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摘要：近年来，我国对能源的需求不断增加，太阳能也越来越受到重视。菲涅尔透镜式太阳能集热器具有环保、经济和结构简单等优点。文章利用带有自动跟踪控制系统的小型菲涅尔透镜式太阳能蓄热空气罐对空气进行循环加热，通过观测太阳辐射强度、外界环境温度以及通风管出口温度的变化情况，分析太阳能蓄热空气罐供暖系统的各项性能。分析结果表明：太阳能蓄热空气罐供暖系统集热效率的最大值可以达到60%；通风管出口温度比环境温度约高出50℃。利用太阳能蓄热空气罐供暖系统在冬季进行供暖是可行的。
关键词：太阳能；菲涅尔透镜；空气集热供暖；集热效率
引言
太阳能是可再生、清洁的能源，虽然总量巨大，但具有分散性且不连续性，大大降低了其使用率。提高蓄热技术的保温时间，减少热损失，可有效提高太阳能系统的性能与效率。蓄热技术可以根据蓄热时间的长短大致分为成本高的长期蓄热、成本适中的中期蓄热、成本较低的短期蓄热。
1系统总体设计
在冬季，蓄冷水箱中的水比环境中的水温度高，与换热器进行热量交换，降温后进入集热器进行加热，加热后进入蓄热水箱进行蓄热。换热器中的制冷剂吸收热量后变成蒸汽，进入压缩机变成高温高压蒸汽，在制冷剂蒸发器中放出热量而冷凝，使室内温度进一步升高，冷凝后的制冷剂液体经节流阀降压后再次进入下一循环。在夏季，蓄冷水箱中的水比环境中的水温度低，与换热器进行热量交换，温度升高后进入集热器进行加热，再进入蓄热水箱中进行蓄热。换热器中的制冷剂放出热量而被冷凝，经节流阀节流后进入蒸发器去吸收室内空气中的热量变成水蒸气后经压缩机压缩后进入下一循环。
2实验系统原理与参数
太阳能蓄热空气罐供暖系统主要由菲涅尔透镜、石英玻璃窗、空气罐、鼓风机及风管组成。该系统放置于北京工业大学校内（39.87°N，116.38°E），供暖实验时间为2018年12月1日-2019年1月15日。太阳能蓄热空气罐供暖系统中的菲涅尔透镜为点聚焦菲涅尔透镜。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料为菲涅尔透镜的常用材料，具有体积小、质量轻，现已应用于太阳能聚光集热系统中。此外，PMMA的折射率为1.49，与玻璃十分接近，具有良好的光学性能，因此，本文的太阳能蓄热空气罐供暖系统选用了以PMMA为材料的菲涅尔透镜。太阳能蓄热空气罐供暖系统中的石英玻璃窗对可见光波长具有较高的透射率，并且能够有效减少吸热管与环境之间的对流换热损失。吸热管的材质为碳钢，可将聚集后的太阳光转化为热能，使自身温度升高，进而加热空气罐内的空气，吸热管一端开口，另一端封闭，封闭端呈半球形，这样能够更好地吸收太阳辐射能。空气罐外有保温棉，防止罐内空气热量向外散失。通风盘管直接焊接在空气罐上，一端呈螺旋状，这样有利于与罐内空气进行换热；另一端通过风管与鼓风机相连接，使空气在管内不断流动，以带走罐内空气热量。此外，由于本文的实验装置是由夏季菲涅尔透镜式太阳能热机实验台改装而成，因此，实验过程中密闭空气罐内的空气压力会逐渐升高，为了防止压力过高，空气罐底部设置了通气管，该通气管上安装了通气阀门。连接鼓风机和通风盘管的风管为圆形截面橡胶软管，这样可以保证在自动跟踪控制运行时，菲涅尔透镜和空气罐的转动不会对风管产生扭转、拉伸等破坏。太阳能蓄热空气罐供暖系统利用自动跟踪系统自动调整自身的太阳高度角和水平方位角，以实现对太阳光线的双轴自动追踪。
3蓄热水箱散热模型
蓄热水箱在环境中热量的散失主要是由内部的热水先与蓄热水箱的保温材料进行热传导，再与周围空气进行对流换热而产生。
采用埋地蓄热水箱时，通常会做防水处理，所以忽略土壤中水的影响，热量损失主要为内部热水先与蓄热水箱保温材料进行热传导，再与土壤进行热传导而产生。水箱向外散热的过程主要包含2个部分，先通过蓄热材料传导到表面，再由表面向外散失。但通常认为，蓄热水箱内部的水通过保温材料进行热传导时的传导量就是蓄热水箱的热损失。
4放热过程中水箱内部液相率变化
在不同时刻、不同倾斜角度条件下。对于同一相变蓄热水箱在蓄热过程中的理论分析：在水箱半径方向上，相变材料区中的石蜡从水箱内胆壁面开始沿径向向外侧逐渐凝固；在水箱轴向方向上，由于受到热浮升力的作用，上层凝固较慢，下层凝固较快。在同一倾斜角度条件下，随着相变材料放能过程的持续，相变材料区液相率逐渐降低。在同一放能时间条件下，随着水箱内胆倾斜角度的增大，相变材料区液相率逐渐降低。在相变材料区的底部靠近水箱外侧区域的石蜡较难实现凝固放热，该区域被称为放热“死区”。由图5g可知，在水箱内胆倾斜角度为105°时，由于热浮升力作用使放热“死区”现象大大减弱。
5结果与讨论
实验时间为2018年12月7日、12月18日和12月26日的12：00-15：00，环境温度为-10~12℃，正午太阳直接辐射强度均在550W/m2以上。由上文中的实验方法可知，每次循环时，空气罐内空气的初始压力值均相同，均为0.0989MPa。为了进行对比分析，对于不同测试日，空气罐循环运行时，所设定的空气罐最终压力均不相同，12月7日为0.113MPa，12月18日为0.116MPa，12月26日为0.12MPa。在上述实验时间内，选取不同环境温度和太阳直接辐射强度条件下，通风管进、出口温度及其他各测点温度的实验结果，计算出太阳能蓄热空气罐集热器的集热效率。各测试日的太阳辐射强度整体上均逐渐降低。此外，不同测试日太阳辐射强度不同，且存在较大波动，这是由于太阳辐射强度受环境因素影响较大，云层、雾霾都会导致太阳辐射强度出现较大幅度的波动。由图1可知，各测试日的环境温度会在一定的范围内波动。与12月7日和12月26日相比，12月18日太阳辐射强度和环境温度的波动幅度较大，这是由于12月18日偶有云层飘过，因此，太阳辐射强度和环境温度的测量结果均会出现较大幅度的波动，这也说明环境因素对实验结果影响较大。由图1还可看出，对于这3个测试日，12月18日太阳辐射强度最高，12月26日太阳辐射强度最低；12月7日环境温度最高，12月26日环境温度最低。不同测试日，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率变化曲线不断地发生波动，这是由于雾霾、云量对太阳辐射强度的影响，以及风力对通风管进、出口温度和通风管热损失的影响。此外，随着时间不断增加，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率整体上逐渐升高（存在小幅度的下降），并且不断地发生波动。在寒冷的冬季，约运行2h后（12：00-14：00），太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率的最大值约为60%，因此，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率较高。
结语
综上所述，随着人类社会对于能源需求的日益增加，以及对于环境保护的日益重视，太阳能作为一次能源以及可再生能源，对于人类未来的能源供应起着十分重要的作用，并且具有十分重要的战略意义，它的市场应用场景广泛，对未来的研究投入有很好的前景。
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