典型太陽能集熱器熱性能研究

山東省產品質量檢驗研究院 ■ 顏士峰 閆崇強劉華凱 楊巖冰

濟南大學物理科學與技術學院 ■ 陳洪亮

典型太陽能集熱器熱性能研究

山東省產品質量檢驗研究院 ■ 顏士峰 閆崇強*劉華凱 楊巖冰

濟南大學物理科學與技術學院 ■ 陳洪亮

以當今市場保有量最高的兩種典型太陽能集熱器——全玻璃真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器為研究對象,從能量傳遞角度，構建了太陽能集熱器在理想狀態下的熱效率模型，并依據模型計算了極限熱效率；最后對兩種太陽能集熱器做了熱性能測試實驗，并使用最小二乘法擬合出太陽能集熱器瞬時熱效率與歸一化溫差的關系，對比兩種太陽能集熱器在同一實驗條件下的極限熱效率和熱損失系數，并驗證了該模型的正確性。

太陽能集熱器；熱效率測試；熱損失系數；極限熱效率

0 引言

太陽能集熱器作為家用太陽能熱水系統的核心集熱元件，其熱性能直接影響到家用太陽能熱水系統的有用得熱量。國內外學者對太陽能集熱器做了大量研究。張彥峰等[1]對處于自然集熱狀態下太陽能集熱器中的對流問題做了分析，解決了在傾角不同的情況下，對流熱損失與空氣夾層間距的關系。Bhagoriaetal等[2]在平板型太陽能集熱器吸熱板上方空間安置聚四氟乙烯膜，能使太陽能集熱器效率小幅提高，并研究了構成膜的分子形狀對太陽能集熱器效率的影響。Kundu[3]構建了平板型太陽能集熱器的動態模型，在該模型中，考慮了在集熱過程中溫度的變化對整個太陽能集熱器熱損系數和導熱系數的影響，并提出了在不同輻照度和環境溫度下的優化措施。然而，上述研究對全玻璃真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器的熱性能未作比較研究。

本文針對上述問題，以典型的全玻璃真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器為研究對象，以期通過比較研究，為家用太陽能熱水系統集熱器元件的選型提供參考。

1 實驗臺的搭建

圖1、圖2分別為全玻璃真空管型和平板型太陽能集熱器的結構圖。全玻璃真空管型太陽能集熱器的采光面積為1690 mm×58 mm×15=1.47 m2平板型太陽能集熱器的采光面積為1955 mm× 750 mm=1.47 m2。

圖3為太陽能集熱器熱性能實驗平臺示意圖。本實驗使用水作為工質，系統所需要的動力由泵提供，當太陽光照射到太陽能集熱器上時，水由泵驅動進入集熱器，在集熱器中受熱升溫，太陽輻射能就轉化成儲存在工質中的熱能。該太陽能集熱器熱性能測試系統能將工質的入口溫度控制在設定溫度±0.1℃以內，實驗期間的實際

溫度波動小于0.1℃。太陽能集熱器進、出口溫度的測量采用Pt1000溫度傳感器，測量精度為±0.1℃，分辨率為0.1℃；太陽輻照強度的測量采用1級太陽輻照表，流量的測量采用流量計；實驗數據的記錄采用Agilent 34970A數據采集儀采集，記錄步長為20 s。

圖1 全玻璃真空管型太陽能集熱器結構圖

圖2 平板型太陽能集熱器結構圖

圖3 太陽能集熱器熱性能實驗平臺示意圖

2 理論分析

2.1 太陽能集熱器的熱效率方程

太陽能集熱器實際獲得的有用功率Qu為：

式中，m為工質質量流量，kg/s； ΔT為進出口溫度之差，℃；cf為對應于工質平均溫度的傳熱工質比熱容，J/(kg·℃)。

當以太陽能集熱器采光面積As作為參考標準時，集熱器接收的太陽輻射功率為AsG。所以太陽能集熱器效率ηa為：

式中，G為輻照強度，W/m2。

瞬時熱效率η的表示應使用最小二乘法進行曲線擬合[4-7]得出，其方法公式為：

或

在擬合時，應根據擬合的緊密程度來選擇一次或二次曲線，如果a2的計算值為負數，則應選擇一次擬合；利用二次擬合結果繪制曲線時，G取800 W/m2。

2.2 傳熱模型的建立

太陽能集熱器在運行時，自身與外界環境，以及內部各組件中均會發生能量交換，是一個復雜的過程。本著真實體現熱量在太陽能集熱器中傳遞過程與簡化的目的，對數學模型進行如下假設：

