折流板太阳能空气集热器的发展现状
贾斌广1、2，江红阳2、3，王晓梦1，高可欣3，孔 程3，徐东旭2（1.山东建筑大学 热能工程学院， 山东 济南 250101；2.山东华春新能源有限公司，山东 济宁 272100；3.山东山太新能源有限公司， 山东 济宁 272100）摘 要：从结构尺寸优化、集热板结构改进、折流板结构改进方面，对折流板太阳能空气集热器的发展现状进行介绍。折流板及其优化后的结构能显著提高太阳能空气集热器的热性能。增加折流板带来的压力损失也被学者关注，使研究向提高折流板太阳能空气集热器综合性能方向发展。
关键词：太阳能空气集热器；折流板；集热效率；压力损失
参考文献示例：
贾斌广，江红阳，王晓梦，等. 折流板太阳能空气集热器的发展现状［J］. 煤气与热力，2024，44（9）：A31-A36.
随着节能减排、绿色环保概念深入人心，太阳能利用技术逐渐成为能源利用领域的研究热点［1-3］。人们对太阳能的利用有着十分悠久的历史，1881年Edward申请了太阳能集热器的发明专利，并将其用于建筑供暖中［4］。由于具有成本低、操作简单等优势，太阳能空气集热器（Solar Air Heaters，SAH）被广泛利用于建筑供暖与通风［5］、农产品干燥［6］、光伏设备散热［7］等领域。
太阳能空气集热器是一种以空气为工作介质的太阳能光热利用设备，主要由顶部的透明盖板、涂有吸收太阳辐射材料的金属集热板、四周与底部的框架与隔热材料组成［8］。由于采用空气作为工作介质，空气与集热板间较低的表面传热系数限制了太阳能空气集热器热性能的进一步提高［9］。为了克服这一缺点，相关学者从强化传热的角度出发提出了一系列太阳能空气集热器的改进措施。
折流板的设置一方面可以增加流体在集热器中的流程，另一方面可作为肋片增强传热，并在一定程度上作为集热板增大了集热面积，从而提高太阳能空气集热器集热性能［10-12］。因此，折流板作为太阳能空气集热器改进后的结构形式之一被广泛研究。本文对折流板太阳能空气集热器的发展现状进行介绍。
折流板是用来改变流体流向的板，最初应用于管壳式换热器的设计中［13］，以提高换热器内部工作介质的流速来提升换热器的传热效率。随着强化传热技术在太阳能空气集热器中应用，折流板强化传热技术也逐渐应用于太阳能空气集热器中。设置折流板的太阳能空气集热器见图1。折流板太阳能空气集热器的特点在于空气在流动过程中会沿着折流板形成的唯一蛇形流道掠过集热板的表面。
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折流板太阳能空气集热器由Romdhane在1987提出［14］，并通过可视化实验，测试得到折流板的设置是以提高空气流速改善太阳能空气集热器的热性能。之后，许多学者在Romdhane的研究基础上，对折流板的最佳结构与送风方式进行了大量研究。胡建军等人［15-16］采用数值模拟方式，确定了特定折流板太阳能空气集热器的最佳流道数量、最佳流道高度、最优送风量。
提高传热效率的主要方式包括：增加空气与集热板的换热面积、提高空气流速与湍流程度［17］。李晓琳等人［18］从提高空气与集热板传热面积的角度出发，设计了双流道折流板太阳能空气集热器，并强化了空气与集热板的对流换热，在进风速度为3 m/s时，集热效率达到62.73%，比传统太阳能空气集热器的集热效率有大幅提高。为了进一步了解双流道折流板太阳能空气集热器的热性能，Potgieter等人［19］建立了双流道折流板太阳能空气集热器数学模型，并指出模型预测的集热效率与实验值吻合良好，集热效率变化范围为23%~83%。张东等人［20］采用数值模拟方法得到，相比于单流道折流板太阳能空气集热器，双流道折流板结构使太阳能空气集热器出口空气温度由55.3 ℃提升为61.1 ℃，集热效率由53.4%提高至63.8%。此外，肉孜·阿木提等人［21］通过对双流道折流板太阳能空气集热器的测试指出，只有采用并行流动模式时双流道结构才能提高太阳能空气集热器的热性能。为进一步增大空气与集热板的换热面积，提高集热板接收的太阳辐射量，Heydari等人［22］设计了一种三角形截面通道，一方面可使集热板的上下两侧均匀接触空气，另一方面也增加了集热板接收太阳辐射的面积。结果表明，三角形截面通道折流板太阳能空气集热器集热效率比单通道折流板太阳能空气集热器集热效率提高14.7%，比双通道太阳能空气集热器提高8.6%。为了确定最优的三角形截面结构，Mesgarpour等人［23］通过数值模拟，对三角形截面通道折流板太阳能空气集热器的折角α1、α2、α3、α4以及尺寸b、d、a、L进行了优化（见图2）。研究结果表明：在竖直方向投影面积相同的前提下，与平板太阳能空气集热器相比，优化后的三角形截面结构使折流板太阳能空气集热器集热面积增加24.18%，集热效率增加16.5%。
