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太阳能具有清洁、环保和普遍等优点，且有很多种利用方式，为了降低传统能源（如煤炭、石油和天然气等化石类不可再生能源）在建筑用能中的占比，将太阳能应用到建筑领域得到了国家的大力提倡，太阳能集热器就是将光转化为电或热的重要装置。研究人员早在17世纪后期就已经研究出平板太阳能集热器，平板太阳能集热器是最早的太阳能热利用设备之一，但由于一些原因它在20世纪60年代以后才逐渐被深入研究和实际应用。近年来，随着全球能源量的日趋紧张、人们节能环保意识的提高和国家政策的推动，平板太阳能集热器由于价格低廉和寿命长等优点逐渐得到了越来越多的开发和应用。目前，平板太阳能集热器研究工作的主要任务是实现集热器结构优化、减少集热器热损失和提高集热器效率等。国内外研究学者在此进行了大量的理论研究、实验研究和模拟研究，并取得了大量的成果。
1.平板太阳能集热器国外研究现状
早在19世纪后期，平板太阳能集热器在美国西南部农场就有应用，且在1891年美国工程师Clarence Kemp发明了世界上第一台采用平板太阳能集热器的太阳能热水器[1]，1980年后，由于计算机技术的快速发展，理论研究在能够应用计算机进行模拟基础上发展迅速，通过分析平板太阳能集热器的流动换热原理和传热过程，形成了比较完善的理论体系。2010年，Alvarez A[2]和Damir Dovic等[3]相继对平板太阳能集热器通过使用波纹型吸热板来改善传热效率的方法进行了研究。两者的实验和模拟研究均表明波纹型吸热板在平板太阳能集热器中的应用可以达到提高集热器瞬时效率的目的。2011年，Hanane D等[4]将摩洛哥气象参数作为参考，通过模拟研究了处于该地区的平板太阳集热器的热性能参数受到集热器透明盖板层数以及种类的影响，且将集热器瞬时效率和排管内工质出口温度视为目标函数，进而研究了集热面积、排管内径、排管间距和排管内总工质流量的优化问题。2012年，Cruz-Peragon F等[5]采用非线性优化的方法分析了平板太阳能集热器的各个参数变化与其热性能之间的关系，且在基因算法优化的基础上建立了能量方程。探讨了集热工质的非均匀流动、吸热板的温度分布和排管内工质流动换热的努塞尔数，并给出了平板集热器优化设计的算法。2015年，Jorge F[6]模拟研究了平板太阳能集热器的排管与集管，分别采用Z型和Π型的连接形式与非均匀流之间的关系。模拟结果表明，具有Z型流道结构的平板集热器性能更好。2018年，Pérez-Espinosa R等[7]通过建立的数学模型对平板太阳能集热器热性能进行了研究，进而通过实验研究验证了该数学模型准确性，为设计和优化平板太阳能集热器提供了新的研究方法。
目前国外研究学者大多采用实验测试和模拟研究的方法进行平板式太阳能集热器热性能研究，在集热器透明盖板与吸热板间距、吸热板和排管等热工参数对集热器热性能的影响进行了深入的研究，并提出了平板式太阳能集热器的优化设计方案。
2.平板太阳能集热器国内研究现状
近年来，作为我国新能源利用技术中不可或缺的一部分的太阳能利用技术在我国得到了快速发展。我国太阳能热利用产业年销售额从1996年的12亿元增长到1997年的16亿元。年产量从1998年的340万m2增加至1999年的480m2，且在2000年达到了640万m2。我国太阳能热水系统在2012年末的保有量和产量分别占到全球总量80%和60%，且销售额超过1000亿元，变成我国最有影响力的新能源产业[8]。2010年，魏生贤等[9]为了实现尽可能减少对流热损失和遮光损失的目的，建立了平板太阳能集热器平均有效吸热面积系数的数学模型，主要分析了该系数与平板集热器的纵横比、吸热板与透明盖板间距、平板集热器倾角和所处地区纬度等的关系。研究结果给出了临界板间距在效面积系数不低于0.90的情况下的适宜取值范围。2011年，倪贝等[10]对非稳态情况下平板太阳能集热器的排管管径和排管间距与定温直流放水系统中扁盒式平板集热器性能的关系进行了研究。采用FLUENT软件模拟了该系统的温度场和速度场，模拟结果表明，排管管径和排管间距的增大会对提高集热器热效率有利。2011年，夏佰林[11]分别研究了整体式扰流板型平板空气集热器和翼管型平板热水集热器，得到两种集热器热迁移因子的理论表达式。在此基础上，通过实验测试进行理论模型的验证，最后对两种平板集热器进行了优化。2014年，高留花等[12]基于Visual Basic软件研究了平板太阳能集热器吸热板参数对其热性能的影响，并对吸热板厚度与排管间距进行了优化。2014年，王娜[13]通过将微通道的传热机理应用在平板太阳能集热器中，设计了一种能够迅速加热集热工质的新型集热器，并通过实验对该集热器的瞬时效率和热损失等进行了测试，再根据实验结果分析得出提高集热器效率的方法。2015年，施燕华等[14]通过设置边界条件和采用分块划分网格的方法，建立了平板太阳能集热器模型并进行了模拟。模拟结果表明，从集热器效率与经济性两方面考虑，得到平板太阳能集热器最适宜的吸热板厚度、排管间距和空气夹层厚度分别为0.6mm、150mm和30~40mm。2016年，杨宾等[15]通过对4块同类型的安装了太阳能聚光增效盖板的平板太阳能集热器进行实验研究。确定了增效盖板与吸热板的最佳夹角，并实验分析了增效盖板对集热器瞬时效率和日平均效率的影响，结果表明增效盖板可将集热器瞬时效率和日平均效率分别增加约9%和7.3%，具有极大的使用价值。
