中溫集熱器測試系統的設計和實踐

山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 蘇士民 馬迎昌 馬光柏

清華大學電子工程系 ■ 殷志強

一 引言

2009年，我國太陽能熱水器總產量達到4200萬m2，保有量為14500m2，分別占世界的78%和54%，中國成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和使用國[1]。但要繼續加快我國的太陽能熱利用發展，則要大力發展中溫集熱器[2]，這一問題基本得到了認同。大力發展中溫集熱器，需要相應的集熱器檢測技術支持。工作在80～250℃的中溫集熱器，需要相應的測試系統及測試方法，但目前國內集熱器測試最高溫度基本在80℃以內，鮮有超過100℃，也鮮有相應的廠家研究和提供成熟的測試系統，因此，在中溫集熱器檢測方面，需要進行深入研究。

與普通集熱器的測試相比，中溫集熱器的檢測溫度一般要超過100℃，甚至要達到150℃或更高，此時對系統在溫度控制、溫度穩定性、流量穩定性、耐溫耐壓等方面的要求都遠遠提高，高溫高壓下系統的溫度和流量的穩定性是測試的難點。國內未見中溫集熱器測試系統的報道，而從國外多家檢測機構如Fraunhofer、ITW、ISFH、INETI的檢測報告看，最高測試溫度一般在90～100℃，部分檢測中心的設備檢測最高溫度也僅在110℃左右。

山東力諾瑞特新能源有限公司的檢測人員經過努力，建立了中溫太陽能集熱器測試系統，使系統的測試溫度達到了150℃，有力促進了中溫集熱器的研發進度。系統申請并獲得了國家發明專利。公司研發的幾種中溫集熱器，經過專家鑒定達到了國際領先水平，使我國太陽能熱利用在工業領域的應用有了產品支持。根據集熱器測試和中溫集熱器測試實施經驗，總結中溫集熱器測試系統和測試方法實現的一些思路，意在為致力于進行中溫集熱器研發和測試的專業技術人員提供參考，希望能夠對我國發展中溫集熱器所需進行的集熱器熱性能測試有所幫助。

二 中溫集熱器測試系統工作原理

GB/T4271—2007對集熱器效率測試的要求如下：

(1) 集熱器采光面的太陽輻照度≥700W/m2，試驗期間總輻照度變化≤±50W/m2；

(2) 環境風速≤4m/s；

(3) 試驗期間環境空氣溫度變化≤±1℃；

(4) 流量按集熱器采光面積設定為0.02kg/(s·m2)，試驗期間流量穩定在設定值的±1%；

(5) 同一工況內測量參數允許的偏離范圍見表1。

即：要求檢測系統提供溫度變化在±0.1℃、流量變化在±1%以內的進口溫度。對于中溫集熱器測試，該進口溫度要達到150℃±0.1℃。

表1 同一工況內測量參數允許的偏離范圍

根據GB/T4271—2007所提供的試驗系統示意圖，以水作為傳熱工質時，應采用閉式系統；以沸點在150℃以上的油作為傳熱介質時，可考慮用開式系統。從測試的方便性和成本方面考慮，以水作為傳熱工質，采用閉式系統，其結構如圖1所示。

圖1中系統的工作原理可簡述為：集熱器出口的熱水經一次溫度調節后，經系統循環泵驅動，由流量控制閥控制以恒定流量經二次溫度調節、以0.1℃變化幅度進入集熱器，經集熱器升溫后出來再次經過一次溫度調節，形成循環。這里一次溫度調節應包括一次降溫過程和一次升溫過程，即先將熱水溫度降至測試進口溫度以下，再經過電加熱或其他加熱方式將溫度升高至接近進口溫度(最好在1.0℃或0.5℃以內，甚至更接近)，這樣更有利于二次溫度調節。必要時，可以增加到三級溫度調節。流量的調節，圖1中用流量控制閥，也可以通過旁通閥和球閥的聯動實現，或通過變頻泵實現。