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图2 三角形截面通道折流板太阳能空气集热器（文献截图）在折流板太阳能空气集热器中，由于空气在由透明盖板和集热板组合形成的流道内进行蛇形流动，集热板表面传热系数与透明盖板表面传热系数同时得到增加，导致透明盖板的散热量增大，限制了折流板太阳能空气集热器集热效率的进一步提高［24-25］。洪亮等人［26］指出，虽然折流板太阳能空气集热器具有较高的集热效率，但其热损失系数较大，远超过真空管太阳能空气集热器、平板太阳能空气集热器。因此，减少占据太阳能空气集热器总热损失60%以上的顶部热损失成为提高太阳能空气集热器热利用水平的关键［27］。为减少空气与透明盖板直接接触，夏佰林等人［28-29］将集热板位置提升，使空气在集热板下方流动，形成了下风道折流板太阳能空气集热器，分析研究了总热损失系数、折流板肋片效率、流道内空气流速、折流板间距对效率因子和热迁移因子的影响机理。还指出，由于下风道削弱了透明盖板的热损失，相比于上风道折流板太阳能空气集热器，下风道折流板太阳能空气集热器的折流板间距有所减小，最佳间距为60~100 mm。Sevik等人［30］提出一种折流板太阳能空气集热器的改进形式，将集热板改为集热管（见图3）。不仅保留了折流板的功能，还利用带有弧度的管面增加了集热面积，以及在集热管与玻璃盖板之间形成了空气夹层。实测结果显示，当空气质量流量为0.044 kg/s时，集热效率达到81.3%。
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在提高空气流速与湍流程度方面，最常见的改进方法主要有两种：一种是改进折流板的数量与摆放位置，另一种是在流道内设置障碍物。刘一福等人［31-32］对折流板摆放位置进行调整，将流道调整为斜向上的蛇形流道（见图4）以延长空气的流动长度，提高空气流速。通过实验与模拟分析，得到了折流板最佳间距与倾角分别为140 mm、45°，最大集热效率与热损系数分别为76.81%、3.06 W/（m2·K）。
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王亮等人［33］与姜国心［34］提出了一种弯折形折流板太阳能空气集热器（见图5），通过Fluent软件研究了最优的折流板弯折角。结果表明：弯折角为60°时集热效率最高，可以达到55.47%。Wang等人［35］提出了一种半圆形挡板太阳能空气集热器，模拟结果表明，集热效率最高达到71.2%。Amraoui［36］和Kim等人［37］在折流板太阳能空气集热器流道内设置小型折流板来延长空气循环轨迹，以改善热性能。
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关于障碍物的设置，Akpinar等人［38-39］分析了流道内障碍物类型（三角形障碍物、叶片形障碍物、矩形障碍物）对太阳能空气集热器集热效率的影响，并指出设置叶片形障碍物的折流板太阳能空气集热器集热效率和空气温升增加幅度最大。Bensaci等人［40］对折流板太阳能空气集热器进行了研究，在流道中设置了障碍物，结果表明，当空气质量流量为0.017 kg/s时，集热效率由43%提高到45%。Sari等人［41］对流道内带有翅片（见图6）和三角小翼涡流发生器的太阳能空气集热器进行了实验测试，改进的结构可使集热效率和火用效率分别提高7.4%和12%。Rajendran等人［42］在流道内设置了圆柱、翅片，在相同空气流速下，设置障碍物的折流板太阳能空气集热器比常规折流板太阳能空气集热器的集热效率平均提高12.2%。Mohammed等人［43］通过在折流板太阳能空气集热器内部设置金属纤维丝，将空气出口温度从之前的35.0 ℃提升至44.5 ℃。
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虽然折流板的设置可以大幅提高空气与集热板的对流传热，但气流在转弯处易形成涡流区（见图7）［44-45］。涡流区的存在一方面降低了空气与集热板的对流传热，另一方面也增加了空气流动过程中的压力损失，增大了风机耗电量。因此，降低涡流区面积成为折流板太阳能空气集热器改进的方向。
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图7 折流板太阳能空气集热器内空气流线［44-45］李峰［46］通过在转弯处增加导风板改善空气在转弯处的流动情况，并指出，增加导风板后，折流板太阳能空气集热器空气出口温度提高3~5 ℃。胡建军等人［47］与马龙［48］基于防风墙的原理，在折流板上开孔，通过降低空气流动过程中的涡流强度与涡流面积提高折流板太阳能空气集热器的热性能。之后，Hu等人［49］通过正交数值试验，研究了折流板上的开孔参数（开孔直径、开孔数量、开孔位置）对折流板太阳能空气集热器集热效率的影响，分析表明，空气进口流量和折流板开孔直径对集热效率的影响显著。与原模型相比，折流板上开孔模型的总压力损失下降8.8%，集热效率提高3.6%。此外，陈继洋［50］与钱珊珠等人［51］引入渗透率（折流板开孔面积与折流板面积之比）研究开孔参数对折流板太阳能空气集热器热性能的影响。结果表明，在700 mm长、150 mm高的折流板上，打孔区域为板长50%、渗透率为17.67%时集热效率最佳。
贾斌广等人［52］基于对钱珊珠等人［44］的研究指出，减小空气流动方向变化时的转弯角度是降低压力损失、提高集热效率的关键，并设计了涡旋形折流板太阳能空气集热器（见图8）。通过实验测试与数值模拟，发现涡旋形折流板太阳能空气集热器比常规折流板太阳能空气集热器的集热效率高2.18%，压力损失仅为常规折流板太阳能空气集热器的37.26%［53］。Jia等人［54］对涡旋形折流板太阳能空气集热器的最优结构进行了分析，通过数值模拟得到涡旋形折流板最佳结构参数。
