文 献 综 述

1.研究背景

随着世界范围内的能源短缺，气候变暖以及环境破坏，可再生能源的开发被列入重要发展方向，未来我国能源消费结构调整是大势所趋^[1]。太阳能具有清洁、安全等特点，因而被认为是最理想的可再生能源。太阳能热利用是太阳能资源利用的重要领域，技术成熟，前景广阔，在能源替代、节能减排方面优势显著^[2-4]。当前太阳能热利用产业中太阳能热水器是最主要的应用形式，占据了太阳能热利用90%以上的市场份额^[5]。此外，太阳灶、太阳能空调降温、太阳能发电等太阳能热利用的其他方式，由于起步较晚，技术不成熟，都尚未进入商业化阶段。

在日益兴盛的高层住宅建筑中，建筑能耗问题越来越突出，生活热水的总负荷占到建筑总能耗的15-20%左右^[6]，采用太阳能集热供应生活所需热水逐渐成为发展趋势。但是，受地理、季节等因素的影响，太阳能具有间歇性的特点。为此，以太阳能为主，空气能、生物质能等其他可再生能源为辅助能源的多能互补供能系统应运而生，实现了局部区域的自我供能，成形成一种能源微网，不仅可能够克服太阳能资源间歇性的缺点，减少污染排放，节约能源，还可以带来经济效益。

2.国内外太阳能集热效率研究概况及最新进展

太阳能是一种天然的取之不尽用之不竭的清洁能源，在太阳能的开发利用中，太阳能热水利用技术是应用最广的一种技术。太阳能热水系统的关键部件为太阳能集热器，它吸收太阳辐射并使之转化为循环工作流体的热能。目前，市场保有量的太阳能热水器主要为平板型和真空管型，但在国内外二者所占市场份额略有不同。目前国内八成以上的市场份额被玻璃真空管太阳能主导，约占 86%，而欧美等发达国家的平板集热器占 90% 以上。在日平均效率方面，平板型集热器要比真空管型集热器高5%左右 ^[7]。由于平板型集热器既能满足效率要求，又能与建筑物结合达到建筑美学效果，其研究深受研究者青睐。

图1真空管式太阳能集热系统 图2 平板式太阳能集热系统

图3槽式太阳能集热系统 图4线性菲尼尔式太阳能集热系统

2.1国内太阳能集热效率研究概况及最新进展

天津大学张昕宇^[8]等人针对直流式真空管集热器，运用控制容积平衡法建立了集热器热性能模型并用迭代方法求解。模拟分析了影响集热器热性能的主要因素，发现真空集热管的玻璃外管和吸热板之间的辐射换热是造成热损的主要原因。陈丹丹^[9]等人设计了一种新型的温度分层换热储热装置，并对充热过程中该集热器的日平均效率进行研究，将其与不分层的储热集热器效率进行对比，结果发现温度分层储热系统集热器的日平均效率比不分层集热器效率高1%-6.5%。刘建波^[10]等人对全玻璃真空管集热器、平板集热器、热管式真空管集热器以及CPC反光板集热器在有尘和无尘条件下的热性能进行了测试，结果表明受积尘因素的影响，CPC反光板集热器的集热效率下降最大，平板集热器下降最小。上海交通大学袁颖利、李勇^[11]等人通过实验对内插式真空管集热器的集热特性进行了研究，分析了集热器安装倾角在0#176;～90#176;内变化对其性能的影响，结果表明在0#176;～60#176;范围内改变倾角对其性能影响不大。

西安交通大学的任云锋、鱼剑琳^[12]等人将CPC聚光技术和热管技术应用在太阳能集热器上，发明了一种以平面形吸热板为接收器的CPC型热管式太阳能集热器，在建立计算其热性能的数学模型的基础上，进行了理论和实验方面的研究。结果表明，该集热器热性能明显优于普通热管平板式太阳能集热器。袁颖利、李勇^[13]等人发明了内插管式真空管太阳能空气集热器，建立了管内空气流动换热的三维瞬态模型，集热器集热效率为50%～70%,热损系数为2～6W/(#183;K)。苏州天润太阳能热水器厂 ^[14-15] 致力于把高效率的真空管太阳能集热器进行平板化设计,开发了安装在阳台上的平板式真空管太阳能集热器，实现了集热器与建筑物的有机结合^[16]。

