流动表面与直接吸收式太阳能集热器中底部和顶部入射加热策略的对比研究

《Renewable Energy》：Comparative study of bottom- and top-incidence heating strategies in flowing surface and direct absorption solar collectors

　　

**摘要**

太阳能集热器是太阳能光热转换的关键部件。传统的表面吸收式太阳能集热器（SASC）依赖高吸收率表面吸收太阳辐射，然后将热量传递给工作流体，这往往导致较大的表面热损失。相比之下，直接吸收式太阳能集热器（DASC，即体积吸收式集热器）采用光吸收纳米流体直接将太阳能转化为体积热源，从而减少热损失并提高效率。近期提出了一种底部入射策略，使流体逆重力方向受热以促进浮力驱动混合，但现有研究主要局限于静态集热器。本研究基于有限体积法（FVM）建立了一个二维光–热–流体耦合模型，研究了不同加热策略下动态（流动）集热器的性能。系统地比较了四种构型，包括顶部入射和底部入射的SASC/DASC，并评估了出口温度、光热转换效率和温度场均匀性。进一步对DASC进行了参数研究，改变进口质量流量、流体消光系数和集热器几何尺寸（长度和高度）。结果表明，底部入射使DASC效率提高10.71%，SASC效率提高5.61%，在相同入射方向下DASC比SASC效率高约8.84%。增加进口质量流量可提高效率，DASC-bh在 ? = 0.05 kg/s时达到83.22%的效率。最优消光系数约为37.5 m?1。此外，在集热器长度为200 cm、高度为7.5 cm时，出口温度与效率之间的最佳平衡得以实现。

**引言**

太阳能是一种清洁可再生资源，其高效开发和应用可大幅减少碳排放[1]。因此，太阳能已成为能源领域的研究重点。当前太阳能利用技术主要包括光伏和光热两种方式，其中光热转换具有更广泛的太阳光谱利用范围[2]。作为光热转换的核心设备，太阳能集热器在太阳能热系统中发挥着至关重要的作用。传统表面吸收式太阳能集热器（SASC）在高吸收率表面吸收太阳辐射，随后将产生的热量传递给工作流体。然而，吸收表面温度可能升高，导致显著的辐射和对流热损失。为减轻这些损失，直接吸收式太阳能集热器（DASC，又称体积太阳能集热器）近年来引起了越来越多的关注。在DASC中，光吸收工作流体被封闭在具有透明边界的集热器内，实现太阳辐射的直接体积吸收，消除了中间的表面吸收步骤。这种构型减少了表面热损失，可显著提高光热转换效率[3]。尽管具有这些优势，DASC的性能仍受多种因素制约。首先，传统基础流体在可见光谱中的吸收有限，仅能收集入射太阳能的一小部分。其次，集热器内部的流动阻力和显著的温度梯度可能导致流动和传热不均匀，从而增加热损失[4]、[5]。因此，大量工作致力于DASC的设计和优化，总体目标是在最大化太阳能吸收的同时最小化热损失，以提高工作流体获得的有效热能[6]。

DASC通过在基础流体中分散高吸收材料来实现太阳辐射的体积吸收，最常用的材料为纳米颗粒。早期的代表性研究是Minardi和Chuang[7]提出的"黑液"平板集热器，利用墨水的强光学吸收来增强光热转换。随着纳米流体技术的发展，纳米颗粒因其对太阳光谱的强宽带吸收而被广泛采用[8]、[9]。除光学增强外，纳米颗粒的布朗运动和相关的微观混合可强化对流换热，从而提高有效传热系数；因此，DASC的整体传热性能得以改善[10]。此外，纳米流体中的体积吸收产生分布式内部热源，从而促进更均匀的温度场并减轻局部过热[11]。

基于这些优势，大量工作致力于开发具有改善光热性能的纳米流体并将其集成到DASC系统中。Simone等[12]研究了基于rGO/N-CQD复合材料的纳米水基流体，报告在一倍日照条件下光热效率为82.64%。Wen等[13]在乙二醇中分散TiN纳米颗粒（<50 ppm），光热转换效率提高了67.1%。Mehran等[14]提出了一种采用聚乙烯吡咯烷酮包覆银纳米流体的DASC设计，通过调节纳米流体体积浓度和多孔结构参数，将效率从52%提高到93.7%。Abdul等[15]实验评估了由GO、ZnO、FeO及其复合材料（GO–ZnO和GO–FeO）组成的水基纳米流体，证明在体积集热器中其光热性能始终高于基础流体。Habib等[16]提出了一种具有极高导热性和稳定性的碳纳米材料——纳米金刚石。这种基于金刚石的碳聚集纳米流体可使努塞尔数提高30%，展现出优异的光热性能。Miguel等[17]通过双峰粒径分布模型优化了石墨烯纳米流体的光学吸收，指出调节粒径和形状可进一步增强集热器性能。此外，混合纳米流体如银纳米颗粒与还原氧化石墨烯分散在水–乙二醇系统中，据报道具有改善的稳定性，有助于减轻与纳米颗粒沉降相关的吸收退化和可能的流道堵塞问题[18]、[19]。