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折流板及其优化后的结构能显著提高太阳能空气集热器的热性能。然而，增加折流板带来的压力损失也被相关学者关注，从而使研究向提高折流板太阳能空气集热器综合性能方向发展。
［ 1 ］ KUMAR B V，MANIKANDAN G，KANNA P R，et al. A Performance Evaluation of a Solar Air Heater Using Different Shaped Ribs Mounted on the Absorber Plate-a Review［J］. Energies，2018（11）：1-20.［ 2 ］ CHAIBI Y，RHAFIKI T E，SIMOM-ALLUE R，et al. Air-Based Hybrid Photovoltaic/Thermal Systems：a Review［J］. Journal of Cleaner Production，2021，295：126211-1-19.［ 3 ］ 贾斌广，李晓，张大鹏，等. 太阳墙新风装置的性能模拟［J］. 煤气与热力，2018（11）：A25-A30.［ 4 ］ ZHAI X Q，WANG R Z，DAI Y J，et al. Experience on Integration of Solar Thermal Technologies with Green Buildings［J］. Renewable Energy，2008（33）：1904-1910.［ 5 ］ 贾斌广，刘芳，张大鹏. 双风道太阳墙内流动传热数值模拟分析［J］. 可再生能源，2018（8）：1137-1143.［ 6 ］ 贾斌广，陈茹，王达. 太阳能空气干燥装置的发展现状［J］. 中国果菜，2019（10）：12-20.［ 7 ］ KAZEM H A，CHAICHAN M T，AL-WAELI A H A，et al. Comparison and Evaluation of Solar Photovoltaic Thermal System with Hybrid Collector：an Experimental Study［J］. Thermal Science and Engineering Progress，2021，22：100845-1-15.［ 8 ］ 刘杰，陈安娟，张俊. 新型太阳能空气集热器性能研究及供暖测试［J］. 科学技术与工程，2022（22）：9623-9629.［ 9 ］ SINGH V P，JAIN S，KARN A，et al. Recent Developments and Advancements in Solar Air Heaters：a Detailed Review［J］. Sustainability，2022（19）：12149-1-55.［10］ SINGH I，SINGH S. A Review of Artificial Roughness Geometries Employed in Solar Air Heaters［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，92：405-425.［11］ 贾斌广，李晓，刘芳，等. 蛇形太阳能空气集热器流道布置的优化分析［J］. 可再生能源，2019（1）：34-39.［12］ 赵宇航. 扰流板对太阳能集热器性能的影响分析及模拟研究（硕士学位论文）［D］. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2016：31-35.［13］ CHEN J，LI N，DING Y，et al. Experimental Thermal-Hydraulic Performances of Heat Exchangers with Different Baffle Patterns［J］. Energy，2020，205：118066-1-8.［14］ ROMDHANE B S. The Air Solar Collectors：Comparative Study，Introduction of Baffles to Favor the Heat Transfer［J］. Solar Energy，2007（1）：139-149.［15］ 胡建军，孙喜山，徐进良. 折流板型太阳能空气集热器数值优化［J］. 燕山大学学报，2011（5）：417-422.［16］ HU J J，SUN X S，XU J L，et al. Numerical Analysis of Mechanical Ventilation Solar Air Collector with Internal Baffles［J］. Energy and Buildings，2013，62：230-238.［17］ GOEL V，HANS V S，SINGH S，et al. A Comprehensive Study on the Progressive Development and Applications of Solar Air Heaters［J］. Solar Energy，2021，229：112-147.［18］ 李晓琳，庄卫东. 