平板型太陽集熱器蓋板及保溫層性能測試與初步研究

澳門大學 ■ 王超

鞍鋼股份有限公司 ■ 王太祥

鞍鋼集團工程技術有限公司 ■ 王愛國 張健

一 引言

世界日益依賴于清潔、高效和可持續的能源，因此，太陽能工業將以史無前例的速度發展。現代社會應是節約型的社會，而社會生活也應是節約能耗的生活。太陽能作為一種取之不盡的新型環保能源已成為世界各國能源研究工作中的一個重要課題。太陽輻射能的直接利用中太陽能的光熱轉換是目前技術最成熟、成本最低廉、應用最廣泛的形式。目前使用較多的太陽能集熱裝置有兩種：一種是平板式集熱器，如太陽能熱水器等；另一種是聚焦型集熱器，如反射式太陽灶、高溫太陽爐等。

二 太陽集熱器的原理

太陽集熱器(solar collecto在r)太陽能熱利用系統中是接收太陽輻射并向傳熱工質傳遞熱量的裝置。以液體為傳熱介質的大多用水作介質，即構成各種太陽能熱水器；以空氣為傳熱介質的，則構成多種太陽能干燥器。太陽集熱器的核心是吸熱板，它的功能是吸收太陽的輻射能，并向傳熱介質傳遞熱量。非聚光型集熱器是利用熱箱原理(也稱溫室效應)將太陽能轉變為內能的設備。聚光型集熱器利用聚焦原理，即利用光線的反射和折射原理，采用反射器或折射器使陽光改變方向，把太陽光聚集集中照射在吸熱體較小的面積上，增大單位面積的輻射強度，從而使集熱器獲得更高的溫度[1,2]。

三 性能測試方法介紹

2001年4月頒布實施的歐洲標準給出了兩種太陽集熱器熱性能測試方法：一種是穩態測試方法，另一種是比穩態測試方法具有更寬測試條件的太陽集熱器熱性能動態測試方法。由于穩態測試方法在測試過程中對天氣等因素的限制條件很嚴格，給實際操作過程帶來一定的難度。本文應用動態測試方法對所設計的太陽集熱器模型進行熱性能測試。

四 動態測試方法模型

因穩態測試在測試過程中忽略了一些因素的影響，所以對其測試條件要求非常嚴格。因此，在放寬測試條件的動態測試方法中，必須考慮這些影響因素。如入射角修正系數的影響(直射日射輻照度和散射日射輻照度與入射角關系)、風速的影響(動態測試避免了對風速的嚴格限制)、長波輻射的影響(針對無蓋板的集熱器)等。二者測試條件對比見表1。

表1 穩態和動態性能測試條件

五 試驗與分析

主要測量的物理量是溫度，本文選擇K型裝配式熱電偶進行測量，產品型號為WR系列(溫度顯示表為臺灣產TES-1310型)。試驗系統如圖1所示。

圖1 試驗系統

1 不同保溫材料對集熱器性能影響的數據分析

試驗分為A、B系統，分別選用厚度為5cm的玻璃棉和聚氨酯泡沫板作為保溫層(圖2)。蓋板均為蜂窩結構雙層蓋板，外殼均為木質三合板，吸熱體均為波形銅板，傳熱工質為空氣，抽氣設備均為12V小型鼓吹兩用風機。

圖2 不同保溫系統對比試驗實物圖

利用幾何光學原理，推導出蜂窩的有效透光率的計算公式：

其中，θ為入射角；τ為材料的透光率；ρ為材料反射率；A為蜂窩單元的高寬比；N為光線在蜂窩中的反射次數。

根據式(1)計算出在高寬比為1.43的情況下，蜂窩結構的有效透光率為0.61[1,2]。

不同保溫系統的對比測試結果如表2所示，A1～A4分別為系統A的蓋板內部溫度、吸熱體表面溫度、進口溫度、出口溫度；B1～B4分別對應系統B的參數。系統進出口溫度隨輻照度變化如圖3所示。

表2 不同保溫系統對比試驗數據

圖3 進出口溫度隨輻照度變化

從圖3中可明顯看出由于保溫層的存在，輻照度降低后集熱器內升溫過程仍能繼續保持一定時間。系統B升溫速度比系統A快，系統B在達到最大溫差后能繼續保持高于系統A的溫度，說明在升溫直至高溫的過程中，由聚氨酯泡沫作為保溫層的系統保溫效果要好于玻璃棉保溫層。但值得注意的是，有玻璃棉保溫層的系統A在相對低的溫度和輻照度狀態下，溫度過渡更平穩，而系統B產生了驟降點，這說明在工質釋放熱量將盡時玻璃棉的隔熱效果相對較好。

2 FLUENT模擬與試驗數據對比分析

為了直觀地了解集熱器內部工作情況，本文取A、B系統較有代表性的工況(12:00時的工況)用FLUENT軟件模擬，進行流場比較。

為了簡化模型，取吸熱體在12:00時的溫度，假定熱源為吸熱體本身(即波紋形銅板)，并將模型簡化，僅取吸熱銅板和下面空氣流動空間作為一個完整的換熱結構，可得圖4所示的三維模型。

圖4 換熱體三維模型

通過FLUENT對給定工況的模擬，得出A、B的出口溫度分別為62.6℃和70.8℃，與試驗結果基本吻合，增加了試驗數據和模擬情況的可靠性。溫度場、速度場的分析如圖5～圖8。