2.2国外太阳能集热效率研究概况及最新进展

H.M.S.Hussein、M.A.Mohamad^[17]等人在瞬态条件下对热虹吸平板太阳能集热器进行理论和实验研究，并建立了仿真模拟，将模拟数据与实验结果相对比，发现该模拟结果与实验结果完美匹配，证明了该模拟方法能对其瞬态的热性能进行预测。Roonak Daghigh , Abdellah Shafieian ^[18]等人根据热分析和火用分析建立数学模型，来分析集热器的性能，然后依据实际消耗模型构建和实验测试给定系统。实验结果表明集热器管束的最佳根数为15。

A.M.El-Sawi、A.S.Wifi等^[19]采用最新的连续折叠技术发明了人字形花纹折叠结构，并运用到太阳能集热系统中。与平板型和V型槽式集热器的传热性能相比，其热效率提高了20%，出口水温提高了10℃。 Hamid Moghadam、Farshad Farshchi Tabrizi ^[20]等人，对太阳能集热平板进行数学建模，以计算其满足最佳吸收太阳辐射能的倾斜角度，并将其结果与#8203;#8203;Zahedan市气象站的统计数据对比，证明了该数学模拟方法能使计算结果与实际数据完美匹配。Yousefi等人^[21]用采纳米流体作为传热工质，研究其PH值对系统传热性能的影响，结果表明纳米流体的PH值与等电位的PH值相差越大时，集热器效率越高^[22]。

3.太阳能集热技术未来发展方向

我国作为世界上最大的太阳能集热器生产使用国，集热器的年产量占世界76%^[23]，近年来，由于在使用中存在炸管，冻裂，不能承压以及不能和建筑体完美结合等问题，一度占据我国太阳能热水器统治地位的全玻璃真空管集热器受到了平板集热器的冲击，国内外有关平板集热器的技术研究越来越多。对于平板式太阳能集热系统，未来技术发展趋势为集热器与水箱集成一体化，热管集热器与平板系统一体化^[24-25]。

此外，发达国家的集热器已经逐步发展为建材式，部分或者全部代替传统的建筑材料，因此传统的全玻璃真空管集热器已经不能满足需要，平板集热器具有更大的市场价值^[21]。适用于平板集热器的磁控溅射太阳选择性吸收涂层在未来会得到进一步普及应用，它不仅具有良好的光学性能参数，还具有较高的溅射沉积率，使平板集热器的性能达到最佳^[23]。

4.问题提出

太阳能集热管作为一种清洁可再生能源应用于产热水，受到天气和季节变化的影响，如果结合其他可再生能源#8212;#8212;空气能、生物质能将会予以弥补，我校浦江宿舍区将将太阳能、生物质、空气源热泵等其他可再生能源进行系统互补耦合，经过太阳能光热转化、生物质热化学转化、热泵电热转化等能量转化过程，将可再生能源转化为冷、热、水等用能形式，经过耦合调控策略调度后，和建筑用能侧接口对接，实现区域建筑用能的可再生化。目前国内外研究人员针对如何提高集热效率以及最优参数配置进行了研究，但对将太阳能集热器运用到多能耦合系统中，在多能源耦合供能系统运用中如何提高系统综合热效率研究不多，因此，多种可再生能源耦合互补供能技术研究与集成是一项新的研究领域。本文利用浦江宿舍多能耦合供能示范项目，采集各种季节、各种天气太阳能热水系统运行数据，通过调整工况，掌握实验示范区域太阳辐射强度、环境温度、热水温度对系统运行特性的影响，得出提高多能耦合热水系统综合效率的运行模式。

5.结论

在传统能源日趋紧张、环境日益恶化的今天，太阳能的利用已经成为一种趋势。随着众多技术的发展，特别是在当下节能减排的大环境下，太阳能集热效率的理论和实验研究仍在深化。本论文针对高校成片学生生活区的太阳能、空气能、生物质能多能互补供能系统，分析太阳能集热效率，对于优化系统运行方式、提升整个系统性能、实现节能效益最大化具有重大意义。

参考文献

[1] 胡润青. 中国太阳能热利用发展：前景与挑战[J]. 建设科技, 2011，2: 18～21.

