专栏名称: 储能科学与技术

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《储能科学与技术》推荐|艾雄杰等：基于相变储热的集成式太阳能集热器研究进展

储能科学与技术 · 公众号 · · 2025-01-21 11:31

正文

作者： 艾雄杰( ), 袁俊( ), 吕伟中, 万力

单位： 甘肃自然能源研究所

引用： 艾雄杰, 袁俊, 吕伟中, 等. 基于相变储热的集成式太阳能集热器研究进展[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(12): 4409-4420.

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-

4239.2024.0720

本文亮点： 1、系统地将阐述了相变储热技术（PCM）与多种太阳能集热器（平板、真空管及光伏/热PV/T）的集成，并深入分析了这种集成对集热器热性能和经济性的双重影响，为太阳能集热系统的创新应用开辟了新途径。2、将经济性指标纳入评价体系，全面分析了集成PCM对太阳能集热器经济性的影响，为决策者提供了关于成本效益的详实数据支持。3、归纳并总结了三类优化集成式集热器性能的强化传热技术（增加翅片、提升PCM导热性能、应用微热管），这些技术创新显著提升了集成系统的传热效率和整体性能。

摘要太阳能集热器固有的间歇性和季节性特征，使其运行稳定性常受到挑战，而相变材料(PCM)凭借其出色的储热密度和恒温相变特性，被视为一种极具潜力的能源载体，为加强集热器稳定性开辟了新的研究路径。本文介绍了相变储热技术与太阳能集热器集成的能量分析方法和㶲分析方法，得出集成式集热器性能评价指标和经济性分析指标，同时概述了集成式集热器中PCM的两种主要封装方式，几何封装和整体封装，而且不同类型集热器所采用的封装方式不同。接着详细探讨了集成PCM对平板集热器、真空管集热器及光伏/热(PV/T)集热器性能和经济性的影响，并针对PCM导热性不佳的问题，综述了当前优化集成式集热器性能的主要技术，包括添加翅片以增大换热面积、提升PCM自身的导热性及应用微热管技术以提高传热效率三种强化传热技术。最后，综合评估了集成PCM对太阳能集热器综合性能及经济性的影响，并对集成式集热器的优化方向和研究重点进行了展望，旨在进一步提升其实用性，为促进可再生能源的高效、广泛应用贡献力量。

关键词 太阳能集热器；相变储热；集热器效率；强化传热

在太阳能利用方式中，光热利用凭借其绿色环保、节能高效的优势，在生活中得到了多方面的广泛应用。作为光热利用的核心装置，太阳能集热器的效率和运行时间受限于太阳辐射间歇性和季节性，这往往导致集热器出口温度大幅波动，并且系统供能与需求在时间和空间上存在不匹配的问题。因此，科研人员持续致力于集热器的优化与改进，其中集成相变储热技术是集热器优化研究的一个主要方向。

相变储热技术是利用物质相态改变时吸收或释放大量热能的特性来储、放热量，具有储能密度大(是显热储能的2~10倍)、恒温相变和热能存取简单等优点，用于这类储热技术的材料称为相变材料(phase change material，PCM)。

通过引入PCM的太阳能集热器，实现了集热与储热功能一体化，这一创新设计显著提高了对太阳能的综合利用效率，并减少了太阳能热系统对额外储热设施的需求。近年来，太阳能集热器与相变储热技术集成的研究成果备受关注，Khan等深入探讨了集热器与PCM的集成设计原理，发现增大PCM与吸热板间的接触面积能显著提高出口温度，还总结了集成式集热器的发展趋势；Sadeghi等对相关的实验研究进展进行了全面梳理，发现PCM的选择与集热器的工作温度相关，且集成PCM能显著提高集热器的热效率。然而，目前关于集成式集热器性能表现和经济性评估方面的综述较少。为弥补这一研究空白，本文系统地回顾并总结了PCM与平板集热器、真空管集热器及PV/T集热器集成的研究进展，以期为相关领域未来的研究工作提供参考和指导。

1 集成式太阳能集热器理论分析

集成式太阳能集热器的理论分析常用的方法有能量分析法、㶲分析法以及经济性分析。图1 为能量和㶲分析示意图。

图1 能量和㶲分析示意图

1.1　能量分析法

1.1.1　数学模型

能量分析法是基于热力学第一定律，从能量的数量角度对集热器能量转化效率进行评估，详细分析能量在集热器中的输入、输出、转换和损失情况，其核心目标是量化评估集热器的能量效率，为提高集热器能效提供理论支持。

