一種新型太陽能平板集熱器的集熱性能試驗研究★

楊 凡

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

我國太陽能資源豐富，全國2/3以上的地區年總輻射照度在5 000 MJ/m2以上，太陽能熱利用條件相當優越。國外最早對太陽能的熱利用發生在20世紀初，主要是以平板型太陽能集熱器為主。國內太陽能熱利用發生在20世紀中期，初期主要是以平板型太陽能集熱器為主，后期真空管集熱器、熱管集熱器等相繼問世。熱管集熱器由于其高昂的價格在市場中所占的份額較少，真空管太陽能集熱器保溫性能好、抗凍能力也較強，但其不能承壓也容易結垢，且不易與建筑一體化，不是太陽能建筑一體化可推廣的優選方案。平板型太陽能集熱器與真空管集熱器相比，可承壓、免維護、有利于實現建筑一體化，但其抗凍能力差，集熱效率差。為解決這些問題，國內外的專家學者們進行了大量的研究[1-3]，國外學者Dharamvir Mangal研究了風速與環境溫度對集熱器集熱效率的影響；Hull研究了內插型平板集熱器的熱力學性能；H.M.S.Hussein等分析了太陽輻照度、熱管冷凝段和蒸發段尺寸關系對集熱器集熱效率的影響。我國學者袁勝利等研究了復合拋物面反射鏡的熱管太陽能集熱器；許雪松等對CPC型熱管式集熱器進行傳熱分析和實驗；任云鋒等設計了一種CPC型熱管式太陽能集熱器，該型太陽能集熱器提高了集熱溫度和系統的整體集熱效率，也大大降低了系統的熱損失。

2 毛細超導太陽能平板集熱器

2.1 集熱器結構及部件

毛細超導太陽能平板集熱器由鎖熱毛玻璃蓋板、吸熱藍膜、毛細超導吸熱板、保溫層及外殼等部件組成，外形尺寸大小為2 000 mm×1 000 mm×200 mm，四周及底面保溫材料為聚氨酯，外邊框為鋁材，內部為鋼架。毛細超導吸熱板通過焊接的方式固定在鋼架上，上層覆蓋吸熱藍膜及毛玻璃蓋板。集熱器核心部件是毛細超導吸熱板，毛細超導吸熱板由上下兩塊鋁合金板材加壓焊接而成，內置毛細管。毛細管內沖注有體積含量5%～10%的超導液，沖注過程須在壓力容器內完成。每片超導板寬度約為60 mm，長度可隨集熱器尺寸進行定制。 外形圖如圖1所示。

2.2 傳熱原理

超導吸熱板里注入的超導液是一種可相變的混合液體，其中丙酮的成分占到95%以上，是最主要的組成成分。超導液的相變溫度可隨著沖注液配比的不同而進行調整。本次測試的集熱器，相變溫度為40 ℃。太陽照到集熱器的毛玻璃片上，玻璃片上的吸熱藍膜將太陽能進行充分的吸收，這時太陽能轉換為熱能。熱能傳遞到超導吸熱板，吸熱板充分吸收熱量，當熱量吸收到一定的程度，達到超導液的相變溫度時，超導吸熱板底部的超導液在毛細管內發生相變，液態變成氣態，且體積發生膨脹，充滿整個毛細管。

水管與超導吸熱板頂部通過焊接的方式垂直交叉連接，當冷水流過吸熱板時，吸收吸熱板的熱量，溫度提高，從集熱器的另一端流出，進入水箱，從而加熱水箱中的水。該過程一直循環往復，使得水箱里的水溫度一直升高。循環工質流動示意圖如圖2所示。

3 集熱器集熱性能測試

3.1 測試平臺搭建

依據太陽能集熱器性能測試相關標準進行試驗平臺的搭建，集熱器傾角為45°，集熱器上無任何陰影投射，試驗現場如圖3所示。該太陽能集熱器測試平臺測量參數包括：環境溫度、環境風速、傾斜面太陽輻射強度、進口溫度、出口溫度、介質循環流量、水箱溫度等。

將太陽能輻射表按照與集熱器相同的角度安裝好，每日晚將太陽能集熱器表面進行遮擋，第二日早上6:00～8:00更換水箱中的存水，更換完畢，早上8:00移走集熱器表面的遮擋布，開始進行試驗。試驗所用的測試設備均能連續進行讀數且自動記錄，設置數據記錄時間間隔為10 min，并觀察天氣變化。第二天再次按照相同的流程進行試驗，且保證換水時間以及水箱換水量一致。