[2] 王世锋．真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器的理论与实验研究[D]．杭州：浙江大学，2004．

[3] 杨登科．集中供暖住宅太阳能生活热水系统的设计和分析[D]．西安：西安建筑科技大学，2007．

[4] 陈德明，徐刚．太阳能热利用技术概况[J].物理, 2007，36(11): 840-847．

[5] 杨解君，赖超超. 我国太阳能开发利用的现状及其立法诉求[J]. 甘肃政法学院学报, 2008，2: 63～69.

[6] 杜晓辉．高层住宅太阳能热水系统一体化设计研究[D]．天津：天津大学建筑学院，2010．

[7] 孙学斌. 太阳能集热系统的研究及技术革新[J].太阳能学报, 2015，5: 23～27．

[8] 张昕宇．真空管型太阳能热水器与中温集热器热性能研究[D]．天津：天津大学，2015．

[9] 陈丹丹．分层储热水箱设计及其对太阳能集热器效率的影响研究[D]．兰州：兰州理工大学，2014.

[10]刘建波．太阳能集热器热性能研究[D]．兰州：兰州理工大学，2014.

[11]袁颖利，李勇. 内插式太阳能真空管空气集热器实验研究[J].太阳能学报, 2010，（11）: 1430～1434．

[12]任云锋，鱼剑琳，赵华. 一种CPC型热管式太阳能集热器的实验研究[J].西安交通大学学报, 2001，41(3): 291-294.

[13]袁颖利，李勇，代彦军等. 内插式太阳能真空管空气集热器性能分析[J].太阳能学报, 2010，31(6): 703～708.

[14]倪建华. 平板-真空管太阳能集热器[J].太阳能学报, 2008，2: 19～22．

[15]倪建华. 平板-真空管式太阳能集热器及其在建筑上的应用[J].太阳能学报, 2010，3: 42～45．

[16]朱冬生，徐婷，蒋翔等. 太阳能集热器研究进展[J].电源技术, 2012，36(10): 1582～1584.

[17]Hussein H M S，Mohamad M A，EL-Asfourias .Transient investigation of a thermosyphon flat-plate solar collector[J]. Applied Thermal Engineering,1999,19:789-800.

[18]Roonak Daghigh , Abdellah Shafieian. Theoretical and experimental analysis of thermal performance of a solar water heating system with evacuated tube heat pipe collector[J]. Applied Thermal Engineering,2016,103:1219-1227.

[19]EL-Sawiam，Wifias，Younanmy，et al.Application of folded sheet metal in flat bed solar air collectors[J]. Applied Thermal Engineering,2010,30:864-871.

[20]Moghadamh，Tabriziff，Sharaka.Optimization of solar flat collector inclination[J]. Desalination ,2010,265:107-111.

[21]Yousefi T，Shojaeizadeh E. An experimental investigation on the effect of Ph variation of MWCNT-H20 nanofluid on the efficiency of p flat-plate solar collector[J].Solar Energy,2012, 86(2): 771～779.

[22]石月明．步进式太阳能真空管集热系统升温性能的研究[D]．沈阳：东北大学，2014．

[23]李忠义. 太阳能热利用技术发展趋势浅谈[J].资源节约与环保, 2014，8: 43～47.

[24]李建昌，侯雪艳等. 真空管式太阳能集热器研究最新进展[J].真空科学技术学报, 2012，32(10): 943-950．

[25]王进福. 基于全玻璃真空管和CPC集热器的设计及性能研究[D]．昆明：云南师范大学，2014.