2018年，周帆等[32]建立了平板太阳能集热器在白日接受太阳辐射情况下的数理模型、在夜间温度降低时冻结情况下的数理模型和集热器使用中空玻璃盖板、Low-E玻璃盖板以及TIM透明蜂窝隔板的数理模型，分析了影响集热器夜间抗冻能力的因素。
我国研究人员在如何提高平板式太阳能集热器热性能方面，多数研究工作主要从实验研究和模型研究两方面入手，主要考虑了集热器的关键参数如集热器排管参数、集热器吸热板参数、吸热板表面吸收涂层、集热器进口工质参数、集热器表面膜层和集热器盖板积尘等对其热性能的影响，且研究人员对于模型研究普遍采用的是稳态模型。
参考文献：
[1]王敏. 环境因素对平板型太阳能集热器热性能的影响研究[D]. 清华大学，2016.
[2]Alvarez A，Cabeza O，Muniz M C. Experimental and numerical investigation of a flat-plate collector[J]. Energy，2010，35（9）：3707-3716.
[3]Damir Dovic，Andrassy M. Numerically assisted analysis of flat and corrugated plate solar collectors thermal performances[J]. Solar Energy，2012，86（9）：2416-2431.
[4]Hanane D，Ahmed O，Michela Ｒ. Thermal analysis and performance optimization of a solar water heater flat plate collector：Aplication to Tétouan（Morocco）[J]. Ｒenewable and Sustainable EnergyＲeviews，2011，15（1）：630-638.
[5]Cruz-Peragon F，Palomar J M，Casanova P J. Characterization of solar flat plate collectors[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2012，16（3）：1709-1720.
[6]Jorge F. Optimization of flow distribution in flat plate solar thermal collectors with riser and header arrangements[J]. Solar Energy，2015，120：104-112.
[7]Pérez-Espinosa R，García-Valladares O. Solar Collector Simulator（SolCoSi）：A new validated model for predicting the thermal performance of flat plate solar collectors[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy，2018，10（1）：13705.
[8]杨育芹. 结构参数对真空管太阳能热水器性能的影响[D]. 云南师范大学，2013.
[9]魏生贤，李明，季旭，等. 太阳能平板集热器件纵横比与板间距优化[J]. 农业工程学报，2010，26（11）：225-230.
[10]倪贝，丁昀，杨庆. 直流式系统中平板型太阳能集热器数值模拟研究[J]. 节能技术，2011，29（1）：20-23，41.
[11]夏佰林. 整体式平板太阳能集热器集热性能研究与热迁移因子分析[D]. 上海交通大学，2011.
[12]高留花，赵军，高腾. 吸热板参数对平板太阳集热器热性能的影响[J]. 太阳能学报，2014，35（10）：2054-2059.
[13]王娜. 微通道平板型太阳能集热器的数值与实验研究[D]. 华南理工大学，2014.
[14]施燕华，朱柳娟，曹远哲. 基于数值模拟的平板太阳能集热器结构优化研究[J]. 煤炭技术，2015，34（08）：313-315.
[15]杨宾，左德功，赵艺茵. 增效盖板对平板集热器热性能的影响研究[J]. 河北工业大学学报，2016，45（2）：68-73.
基金项目：
辽宁省教育厅基础研究项目（LZ2014030）