蛇形双流道平板式太阳能空气集热器的设计与试验［J］. 黑龙江八一农垦大学学报，2017（4）：94-98，118.［19］ POTGIETER M S W，BESTER C R，BHAMJEE M. Experimental and CFD Investigation of a Hybrid Solar Air Heater［J］. Solar Energy，2020，195：413-428.［20］ 张东，张建军，张跃智，等. 平板型双流道太阳能空气集热器扰流板结构优化［J］. 上海交通大学学报，2019（11）：1302-1307.［21］ 肉孜·阿木提，高泽斌，李峰. 不同结构平板型太阳能空气集热板集热效率研究［J］. 新疆农业大学学报，2009（3）：78-81.［22］ HEYDARI A，MESGARPOUR M. Experimental Analysis and Numerical Modeling of Solar Air Heater with Helical Flow Path［J］. Solar Energy，2018，162：278-288.［23］ MESGARPOUR M，HEYDARI A，WONGWISES S. Geometry Optimization of Double Pass Solar Air Heater with Helical Flow Path［J］. Solar Energy，2021，213：67-80.［24］ JIN B，YANG L，ZHANG L，et al. Optimizing Structure of Baffles on Thermal Performance of Spiral Solar Air Heaters［J］. Solar Energy，2021，224：757-764.［25］ 胡建军，孙喜山，徐进良.太阳能平板空气集热器内部流动与传热分析［J］. 热能动力工程，2011（5）：615-620，637-638.［26］ 洪亮，原郭丰，李兴，等. 几种太阳能空气集热器热性能测试与改进实验研究［J］. 太阳能学报，2015（2）：467-472.［27］ DWIVEDI A，MISHRA H，NAGRATH V. A Review on Different Performance Enhancement Techniques for Solar Air Heaters［J］. Recent Advances in Mechanical Engineering，2021（1）：1-9.［28］ 夏佰林，赵东亮，代彦军，等. 蛇形流道太阳能平板空气集热器集热性能研究［J］. 太阳能学报，2012（9）：1560-1564.［29］ 夏佰林，赵东亮，代彦军，等. 扰流板型太阳能平板空气集热器集热性能［J］. 上海交通大学学报，2011（6）：870-874. ［30］ SEVIK S，ABUSKA M. Thermal Performance of Flexible Air Duct Using a New Absorber Construction in a Solar Air Collector［J］. Applied Thermal Engineering，2019，146：123-134.［31］ 刘一福，黄坤荣，王玉林. 扰流板型太阳能平板空气集热器数值模拟分析［J］. 机械研究与应用，2012（1）：65-68.［32］ 刘一福. 扰流板型太阳能平板空气集热器数值模拟研究（硕士学位论文）［D］. 衡阳：南华大学，2012：30-31.［33］ 王亮，满意. 折形折流板式太阳能空气集热器的数值模拟［J］. 可再生能源，2018（7）：997-1003.［34］ 姜国心. 关于折形折流板式太阳能空气集热器的研究［C］// 中国市政工程华北设计研究总院有限公司. 2019供热工程建设与高效运行研讨会论文集（上）. 天津：《煤气与热力》杂志社有限公司，2019：144-151.［35］ WANG L，WANG Y. Research on the Collect Heat Performance of New Type Collector［J］. Energy Sources，2021（11）：1-16.［36］ AMRAOUI M A. Numerical Study of the Three-Dimensional Flow in a Flat Plate Solar Collector with Baffles［C］// CFM. CFM 2015（22ème Congrès Français de Mécanique）. Lyon：CFM，2015：1-7.［37］ KIM Y J，LEE K S，YANG L，et al. Validation and Numerical Sensitivity Study of Air Baffle Photovoltaic-Thermal Module［J］. Energies，2020（8）：1-13.［38］ AKPINAR E K，KOCYIGIT F. Experimental Investigation of Thermal Performance of Solar Air Heater Having Different Obstacles on Absorber Plates［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer，2010（4）：416-421.