)考虑到一般太阳能空气集热器的使用面积均很大，为便于运输和安装，设计采用单元制作，现场拼装。

太阳能空气集热器单元由空腹钢窗料和角钢焊接成矩形框架，单元与单元问采用插件连接。集热器单元尺寸的确定应考虑三方面因素：一是应考虑最优结构参数；二是应考虑制作用料的尺寸。单元制作所用的材料都是市场出售的型材，都有规定的外形尺寸，结合其尺寸，能有效提高材料使用率，减少加工量；三是应考虑单元搬运和现场安装的方便性，这就要求单元不能太大。综合以上因素，最终确定单元的设计尺寸为：4．2m(长)×2m(宽)×0．2m(高)，单元面积8.4m2。

3)单元制作时先不安装透明盖板，等现场拼装后再安装。安装透明盖板时一定要注意密封，密封性将直接影响集热器的热效率。一般采用铝合金压条定位、玻璃胶密封。

图2为太阳能空气集热器单元结构图，图3为用单元拼装的太阳能空气集热器。

1.2.2空气集热器用料的选择

①透明盖板。作用是让太阳辐射透过并减少吸收吸热面的对流和辐射损失，面盖性能决定温室效应的强弱。首次采用了聚碳酸脂制成的中空板(PC)——阳光板。阳光板重量轻，约为同厚度玻璃的1／12，搬运、安装非常方便，同时也可以有效节约构架和安装成本；PC中空板具有良好的隔热性能，能够有效地阻止室内外热量的传导，保持室内温度均衡，是现代温窜的理想采光覆盖材料。国内自90年代初开始应用中空阳光板(又称不碎玻璃)以来，随着高科技的生产工艺生产出综合性能极佳的产品，价格下降幅度较大，其应州领域更广泛。

阳光板的主要技术参数：冲击强度(J/m)：850；透光率(％)：88；比重(g/cm3)：1.2；热膨胀系数(mm／m·0C))：0．065；可耐温度(0C)：-40℃一+1200C；传热系数(W/(m2·℃))：2.3～3.9；抗拉强度(N/mm2)：≥60；比热(kJ/(kg·K))：1.17；热变形温度(℃)：140。

②吸热面。可由各种金属或非金属材料制造，表面涂黑，能充分吸收入射的太阳能，并传给通过其中的工作流体。要使表面涂层达到既有高的太阳吸收比又有低的发射率，使其尽町能多地吸收太阳辐射能，减少吸热板本身的热辐射损失。采用在黑漆中加入一定比例的碳粉。

③箱体。对面盖及吸热面起支撑固定作用，为减少热损失在吸热面背部以及侧面加装绝热材料。加装了绝热材料后，有效减少了箱体骨架的热导流损失，提高集热器的热效率。

1.3太阳能空气集热器的主要技术指标

通过测试，奉次设计制作的太阳能空气集热器的主要技术参数如下：单元外形尺寸：4.2m(长)×2m(宽)×0.2m(高)；单元面积：8.4m2；集热器的热效率：30.14％；采光面与水平夹角(宁夏夏季)：270～300；集热器安装方向：正南+00～150；单位时问输出的总热量(宁夏6月正午)：265.3W／m2；集热器造价：269￥／m2。

2应用示例

2006年夏季，按照以上原理，我们研制了一台由7组单元拼装的太阳能空气集热器，有效集热面积58.8m2安装在位于宁夏中宁县田滩村的枸杞烘干设备上，与热风炉配合为枸杞烘干设备提供热能。太阳能量充足时由太阳集热器提供干燥所需热能，晚上和阴天由热风炉提供干燥所需热量，以保证干燥作业连续进行。经一个作业季节的使用测试，其性能达到了设计要求，可使干燥设备节能35％以上。图4为安装在枸杞干燥没备上的太阳能空气集热器。

3结论及展望

太阳能空气集热器重量轻、安装方便、造价便宜，为太阳能用于农业干燥作业提供了有益的探索。经实验测试，太阳能空气集热器的热效率为30.14％，造价为296￥／m2。

存在的主要问题：①产品制作的工艺性还有待提高。主要原因是单件生产，用专用模具成本太高，后续应考虑批量生产的工艺研究；②产品的制造成本还有降低空间。主要通过两个途径实现：优化制作工艺和选择性能满足要求价格便宜的材料；③产品的性能(热效率)还有待进一步提高。

研究目标：对其性能的优化，提高热效率；结构优化，适于安装和批量生产；材料和制作工艺优化，降低成本，力争将成本降到200￥/m2以内。