聚光法檢測太陽能熱水器熱性能研究

安徽省產品質量監督檢驗研究院 ■ 朱雙四

中國科技大學 ■ 鄭愛芬 楊義紅

1 研究背景

1.1 “節能減排，發展綠色低碳經濟”的發展戰略極大地促進了太陽能熱水系統的發展

黨的“十八大”提出了建設“美麗中國”的偉大藍圖和“節能減排，發展綠色低碳經濟”的發展戰略。太陽能熱水系統作為低碳環保產品得到了快速的發展。據《2013年中國太陽能熱利用行業報告》數據顯示，2013年是我國經濟結構調整的關鍵一年，在中央穩增長、調結構、促進改革方針的指導下做出了不斐的成績。工程市場仍保持50%以上的增速在發展。

據初步調查統計，2013年全玻璃真空管總銷量為5706萬m2，與2012年基本持平。平板集熱器產品增長明顯，2013年產量為650萬m2，與2012年同比增長27.3%。2013年我國太陽能集熱器總銷量約為6600萬m2，與2012年6390萬m2同比增長3.3%，總產值超過千億，做到穩中有升。保有量為31000萬m2，同比增長20.3%，比2003年增長了60倍。

2013年熱水器產品出口為3.22億美元，與2012年同比增長7.3%。

1.2 行業快速發展的同時暴露出一些質量問題

由于市場前景廣闊，投資回報率高，太陽能熱利用行業近年來得到廣泛的普及與發展。但是，目前國內太陽能熱水系統企業中真正擁有自主研發能力和規?；a能力的企業為數不多，很多小作坊企業生產工藝落后、質量管理混亂、產品性能不過關，存在偷工減料、粗制濫造現象。一些質量低劣、存有較大質量安全隱患的太陽能熱水系統憑借低廉的價格在市場銷售，給消費者帶來了安全隱患甚至是安全事故，阻礙中國太陽能熱利用行業的進一步快速發展，這從一定程度上對全國各地的檢測部門也是一種督促，迫使檢測部門進一步提高檢驗能力。在檢測設備研發、檢測技術設備改造等方面加大力度，根據產業發展以及檢測需求，應及時對技術、產品的更新提出新的評判和驗證方法標準，同步更新檢測設備。

1.3 太陽能產品國家標準的試驗方法要求

國家標準GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統技術條件》[1]要求熱性能測試至少有1天的全天8 h輻照總量大于16 MJ/m2。然而，全年中日太陽輻照量大于16 MJ/m2的天數較少(見圖1)，該試驗條件一定程度上限制檢驗機構的檢測天數，導致各質檢部門檢測天數不足，無法對家用太陽熱水系統類產品進行及時有效檢測。

圖1 部分地區輻照量[2]

2 研究內容

2.1 太陽模擬器測試

已有的方式利用太陽能模擬器進行室內實驗，少數較大太陽能企業和科研院所斥巨資建立室內檢測實驗室，并在實驗室中配置了太陽模擬器。

太陽模擬器的不足為：1) 長時間使用，輻照不均勻度超15%(見圖2)；2) 實際光譜中紅外光占比遠超過自然光；3) 燈管壽命短，耗電量巨大，運行維護費用極高；4) 太陽模擬器與自然光的光譜匹配誤差較高，A級不超過25%，B級不超過35%[3]；5) 室內環境與室外環境，尤其天空輻射與空氣紊流差異極大。

圖2 太陽模擬光源的半邊輻照分布測試圖

2.2 聚光法測試模型(見圖3)

圖3 聚光法測試平臺模型

采取平面反射與跟蹤太陽光方式，試驗平臺通過反射聚光配合東西方向單軸跟蹤來增加平臺太陽輻照量，可根據需要選擇是否使用反射面，保證輻照均勻度及光譜與自然光一致(平面鏡反射率為95%～98%)。自然光狀態下日累積太陽輻照量達到12～16 MJ/m2時，平臺能通過聚光使輻照量達到16 MJ/m2以上，測試在室外進行，保證環境與自然環境一致。采用可調平面反射聚光與一維跟蹤的方式，裝置易操作，成本較低。平面聚光器保證了聚光后的輻照均勻度與自然光一致；單軸跟蹤保證了平臺運行的平穩性，降低了跟蹤復雜程度，可使集熱器在檢測周期內傾角保持固定不變。

聚光法測試的特點：1) 平面鏡反射的光斑可覆蓋集熱器的整個集熱面；2) 平臺經過初次調試后，便可自動運行，具有較高自動化程度和運行平穩性；3) 只需將測試樣品擺放角度輸入軟件，反射鏡即可自動調整俯仰角跟蹤聚光；4) 可根據不同地區的日照角度設置平臺水平跟蹤運轉路徑；5) 平臺日常維護工作較簡單，只需注意反射鏡面的清潔，以及運行一定周期后平臺的校零。

3 研究結果

3.1 輻照均勻度性能測試

經實驗測試，平臺輻照光斑均勻度偏差在3% 內 (見表 1)。

3.2 平臺輻照量及聚光倍率性能測試

經理論和實驗驗證，平臺太陽輻照滿足需要：環境太陽輻照量在12～16 MJ/m2時，平臺輻照量達16 MJ/m2以上(見圖4)。平臺輻照量及聚光倍率性能測試，根據日輻照量在10.2～18.5 MJ/m2的數據點進行線性擬合，得到聚光測試平臺的聚光比為1.4537，如圖5所示。

表1 輻照均勻度測試部分數據

圖4 聚光測試平臺輻照量對比

圖5 聚光測試平臺擬合聚光比

3.3 平板與常規熱性能測試的對比

3.3.1 同一型號規格的兩個產品

同一型號規格的兩個產品在同一天測試，分別在平臺上測試和常規測試熱性能，測試結果如圖6所示，數據來源于2014年3月15日。

圖6 同一型號規格的兩個產品同一天測試比較

平臺試驗測得日平均效率為0.441；常規試驗測得日平均效率為0.440；二者偏差為0.2%。

3.3.2 同一臺熱水器

同一臺熱水器分別放在平臺上和自然光狀態下的試驗對比，結果如圖7所示。數據分別來源于2014年3月17日(常規試驗)和 2014年3月15日(平臺試驗)。平臺試驗測得的日平均效率為0.441；常規試驗測得的日平均效率為0.442；二者偏差為0.2%。

圖7 同一臺熱水器在平臺上和自然光試驗對比

4 聚光法測試平臺實現的技術指標和創新點

1) 自然光狀態下，日累積輻照量在12～16 MJ/m2時，平臺可通過跟蹤聚光，將累積輻照量提高到16 MJ/m2以上，擬合聚光比為1.45。

2) 平臺的輻照均勻度滿足試驗要求，輻照度偏差可控制在±3%內。

3) 平臺測試和自然狀態下測試結果具有較高一致性(測試結果偏差為0.2%)。

4) 平臺結構簡單，體積較小，運行較穩定，維護成本較低。測試平臺滿足了項目最初設定的技術指標，初期研究告一段落。為進一步提高平臺的可靠性和實用性，需進行進一步的研究和大量的數據積累。

[1] GB/T 19141-2011,家用太陽熱水系統技術條件[S].

[2] GB/T 50801-2013,可再生能源建筑應用工程評價標準[S].

[3] GB/T 12637-1990,太陽模擬器通用規范[S].