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摘要：本文在分析传统太阳能热水器特点上，筛选了能量密度高，安全友好的相变材料，通过分析比较真空管内放置相变蓄热模块的优缺点，模拟分析了方案的数值特性为进一步的中试实验提供理论依据。
关键词：太阳能热水器，相变蓄热，石蜡，模拟
一、前言
作为我国迅速发展并形成的完整产业体系的太阳能光热行业，我国的太阳能热水器以真空管型太阳能热水器为主。占市场总量的90%左右。但也存在粗放，跟风模仿等现象，对产品差异化，产品技术水平提出更高要求
相变材料（PCMs）由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。按组成可分为：有机PCMs、无机PCMs和复合PCMs。按相变方式可分为：固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料。后两者由于在相变过程中伴随有气体产生，体积变化较大，很少被选用。
无机PCMs储能密度大，相变时体积变化小，主要包括碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐及碳酸盐等盐类的水合物。但这类材料在相变过程中容易出现过冷、相分离现象，需要添加防过冷剂和防相分离剂增强其稳定性，延长使用寿命。有机相变材料具有无过冷及析出现象，性能稳定，可通过不同相变材料的混合来调节相变温度的突出优点。但通常存在着导热系数小，密度小，单位体积储热能力差的缺点。典型的有机类相变材料有：石蜡、脂肪酸类、多元醇类相变材料等。复合相变储能材料，通过二元或多元化合物的混合体系或低共熔体系，形成形状稳定的固液相变材料，无机有机复合相变材料是当前相变材料应用发展的方向。
二、设计方案
利用相变材料的特性，集合真空管集热器以及热水器水箱设计可以辅助并加强热水器水箱储热能力的储热模块，本设计提出了两种方案。
方案一：设计相变材料熔点60℃左右，将相变材料放置于圆柱形不锈钢管（管径Φ28mm）容器密封，如图1所示，并将该容器安放在真空管集热器内管中形成管中管。在日照充足且没有用水需要的条件下，真空管吸收并传递热量，在集热器温度超过管中管中的相变材料吸热熔化，将一部分热能储存起来；在日照不足且有热水需求时，真空管内水的温度降低，当水温降低到低于相关材料凝固点时，液态相变材料凝固放热为水箱提供热量。
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图1：实验方案一真空管示意图。
该方案采用管中管应用，减少真空管中水的容量，热水器的实际有用得热量；相变模块的加入使用提高了整个系统储热的有效热容量，提高真空集热管的防冻性能。
三、数值模拟
1、相变材料的选用物理性质
表1：相关材料物理参考参数
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2、建模和计算
选用两台相同常规尺寸的热水器，太阳能集热管采用Φ58mm*1800规格，数量16管，水箱保温厚度50mm，其中一台的集热管中，装入管中管式相变模块（模块管径Φ28mm，材质304不锈钢，壁厚0.2mm），同时在晴天、阴天以及多云天气下进行多次露天实验，辐照量参考各个天气特征值。模拟计算如图3所示水箱多点的温度变化，记录T1、T2、T3（如图3）三点温度数据。绘制温度变化曲线。
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图3：管中管热水器实验示意图。
根据此模型，建模计算真空集热管的出水温度变化如图4所示，可以看到在日照持续充足的天气状况下。在太阳加热初期，安装相变模块的真空管由于管内水量减少且相变材料比热只有水的一半导致吸收相同热量的情况下，装有相变模块的真空管水温上升得快。当装有相变模块的真空管内温度达到相变材料熔点时，真空管吸收热量而管内温度保持不变；当管内相变材料完全熔化以后，管内温度继续上升。整个过程装有相变材料的真空管温度上升先快后慢，这样既保证了水箱内水温可以迅速达到理想温度，又在水温超过理想温度以后对真空管出水温度的升高起到一个缓冲作用。
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图4：真空集热管出水温度理论变化曲线
四、结论和下一步实验。
当装有相变模块时，提高了太阳能热水器的升温效率，同时提升了储热密度，延长了用热时间，适合用于太阳能采暖等场合。
下一步，根据使用场景要求，加工实物，进行实际实验测试，模拟用户对热水的使用，检测加热换水试验等试验，并对可能出现的管内结垢，多阴雨天气的地区使用场景等进行测试研究，完善相变蓄热太阳能热水器的相关数据，为进一步研究发展提供理论支撑。
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