太阳能热水集热的载体工具是太阳能热水器集热系统,太阳能热水器集热系统通常由集热器、循环管路及水泵、水箱构成。其中对系统太阳能利用效率,以及系统可靠性和耐候性起决定性因素的是集热器。集热器从本质上是一种辐射-对流换热器,它将太阳能转化为热能传递给水流,实现循环加热水箱。集热器包含多种类型:平板型、真空管型、热管型、微流道型等。其中平板型太阳能集热器(FPSC)加工制造简单、运行安全可靠、热流密度较低,是太阳能与建筑一体化结合的理想集热器类型之一。然而对于平板型太阳能集热器的使用通常限制于中国夏热冬暖区域和部分夏热冬冷区,而在其他地域,真空管热水器的普及率要远远大于平板型太阳能集热器。造成这种现象的其中一部分原因是与真空管热水器相比,平板型太阳能集热器的保温性能较差,在较低的气温下通过顶部、底部和边框的大量热损失会大幅度降低平板集热器在白天的运行效率。另一部分原因是集热器常用的循环工质是水,由于水在低温条件下很容易结冰,水结成冰而带来的密度变化会对容器壁面会产生巨大的压力,从而导致集热器破裂损坏。同时平板型太阳能集热器也存在夏季过热的风险,过热会造成管内水流的沸腾从而侵蚀管道,也会给板芯造成巨大热应力从而造成吸热板卷曲和焊接线断裂等不可修复的破坏。本文针对平板型太阳能集热器系统存在的以上问题,研究了传统平板型太阳能集热器系统的冬季热损和冻结机理。提出了具有抗冻特性的相变蓄能平板太阳能集热器系统,对其展开了深入研究。研究了大尺寸平板型集热器冬季运行/防冻性能和热应力问题,主要研究工作包括:建立了一个平板集热器系统的全天运行模型(包括白天集热模型和夜晚降温冻结模型),在夜晚冻结模型中采用焓法分析模型处理排管内部工质的相变传热过程,该模型可以得到集热器内部每一点的温度变化以及排管内工质的固液相界面变化,进而可以得到集热器整个夜间降温冻结过程和热损产生过程。搭建了一个PMMA板芯流道管集热器模型实验平台,可以通过支管直接观测到内部冻结情况,并使用实验测试的温度变化和冻结过程观测结果与模拟计算结果对比,验证了理论模型的准确性。基于此,分析了平板集热器的具体冻结过程以及影响平板集热器抗冻性能的各种因素。然后利用集热器冻结模型耦合隔热装置的传热模型,分别模拟计算了平板集热器使用TIM透明蜂窝隔板、中空玻璃盖板和Low-E低发射率玻璃盖板三种情况下的冬季夜晚降温冻结过程。结果表明,在集热器夜间降温冻结的过程中顶部热损失和盖板对天空的辐射散热损失是导致冻结的主要原因。缩小支管间距和改用较大直径的支管或集管以及增大空气夹层厚度可以提高集热器夜间抗冻性能。使用中空玻璃盖板可将支管最后完全冻结时间推迟1小时。使用TIM透明蜂窝或Low-E玻璃盖板都可将支管最后完全冻结时间推迟2～3 h。[1]提出了具有延迟冻结特性的相变蓄能平板集热器系统。该系统通过在集热器内部加装蓄热体来增大其热容量,进而提高其夜间抗冻性能。建立了一个相变蓄能太阳能平板集热器系统的数学模型,模型包括集热器白天运行模型和夜晚降温模型。模型中包含集热器内部PCM蓄热体白天蓄热相变过程和夜间释放潜热过程。设计并搭建了相变蓄能平板集热器系统和传统平板集热器系统的对比实验平台,并在合肥典型冬季条件下进行多天运行和降温冻结实验,研究对比了系统白天工作性能和夜间抗冻性能,验证了相变蓄能太阳能平板集热器系统理论模型。基于模型,对系统的结构进行了优化,通过改变相变蓄能集热器的PCM蓄热板相变温度、相变潜热、相变板和吸热板的结合传热系数和相变板厚度,分析了影响相变蓄能集热器性能的主次因素。进行了系统在不同辐照、夜间环温、风速、天空发射率等气象因素下的适用性研究。研究了系统在合肥、北京、徐州、西安四地冬季90天的运行特性。结果表明,传统集热器系统在夜间21:00开始结冰且夜间集热器的最低温度为-6℃,相变蓄能抗冻型平板集热器系统在夜间始终高于0℃不发生结冰。传统集热器系统在环温低于0℃就会发生夜间冻结而相变蓄能平板集热器系统可以在-4.5～0℃的夜间环温下不发生冻结。针对不同的夜间环境温度存在最佳的PCM相变温度(2-7℃)使相变蓄能平板集热器系统达到最高的抗冻性能。相变板厚度应设置为15mm左右以达到较高的PCM利用率。针对不同的夜间环境温度存在一个最佳的PCM-支管换热系数(10-40W/(m2·K))使相变蓄能平板集热器系统达到最高的抗冻性能,可选取使用导热胶粘接。在四个城市中,相变蓄能平板集热器系统的冬季平均效率比传统系统低5%-1 0%。四个城市相变蓄能平板集热器系统的季节平均冻结风险指数分别为0、0.04、0.12和0,而四个城市传统系统的季节平均冻结风险指数分别为0.23、0.89、0.82和0.62。为研究大尺寸集热器在寒冷地区的工作性能、抗冻性能和热应力性能,建立了大尺度集热器的非均匀流白天运行模型、夜间冻结模型和热应力模型。模型考虑了大尺度集热器的四种管路结构类型:VZ、VU、HZ、HU,可计算集热器内部每一点的温度变化和稳定流动下管路每一点的流速及压力。并采用广东五星公司的10.04 m2大尺寸集热器系统的测试结果验证了模型的准确性。基于此模型分析了其结构因素对大尺度集热器运行性能(包括热性能、流动阻力性能和抗冻型性能)的影响。采用热应力模型预测分析了大尺寸集热器的在冬季运行较大昼夜温差情况下的热应力分布特性。结果表明,H型集热器的效率比V型高5-6%,而V型集热器的防冻性能优于H型集热器。考虑到V型集热器内流动不均匀存在沸腾危险推荐采用H型集热器。与方形HZ集热器相比,长宽比为2.5的HZ集热器可以提高2%的效率而循环水流压降将增加一倍。采用方形VZ集热器可以显著提高集热器的效率,对集热器的压降影响不大。因此对于特定管路结构类型(HZ或VZ)的集热器,建议长宽比设定为接近1。增加集热器支管数量可同时提高其热效率和防冻性能。大尺度集热器在工作情况下的最大热应力位于吸热板和支管焊接线的两端,焊缝两端的热应力约为110～130MPa,中间部分的热应力约为40MPa。建议增加支管数量以减小中间热应力,同时增加未焊接长度以减小端部热应力。