在光热转换系统中，运行参数和几何参数——包括进口质量流量、工作温度和集热器尺寸——可显著影响太阳能集热器的热性能。Tahereh等[20]采用响应面法（RSM）量化了几何变量对DASC系统热效率和熵生成的影响。Delfani等[21]研究了通道高度为10 mm、使用100 ppm MWCNT纳米流体的集热器中流量对出口温度和效率的影响，结果表明出口温度随流量增加而降低，但热效率提高。Gorji和Ranjbar[22]进一步研究了流量和纳米流体体积分数对出口温度和效率的耦合效应；在恒定太阳辐照度下，他们报告随着流量增加?效率下降，并通过RSM确定了10 mL/min的最优流量。除运行条件外，几何优化也得到了广泛探索。Qin等[23]结合遗传算法和模式搜索优化了集热器长度和深度，并分析了其对温升、热效率和热损失的影响。近期，Sumit等[24]研究了温度、流量和内部增强结构（如扰流器和多孔插入件）对热性能和温度场分布的作用，为不同工作温度范围内的系统级比较提供了指导。Vinayagam等[25]提供了实用的温度测量布局和评估程序，并实验证明了出口温度和效率如何响应流动条件、结构设计和工作温度的综合效应；他们还进行了多响应优化，以确定设计空间内的最佳几何尺寸。

尽管在优化DASC性能方面已取得实质性进展，但光热转换效率的进一步提升仍受到纳米流体内部持续温度分层的限制，即上下流体层之间存在显著的温度梯度[26]、[27]。虽然已提出外部场方法如磁场辅助混合[28]、[29]和静电稳定化[30]来缓解这种分层，但其在实际工况下的实施和鲁棒性仍具挑战性。近期，一种底部加热（底部入射）策略应运而生，即太阳辐射从下方进入集热器。在此构型中，下层流体比上层更热且更轻，形成浮力不稳定的密度分层，产生向上的浮力并触发自由对流。这种不稳定性可诱发Rayleigh–Bénard对流[31]，增强垂直混合并促进上下层之间的热交换，从而减小温度梯度。同时，通过在流体中更均匀地分布热量，底部加热可抑制过高的局部表面温度，从而减轻辐射和对流热损失，提高热效率。Wang等[32]研究了TiN–Therminol纳米流体DASC中的反向辐照，报告纳米流体效率提高了36.4%并改善了运行稳定性。在后续研究中，Wang等[33]比较了侧面入射和底部入射构型，发现底部入射的光热转换效率比侧面入射高约5%。互补的数值和实验研究进一步支持了底部加热的优势。Singh等[34]对纳米流体封闭体的倾斜角进行了参数化数值研究，而Abhishek等[35]实验比较了SASC和DASC的顶部和底部加热，共同证实底部加热可增强集热器性能。

然而，大多数现有底部入射研究考虑的是静态工作流体，该策略在具有流动流体的动态太阳能集热器中的适用性仍缺乏充分探索。本研究将底部入射加热策略应用于动态太阳能集热器，建立了比较框架以评估不同加热构型。开发了一个基于有限体积法的二维光–热–流体耦合模型。系统地比较了四种集热器构型在出口温度、光热转换效率和温度场均匀性方面的表现。此外，对关键运行参数和几何参数进行了研究，以进一步优化集热器性能。

**底部入射加热实施策略与可行性分析**

在实际条件下，太阳辐射从上方入射；因此，底部入射加热需要光学重定向。本研究采用由四个高反射面以45°排列组成的镜组，将入射辐射重定向至集热器底部。经过两次反射后，辐射通过透明底部窗口进入纳米流体，实现从下方的体积加热。在本设计中，集热器–反射器组件是

**直接吸收式太阳能集热器与表面吸收式太阳能集热器的比较**

为确保公平一致的比较，四种构型的进口质量流量、集热器长度L和通道高度H均保持相同。对于直接吸收式太阳能集热器，工作流体的消光系数固定在???????? = 100 m?1。进行稳态模拟以获取SASC-th、SASC-bh、DASC-th和DASC-bh的出口温度，并使用公式(11)计算相应的光热转换效率。

**结论**

尽管太阳能热转换已取得重大进展，但在流动系统中传统表面加热与底部入射体积吸收策略之间的系统比较仍然有限。为弥补这一差距，开发了一个光–热–流体耦合数值框架，研究了四种集热器构型（SASC-th、SASC-bh、DASC-th和DASC-bh）。

结果表明，底部入射加热在出口温度等方面始终优于顶部入射构型

**作者贡献声明**

潘盼乔：撰写——初稿、方法论、调查研究。蔡雁琴：撰写——审阅与编辑、方法论、经费获取、概念化。蔡志立：可视化、调查研究、形式化分析、数据整理。张明明：资源、形式化分析。张燕宁：撰写——审阅与编辑、验证。吴晓虎：撰写——审阅与编辑、调查研究。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

本研究受国家自然科学基金（52406079）、深圳市科技创新局（JCYJ20250604145646062）和深圳市稳定支持计划（20231130153633004）资助。

潘盼乔 | 蔡雁琴 | 蔡志立 | 张明明 | 张燕宁 | 吴晓虎

哈尔滨工业大学深圳校区机器人及先进制造学院，518055，中国