在稳态条件下，集成式集热器的能量平衡关系用式(1)表示。

(1)

式中， Q _A 、 Q _u 、 Q _l 、 Q _st 分别为单位时间内投射到集热器上的太阳总辐能、获得的有用能、损失的能量、PCM储存的能量，W。

投射到集热器上的太阳总辐射能，可用式(2)表示。

(2)

式中， A 为集热器采光面积，m ² ； J 为太阳辐照度，W/m ² 。

集热器获得的有用能为传热工质吸收的能量，可用式(3)计算。

(3)

式中， m 为流体质量流量，kg/s； c _p 为流体比热容，J/(kg·K)； T _in 、 T _out 分别为工质进、出口温度，K。

与普通集热器不同的是集成式集热器可以在PCM中储存热量，储热量用式(4)表示。

(4)

式中， M _PCM 为相变材料质量，kg； C _PCM,s 、 C _PCM,l 分别为相变材料固态、液态比热容，J/(kg·K)； T _m 、 T _PCM,i、 T _PCM,f 分别为相变材料熔点温度、初始温度、最终温度，K； H _f 为相变材料潜热值，kJ/kg。

1.1.2　性能评价指标

集热器热效率和日平均热效率计算公式如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

PV板电效率和日平均电效率计算公式如式(7)和式(8)所示。

(7)

(8)

式中， P _m 为光伏组件最大功率，W； G 为光伏组件表面入射光的辐照度，W/m ² ； A _PV 为光伏组件面积，m ² 。

PV/T集热器的整体效率为电效率与热效率之和，计算公式如式(9)所示。

(9)

式中， r 为封装系数，定义为光伏面积与集热器采光面积之比。

1.2　㶲分析法

1.2.1　数学模型

㶲分析方法是融合热力学第一和第二定律，从能量的“质”和“量”两个维度来全面评价集热器的效率。与能量分析方法相比，这种方法更注重能量的质量，强调能量的有用性和做功潜力。通过㶲分析能发现集热器中㶲损产生部位、大小和影响因素，为集热器设计优化提供精确且有针对性的指导。

在稳态条件下，集成式集热器的㶲平衡方程用式(10)表示。

(10)

式中， E _in 、 E _u 、 E _l 分别为单位时间内的输入㶲、有效㶲、㶲损，W。

集热器的输入㶲用式(11)表示。

(11)

式中， T ₀ 为大气温度，K； T _s 为太阳温度，K。

不同类型集热器的有效㶲( E _u )不同，主要包括热能㶲( E _x,th )、电能㶲( E _x,el )和PCM储存㶲( E _x,st )。

集热器的热能㶲通过传热流体进行计算，用式(12)表示。

(12)

电能㶲和储存㶲的计算公式如式(13)和式(14)所示。

(13)

(14)

1.2.2　性能评价指标

㶲效率和日平均㶲效率计算公式如式(15)和式(16)所示。

(15)

(16)

1.3　经济性分析

集成式集热器的核心目标是提升集热量，降低产热成本。为深入了解这一技术的应用潜力和发展趋势，需对集热器的投资回报与成本效益进行详细分析。

集成式集热器年化成本( A _AC )由式(17)计算。

(17)

式中， C 为初始投资成本，元；CRF为投资回收系数。

投资回收系数(CRF)用式(18)计算。

(18)

式中， i 为银行利率； n 为集热器寿命，年。

集热器年残值( A _SV )用式(19)计算。

(19)

式中， S _V 为残值，元； S _FF 为沉没基金因子。

S _V 和 S _FF 分别用式(20)和式(21)计算。

(20)

(21)

式中， D 为折旧率。

集热器年度成本( A _C )用式(22)计算。

(22)

式中， A _MC 为年度维修成本，元。

集热器的投资回收期( N _e )用式(23)计算。

(23)

式中， e 为年燃料价格上涨率； S _l 为年节省费用，元。

2 集成式太阳能集热器中PCM封装

利用PCM进行储放热时材料会发生固-液相态转换，易发生泄漏问题。因此，在太阳能集热器中集成PCM时需采用合适的封装技术，以确保集热器的稳定性和安全性。目前，集成式集热器中常用的封装方式有几何封装和整体封装，不同的封装形式对集成式集热器性能有一定影响。