除系統圖中可見的循環回路外，測試系統還應包括以下部分：

制冷系統：主要包括制冷機組，冷水箱，制冷循環泵及相應的管路閥門。主要作用是降低集熱器出口返回的工質溫度。

控制系統：包括溫控器、給溫控器傳輸控制信號的溫度傳感器、流量控制器或變頻器等，主要作用是控制一級、二級溫度調節和流量調節。

數據采集系統：包括數據采集器和各類傳感器，主要有總輻照表、散射輻照表、風速儀、環境溫度傳感器、進出口溫度傳感器、流量計等。

測試臺架：可以是固定式臺架或跟蹤太陽的臺架。對于中溫集熱器測試，為提高測試的工作效率和檢測精度，建議采用自動跟蹤太陽的臺架。

三 中溫測試系統設計的要點

系統形式：設計選用的系統形式主要考慮傳熱工質的類型，即傳熱工質溫度和壓力之間的關系，同時要能準確掌握傳熱工質在不同溫度下的比熱。以水作為傳熱工質，是最常見、最方便也最經濟的方式，此時系統應為閉式承壓形式，水的沸點和壓力之間的關系可通過查閱相關資料獲得[4,5]。如水80℃和150℃時的飽和蒸氣壓分別為0.0474MPa和0.476MPa，系統壓力相差10倍，控制難度大。

循環泵：循環泵的設計和選取首先要考慮耐溫和耐壓性能，其次是其揚程和流量。熱水型循環泵的耐壓一般都能滿足要求，耐高溫要求一般要達到180℃以上，確保一定的安全系數。泵的質量要有保證，在150℃、0.6MPa左右條件下運行應能確保正常。選取時可查找國內國際知名的熱水循環泵品牌，確認其性能參數滿足要求。揚程和流量則根據測試能力的多少選定。

流量計：可選用電磁流量計或渦輪流量計。高精度的電磁流量計價格較高，但耐用，聚四氟乙烯襯里、分體式的電磁流量計耐溫可達到180℃；渦輪流量計精度高，但耐溫性差，且很難較長時間保持精度。流量計的信號形式可以是標準電壓或電流信號，利于采集。

溫度傳感器：精度和響應時間是溫度傳感器選用的關鍵。溫度精度要求達到0.1℃，鉑電阻溫度傳感器能很好地滿足要求。響應時間會影響到測試結果，應選用響應時間盡可能短的傳感器類型，如鉑電阻傳感器，其不銹鋼套管直徑應在4mm以內，越小響應越快。

輻照表：國內的輻照表已達到很高的技術水平，一般可滿足要求。需注意輻照表的非線性誤差和溫度靈敏度誤差應盡可能小。

閥門：系統中需要用到的閥門一般有排氣閥、流量控制閥、壓力安全閥、電動閥、球閥、閘閥等，所有閥門耐溫都應達到180℃以上，且高溫下耐壓達到1.5MPa或2.0MPa以上，才能確保系統運行安全。

管路：系統中各管路應選用金屬管路，包括循環回路、制冷回路和與集熱器連接的管路。固定的管路可選用銅管、不銹鋼管或無縫鋼管等。與集熱器連接的管路可選用不銹鋼軟管。管路設計中應適當考慮活結的使用，方便系統改進。管路連接所用管件也應考慮耐溫和密封問題，如活結所用墊片應為聚四氟乙烯樹脂或石棉材料。

保溫材料：保溫材料的選用也很關鍵，主要需滿足耐溫要求，應達到180℃以上。可選用巖棉、玻璃棉或亞羅弗等材料，但要考慮安裝的方便性和美觀性。

穩壓裝置：系統在升溫過程中壓力會升高，需要安裝膨脹罐或膨脹箱進行穩壓。膨脹罐的選取需考慮容積匹配和耐溫問題，安裝位置可選擇在回路中溫度低的地方，且接口朝上，連接在朝下的管路上。

控溫裝置：一般可采用兩級控溫方式，必要時考慮三級控溫。溫控器的控制精度要高，否則難以滿足溫度精度要求。如使用電加熱，根據系統回路中介質容量的大小選取合適的電加熱。電加熱的功率主要影響升溫時間，可參考5kW/臺集熱器的功率選取。另一種控溫方式為通過控制電加熱電流的大小控制其發熱功率，達到控制溫度的目的。

排氣裝置：閉式系統正常運行最重要的一個要求是無殘留氣體，否則將影響溫度、流量波動，并形成氣蝕對泵及其他部件產生致命影響。排氣的方法可通過外接循環泵循環的方式實現，通過閥門的開關控制水的流向，把閉式回路中的介質循環到外接裝置中，實現排氣。同時，在必要的地方安裝排氣閥實時排出試驗過程中產生的氣體。