3.2 測試設備

該太陽能集熱器測試平臺測量參數包括：環境溫度、環境風速、傾斜面太陽輻射強度、進口溫度、出口溫度、介質循環流量、水箱溫度等。環境溫度及環境風速使用的測試設備為組合式氣象站，進口溫度、出口溫度及水箱溫度使用的測試設備為鉑電阻溫度傳感器，循環流量使用的測試設備為熱量表。以上設備均檢定合格且在檢定周期內，設備精度如表1所示。

表1 測試設備性能參數表

4 試驗數據分析

4.1 數據處理依據

根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》中太陽能熱利用系統的集熱系統效率指標來對測試數據進行分析計算。標準中規定太陽能熱水系統的測試周期分為長期測試與短期測試，長期測試周期不少于120 d，且需連續進行。短期測試時間不少于4 d，運行工況應接近設計工況，且短期測試應滿足太陽輻照量區間的要求。對于短期測試，太陽輻照量劃分為4個區間，這4個區間分別為：H<8 MJ/(m2·d)；8 MJ/(m2·d)≤H<12 MJ/(m2·d)；12 MJ/(m2·d)≤H<16 MJ/(m2·d)；H≥16 MJ/(m2·d)。本次集熱性能測試試驗共進行了為期20 d的測試，每日測試時間從上午8:00開始至達到所需要的太陽能輻照量為止。集熱器集熱效率按式(1)～式(3)計算得出：

η=Qj/(A×H)×100

(1)

(2)

(3)

其中，η為太陽能熱利用系統的集熱系統效率，%；Qj為太陽能熱利用系統的集熱系統得熱量，MJ；A為集熱系統的集熱器面積，m2；H為太陽總輻照量，MJ/m2；n為總記錄次數；mji為第i次記錄的集熱系統平均流量，m3/s；ρw為集熱工質的密度，kg/m3；cpw為集熱工質的比熱容，J/(kg·℃)；tdji為第i次記錄的集熱系統的出口溫度，℃；tbji為第i次記錄的集熱系統的進口溫度，℃；ΔTji為第i次記錄的時間間隔，s，不應大于60；x1,x2,x3,x4均為由標準中確定的太陽輻照量在當地氣象條件下按供熱水、采暖或空調的時期統計得出的天數。

4.2 數據處理及結果分析

集熱器集熱性能測試時間為2017年5月11日～2017年5月20日，2017年6月2日～2017年6月11日，共20 d，測試地點為山西省太原市東山某村。根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》中對太陽輻照量的要求，選取測試數據中的兩組滿足太陽輻照量的數據進行分析，根據式(1)～式(3)對測試數據進行計算，數據計算結果如表2，表3所示。

表2 實驗數據結果(一)

表3 實驗數據結果(二)

從表2，表3中的數據可以看出：

1)兩組集熱器性能測試日期相近，集熱器集熱效率變化趨勢基本一致。

2)當太陽能輻照量在區間H<8 MJ/(m2·d)及H≥16 MJ/(m2·d)時，集熱器的集熱效率接近80%，集熱相對較低，在區間8 MJ/(m2·d)≤H<12 MJ/(m2·d)及12 MJ/(m2·d)≤H<16 MJ/(m2·d)時，集熱效率基本在85%以上，集熱效率相對較高。

3)根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》中對太陽能熱利用系統的集熱效率的級別劃分原則，當集熱效率42%≤η<50%時為3級，當50%≤η<65%時為2級，當η≥65%時為1級，從測試結果看，該毛細超導平板型集熱器的集熱效率最高能達到89.6%，最低為60.5%，平均效率為78.6%，均能達到1級。

5 結語

平板型太陽能集熱器是目前市場份額占有量最大的一種太陽能集熱器，也是太陽能光熱利用最常用的集熱器類型，在低碳發展的時代，太陽能利用作為最成熟的可再生能源利用方式，對太陽能集熱器的集熱效率的研究具有重要的意義。作為一種新型的太陽能集熱器， 毛細超導平板太陽能集熱器具有傳統平板集熱器的優點，可承壓、免維護、可實現建筑一體化，同時由于其特殊的結構特點，克服了傳統集熱器抗凍能力差的問題，且集熱效率也較傳統平板集熱器提高很多，具有較好的推廣使用價值。