2.1　几何封装

几何封装是把PCM封装在金属或塑料的圆柱管、长方体、球体等容器中作为储热单元，由多个相变储热单元组成集热器的储热系统。这种封装方式储热单元与传热介质可充分接触，有助于PCM的熔化和凝固，提升储放热效率。Krishnananth 等把石蜡封装在圆柱形铝容器中作为储热单元，研究了储热单元在双通道太阳能集热器中放置位置对集热器性能的影响。结果表明，储热单元放在吸收板上面的设计性能最好。Arfaoui等设计了一款具有储热功能的紧凑型太阳能空气集热器，储热系统由两层封装有PCM的球形储热单元组成。华维三等把复合三水乙酸钠封装在球形容器中作为储热单元，基于相变储热球体设计了一种新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器。Raj等通过数值模拟研究了集热器参数对矩形封装石蜡相变特性的影响。Sudhakar等提出在吸热板表面球形容器中封装PCM的设计，以扩大传热面积，实验结果表明，集成球形封装PCM可以提高集热器的出口空气温度和热效率，图2是PCM球形封装示意图。

图2 PCM 球形封装示意图

2.2　整体封装

整体封装是根据集热器结构把PCM作为一个整体集成在集热器中，这种封装方式能够提升集热组件与储热单元间的传热效率，减少热损失、提高热利用率。Yang等研究了光伏板底部整体封装PCM对PV/T性能的影响，结果表明，集成PCM使PVT的热效率提高了11.49%，电效率提高了1.18%。Bazri等提出把PCM整体封装在真空管集热器公共歧管中的紧凑型设计，通过数值研究发现，该集热器比普通集热器的热性能更好。Pawar等提出一种在热管式真空管集热器的真空内管中充满PCM的设计，能够延长集热器的运行时间。Verma等根据平板双通道太阳能空气集热器结构把PCM整体封装在吸热板下方，并通过数值模拟分析发现，质量流量为0.05 kg/s时集热器热效率最大，PCM整体封装结构如图3所示。Brahma等提出在太阳能空气集热器吸热板底部整体封装PCM的设计，并研究了不同种类PCM对集热器热性能的影响，结果表明，集成PCM提高了集热器出口空气温度，且集成石蜡的集热器热效率最高。

图3 PCM 整体封装示意图

3 集成式太阳能集热器研究进展

基于相变储热的集成式太阳能集热器是在太阳能集热器中集成PCM，利用PCM恒温相变、高储热密度的特性优化集热器性能。本节主要讨论平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器和PV/T太阳能集热器与PCM集成的性能和经济性。

3.1　平板集热器

平板集热器因其结构简单、稳定性好而应用最广，但存在热损失大、效率低的问题，而集成PCM可以降低热损失，提高集热效率和稳定性，图4是集成式平板集热器示意图。El Khadraoui等研究了集成PCM对集热器热性能的影响，结果表明，集成PCM使集热器出口空气温度提高了3~7 ℃，日平均热效率提高了16%。Muthukumaran等研究了集成螺旋管封装的相变储热单元对太阳能空气集热器热性能的影响。实验结果表明，集成螺旋形储热单元使集热器日平均热效率和㶲效率分别提高了28.13%和0.9%。Vengadesan等对比分析集成圆柱形封装PCM的太阳能集热器与普通集热器的热性能。结果表明，集成式集热器的总有效集热量增加了60.5%，顶部热损失减少了37.7%。Tuncer等通过数值模拟和实验方法分析了集成相变储热单元的集热器与普通集热器的热性能。集成PCM使集热器平均热效率最大提高了39.23%，平均㶲效率提高了3.42%。

图4 集成式平板集热器示意图

研究人员针对PCM种类、封装形式、集热器结构和流量等参数对集热器性能的影响进行了研究。Koca等提出一种在平板集热器底部充满CaCl ₂ ·6H ₂ O、两侧装有反射面的新型设计，并对该集热器进行了热性能分析。Bouadila等研究了集成球形封装PCM填充床的太阳能空气集热器热性能，该集热器具有很好的稳定性，受太阳辐射波动的影响较小。Ghiami等研究了不同流量下集成式太阳能空气集热器的热性能。结果表明，在0.017 kg/s的流量下，集热器的日平均热效率和㶲效率最高。Raj等对比分析了PCM矩形封装和圆柱形封装对太阳能空气集热器热性能的影响。结果表明，圆柱形封装的储放热效果更好，集热器的热效率更高。Ahmadi等通过数值模拟研究了相变储热单元放置位置对集热器热性能的影响，结果表明，储热单元最佳放置位置是集热器末端，且间距为15 cm时，平均热效率最高。Brahma等研究了集成石蜡、硬脂酸和乙酰胺的集热器热性能，在相同条件下测试发现，集成硬脂酸的集热器热效率最高，集成乙酰胺的集热器㶲效率最高。