［39］ AKPINAR E K，KOCYIGI T F. Energy and Exergy Analysis of a New Flat-Plate Solar Air Heater Having Different Obstacles on Absorber Plates［J］. Applied Energy，2010（11）：3438-3450.［40］ BENSACI C E，MOUMMI A，LABED A. Experimental Investigation on Heat Transfer Coefficient and Thermal Efficiency of Solar Air Heaters Having Different Baffles［C］// Environmentally-Benign Energy Solutions. Berlin：Springer，2020：309-321.［41］ SARI A，SADI M，SHAFIEI S G，et al. Experimental Analysis and Exergetic Assessment of the Solar air Collector with Delta Winglet Vortex Denerators and Baffles［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2021（3）：867-885.［42］ RAJENDRAN V，RAMASUBBU H，RAJARATHINAM J V，et al. Experimental Study on the Thermal Performance of a Solar Air Heater Integrated with Multi-Geometry Arrangements over the Absorber Plate［J］. Environmental Science and Pollution Research，2022（25）：38331-38345.［43］ MOHAMMED M F，ELEIWI M A，KAMIL K T. Experimental Investigation of Thermal Performance of Improvement a Solar Air Heater with Metallic Fiber［J］. Energy Sources，2021（18）：2319-2338.［44］ 钱珊珠，赵宇航，杨哲. 平板型太阳能空气集热器内部能量损耗研究［J］. 太阳能学报，2018（1）：51-56.［45］ 赵宇航. 扰流板对太阳能集热器性能的影响分析及模拟研究（硕士学位论文）［D］. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2016：27-29.［46］ 李峰. 利用太阳能干燥杏、红枣的研究（硕士学位论文）［D］. 乌鲁木齐：新疆农业大学，2010：13-15.［47］ 胡建军，马龙，刘凯彤，等. 开孔折流板型太阳能空气集热器流动传热特性研究［J］. 热能动力工程，2017（10）：108-113.［48］ 马龙. 开孔折流板型太阳能空气集热器流动传热特性研究（硕士学位论文）［D］. 秦皇岛：燕山大学，2016：24-25.［49］ HU J，LIU K，MA L，et al. Parameter Optimization of Solar Air Collectors with Holes on Baffle and Analysis of Flow and Heat Transfer Characteristics［J］. Solar Energy，2018，174：878-887.［50］ 陈继洋. 渗透式扰流板结构对集热器热特性的影响研究及仿真优化（硕士学位论文）［D］. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2021：32-33.［51］ 钱珊珠，陈继洋，郭文斌，等. 渗透率对太阳能空气集热器热性能的影响研究［J］. 当代畜牧，2021（7）：38-40.［52］ 贾斌广，刘芳，王达，等. 扰流板太阳能空气集热器的流道优化［J］. 化工进展，2019（2）：819-825.［53］ JIA B G，LIU F，WANG D. Experimental Study on the Performance of Spiral Solar Air Heater［J］. Solar Energy，2019，182：16-21.［54］ JIA B G，LIU F，LI X，et al. Influence on Thermal Performance of Spiral Solar Air Heater with Longitudinal Baffles［J］. Solar Energy，2021，225：969-977.（本文责任编辑：贺明健）
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