測試臺架：測試臺架的設計和安裝首先應滿足GB/T4271—2007的要求。如前所述，測試可以是固定式臺架或跟蹤太陽的臺架，臺架應具有足夠的強度并能抵御大風。對于中溫集熱器測試，為提高測試的工作效率和檢測精度，建議采用自動跟蹤太陽的臺架，標準對臺架精度沒有要求，因此實現難度也不大。

四 系統軟件設計思路

中溫集熱器測試系統軟件設計主要從測試方便性考慮，同時能夠對檢測過程進行監控，對檢測數據進行實時觀測，以適時采取相應動作，提高檢測精度和效率。

如果測試系統采用最常用的Agilent數據采集器，如34970A，可使用其自帶的Agilent BenchLink Data Logger -Ⅲ軟件。軟件中提供了采集的數據類型、數據采集時間間隔、存貯方式等設置項，還可根據需要設置監測參數的曲線，實時觀測各參數變化情況。如可觀察進口溫度變化是否超過±0.1℃，流量變化是否超過±1%，輻照是否達到700W/m2以上等。但該軟件一個重要的不足是沒有數據處理功能，無法進行數據計算，且界面友好性不強。因此有必要設計系統軟件。

系統軟件可采用組態軟件，VC++、VB等實現。軟件應能實現以下功能：

硬件驅動：驅動數據采集器進行數據采集，且能根據需要設置采集參數類型和時間，以及傳感器的參數設置，如電壓信號、電流信號、電阻信號、脈沖信號等。

數據采集：采集和存儲數據。采集頻率可根據需要調整，如1s～1h任意設置， 存儲的數據格式可按要求設定，如csv格式的Excel表。

過程監控：測試過程中實時顯示各數據參數，以曲線的形式顯示，以監控檢測過程是否正常，軟件界面應友好，易操作，如使用組態軟件，可顯示動態運行效果。

數據計算：能夠按照特定的公式計算測試數據，得到集熱器的瞬時效率，并實時顯示。最終測試結果可進行擬合，得到集熱器測試的一次或二次方程，繪制集熱器的效率曲線。

智能篩選和報警：在監控過程中篩選和判斷滿足檢測條件的數據，并提示檢測人員，以適時調整檢測工況，對于超出偏差范圍的數據，及時報警以便檢測人員進行調整。

五 結語

中溫太陽能集熱器的檢測，在我國乃至世界上的開展都非常少。甚至是普通太陽能集熱器的檢測，在我國開展的單位也較少，特別是太陽能企業。在檢測系統硬件方面，國外如SPF、ITW、Fraunhofer、TUV等機構均擁有先進的檢測設備；國內則沒有專業的專門研發生產集熱器測試系統的廠家，提供先進的成套成熟系統。因此，要開展中溫太陽能集熱器檢測，首先需要相關行業或企業提供先進成熟的檢測系統。為此，在山東力諾瑞特新能源有限公司在完成中溫集熱器檢測的經驗基礎上，總結檢測系統的設計思路，供相關技術人員、特別是集熱器檢測系統制造企業或專業隊伍參考，為我國開展中溫太陽能集熱器檢測、研發中溫太陽能集熱器提供必要支持。這樣，太陽能熱利用在工業用熱等中溫領域的應用才能更快實現。當然，太陽能檢測技術還應逐步深入到中溫應用系統檢測領域，為集熱器的實際應用積累數據，為中溫應用系統的成熟發展提供幫助。同時，國家標準的出臺也將對中溫集熱器測試和研發起到有力的推動和促進作用。

[1]霍志臣, 羅振濤.中國太陽能熱利用產業發展研究[J].太陽能,2010, (10): 12－16.

[2]殷志強.探討太陽能熱利用發展[J].太陽能, 2009, (6): 6－9.

[3]GB/T4271-2007，太陽能集熱器熱性能試驗方法[S].

[4]《實用化學手冊》編寫組.實用化學手冊[M].北京：科學出版社, 2001.

[5]http://210.41.240.233/chemisrty/chembiao/cutable9-2.htm.