除了对集成式集热器的热性能进行研究外，研究人员还对集成PCM的经济性进行了研究，主要关注的经济指标是投资回收期和平准化供热成本(LCOH)。研究结果表明，集成式集热器的LCOH为0.018~0.035 USD/kWh，比普通集热器低；投资回收期通常为0.22~2.17 a。图5是太阳能空气集热器(A-Ⅰ)与集成式太阳能空气集热器(A-Ⅱ)的LCOH和投资回收期对比。

图5 A-Ⅰ 与 A-Ⅱ 的 LCOH 和投资回收期对比

3.2　真空管集热器

真空管集热器热效率较高，但存在过热、热分层及用能不匹配的问题，而集成PCM可以进一步提高集热器热效率，消除过热问题，延长有效运行时间，图6是集成式真空管集热器示意图。

图6 集成式真空管集热器示意图

Papadimitratos等提出一种将PCM集成在真空管中的创新设计，并在相同条件下进行实际测试，发现该集热器热效率比传统集热器高26%。Naghavi等提出了一种在真空管集热器歧管中封装PCM的设计，在不同流速和天气条件下进行了实验测试发现，该集热器热效率波动范围约为8%，稳定性较好，且消除了热管过热和歧管中热分层的问题。Chopra等研究了集成PCM对真空管集热器热性能的影响。结果表明，集成SA-67作为储热材料，使真空管集热器的日平均热效率(DTHE)提高了32%~37%。Chopra等对比分析了集成式真空管集热器(PA-ETC)与真空管集热器(WS-ETC)的热性能。结果表明，在流量为0.4 L/h时，PA-ETC的日平均热效率最高，比WS-ETC的高24.82%；在流量为0.13 L/h时，PA-ETC的日平均㶲效率(DEXE)最高，比WS-ETC的高6.33%，图7是WS-ETC与PA-ETC的热效率和㶲效率对比图。

图7 WS-ETC 与 PA-ETC 的热效率和㶲效率对比图

PCM种类、集热器设计参数及流量是影响集成式真空管集热器性能的主要参数。刘艳峰等研究了PCM熔点和工质质量流速对真空管集热器热性能的影响。结果表明，集成式集热器出口温度峰值最大降低了10.6 K，有效运行时间延长了1.0~3.7 h。Olfian等研究了真空管直径对集热器出口温度和PCM熔化/凝固的影响，结果表明，直径为6 mm时，PCM液体分数和流体出口温度分别提高了25%和13.5%，且日平均热效率最高提高了48.5%。Pathak等研究了流量对集成式真空管集热器热性能的影响，测试期间日累计太阳辐射量为26.93~28.50 MJ/m ² ，日平均温度为30.14~32.22 ℃。结果表明，集热器流量为0.50 L/min时能量效率最大，达到了86.71%；流量为0.17 L/min时㶲效率最大，达到了24.01%。Wu等研究了PCM物性参数对集成式真空管集热器的影响，结果表明，随着PCM密度、比热容和熔化温度的增加，降低了集热器的流体出口温度峰值，增加了有效集热时间。

在集成式真空管集热器的经济分析中，研究人员主要关注平准化能源成本、热水生产成本和投资回收期等经济指标。研究结果表明，集成式真空管集热器生产1 L热水的成本为0.08~0.38 USC，比普通真空管集热器(热水成本0.48~0.56 USC/L)低；投资回收期通常为3.26~6 a；平准化能源成本为2.55 INR/kWh。

《储能科学与技术》推荐|艾雄杰 等：基于相变储热的集成式太阳能集热器研究进展

正文

1 集成式太阳能集热器理论分析

1.1 能量分析法

1.2 㶲分析法

1.3 经济性分析

2 集成式太阳能集热器中PCM封装

2.1 几何封装

2.2 整体封装