由圖5和圖6的對比可發現，系統A進口空氣的低溫區域明顯大于系統B。相對地，系統B的有效換熱區域大于系統A。對于工質(空氣)而言，其他外部條件幾乎一致，但并不確定這些差異是否在某種程度上受到其內部流體速度變化的影響。

從圖7、圖8可以看出，系統A、B的速度分布幾乎相同，雖然系統A、B的進口初始速度相同，但在系統內部，系統B在離進口一定距離處，進口右側小渦流的流速明顯大于系統A相同位置處的流速。集熱效率在進口面積相同的條件下隨空氣流速的增大而增大，無論從溫度情況還是從已有結論都可以得出系統B的集熱效率高于系統A。由于兩套系統的性能差異主要是由保溫材料的不同造成的，這就說明太陽集熱器的保溫材料直接影響到太陽集熱器的性能。聚氨酯泡沫板在集熱器接近工質的高溫處具有較好的保溫性能，從而能保證再加熱的換熱過程充分進行。但在降溫過程中至低溫區域的保溫性能，玻璃棉則與聚氨酯泡沫板相差無幾。考慮到兩種材料的工作溫度范圍都遠大于一般集熱器的工作溫度范圍，且玻璃棉的經濟性優勢遠超過聚氨酯泡沫，在能達到最好保溫的前提下，可考慮在更接近工質的部分用聚氨酯泡沫作為保溫材料，在外圍溫度相對較低的部分用玻璃棉保溫以降低系統成本[3,4]。

3 蓋板性能對比試驗過程及數據分析

A、B兩套系統分別采用單層PC板和雙層蜂窩結構作為蓋板(圖9)。外殼都為木質三合板，保溫層都為聚氨酯泡沫板，吸熱體也都為銅質波形銅板。測溫點分別在蓋板表面和吸熱體表面。

蓋板性能對比試驗結果如表3。A1、A2為系統A蓋板表面不同測點溫度，計算時取平均值；A3、A4為系統B吸熱體表面不同測點溫度，計算時取平均值。B1～B4為B系統對應參數。

圖9 蓋板性能對比試驗實物圖

為了讓溫度變化具有代表性，取蓋板表面不同兩點的平均值進行比較(圖10)，可以看出，由于外部環境溫度相同，兩蓋板都是PC板材質，故表面溫度相差不大，變化趨勢也相同。所以，蓋板結構的不同并不會影響蓋板表面對太陽能的吸收。

表3 蓋板性能對比試驗數據

圖10 蓋板表面溫度比較

為了直觀地對比蓋板對吸熱體溫度的影響，將測量點取在吸熱體上(圖11)，但不得不承認的是，蓋板與吸熱體之間的空間內的空氣一定會對蓋板和吸熱體之間熱量傳遞起到干擾作用。忽略其他影響因素，可以觀察到，雖然由于放置位置或角度的差異，系統A的起始溫度高于系統B，但系統B的升溫速度明顯高于系統A。在吸熱過程中雖然兩系統都有熱量損失，但在其他條件相同的情況下，系統B的蓋板熱量損失明顯小于系統A。這說明蜂窩結構蓋板對于抑制蓋板內空氣對流產生的熱損失起到了很大作用。

圖11 不同蓋板的吸熱體溫度比較

六 結論

太陽集熱器是太陽能熱利用的關鍵部件，其制造成本約占太陽熱水器的一半，其工藝發展水平和質量標準代表著太陽能熱利用的發展水平，同時太陽集熱器技術的發展，在很大程度上也決定著太陽熱水器的未來走向和應用前景。本文得到以下主要結論：

本測試自制的蜂窩結構蓋板，高寬比為1.43，材料透光率0.91，反射率0.21，根據公式(1)得到蓋板透光率為0.61，屬小高寬比蓋板中透光率較高的，在透明蓋板的透光率為0～0.70的前提下，該結構蓋板具有比較優勢。

本測試中提出在換熱工質直接接觸 的部分用一定厚度的聚氨酯進行保溫，而溫度敏感度相對較低的外部保溫可應用玻璃棉、巖棉、聚苯乙烯等經濟性好的保溫材料的新方案。經論證，該保溫結構可比單純使用聚氨酯保溫節省1/2的成本。

對于我國而言，開發新能源無疑是未來能源發展之路上非常重要的一步。而太陽能作為新能源中最方便利用的能源之一，也將在能源領域占據重要位置。太陽集熱器作為太陽能普及使用中一個非常重要的設備必將朝著更先進的方向發展。相信會有越來越多的太陽能工作者將更多的精力投入到太陽集熱器的研究中去，使我國的能源行業更加蓬勃發展。

［1］ 汪艷偉, 鄭茂余, 趙立前, 等. 高效平板太陽能集熱器蓋板的熱工性能實驗研究[J].節能, 2007, 26(5): 14－17.

［2］ 李平, 張立平, 戴巧利. 太陽能空氣集熱器中蜂窩結構的試驗對比研究[J]. 節能技術, 2008, 26(1): 75－78, 96.

［3］ 梁慶, 徐剛, 甄恩明, 等. 透明導電薄膜對太陽能平板集熱器性能的影響[J]. 微納電子技術, 2008, 45(11): 643－671.

［4］ Stoll R D. Solar collector manufacturing activity[M]. Washington DC: DIANE Publishing Company, 1993.