1) 兩種類型的太陽能集熱器均有良好的對稱性，所以假設太陽輻射均勻分布；

2) 只考慮大部分熱量的傳遞；

3) 換熱過程處于穩態；

4) 假設不存在溫度在真空管徑向分布不均的現象；

5) 只考慮主要熱損。

由于太陽光均勻分布，太陽能集熱器采光

面各區域接收的輻射均相等，假設太陽光入射到外玻璃表面單位面積上的輻照為G1，外玻璃的透過性系數為x1，太陽輻照穿過外玻璃后即變為G1x1；然后照射到選擇性吸收涂層上，選擇性吸收涂層的吸收率設為x2，則轉化的太陽輻照能為G1x1x2；此過程在全玻璃真空管型與平板型太陽能集熱器中相同。在全玻璃真空管型太陽能集熱器中，熱量通過內玻璃管傳遞給管內工質(由于內玻璃管壁很薄，所以此處的熱傳導過程忽略)，所以這個傳遞過程可看成對流換熱；在平板型太陽能集熱器中，熱量通過焊點與銅管壁傳遞給工質。設全玻璃真空管型太陽能集熱器傳熱系數為λ1、平板型太陽能集熱器傳熱系數為λ2。

經過以上分析可以得出，在全玻璃真空管型太陽能集熱器中，實際獲得的有用功率為：

在平板型太陽能集熱器中，實際獲得的有用功率見式(7)：

對于x1和x2的值，可使用分光光度計來測量。在實驗中，選擇30個相同樣本進行玻璃透過率和選擇性吸收涂層吸收率的測試，1～15號為全玻璃真空管型太陽能集熱器，16～30號為平板型太陽能集熱器，測試結果如表1所示。

由表1可得出，在全玻璃真空管型太陽能集熱器中，15個樣本的玻璃透過率平均值約為91%，選擇性吸收涂層吸收率樣本平均值約為90%。故可以取x1為91%，x2為90%。同理，在平板型太陽能集熱器中，15個樣本的玻璃透過率平均值約為91%，選擇性吸收涂層吸收率平均值約為89%。

根據30組實驗結果，當全玻璃真空管型太陽能集熱器處于穩態集熱時，其傳熱系數為0.9；當平板型太陽能集熱器的吸熱板與工質流道的焊點為銅時，熱量從銅表面傳遞給工質的平板型太陽能集熱器傳熱系數為0.89。

表1 全玻璃真空管型與平板型太陽能集熱器外玻璃透過率與選擇性吸收涂層吸收率

圖4 全玻璃真空管型集熱器玻璃管透過率與涂層吸收率

圖5 平板型集熱器玻璃透過率與涂層吸收率

所以在全玻璃真空管型太陽能集熱器[8,9]中：

在平板型太陽能集熱器中：

上述兩種類型太陽能集熱器的瞬時熱效率都可用式(10)表示：

代入可得，全玻璃真空管型太陽能集熱器：

平板型太陽能集熱器：

在太陽能集熱器工質溫度與環境溫度相同情況下，效率模型后半部分為零。可以得出，對于全玻璃真空管型太陽能集熱器極限瞬時熱效率η0=73.71%；對于平板型太陽能集熱器極限瞬時熱效率η0=72.08%。

3 實驗結果分析與模型驗證

3.1 實驗結果分析

太陽能集熱器置于追蹤平臺上，可使其隨太陽方位變化而變化，保持集熱面與太陽光入射面成90°；實驗平臺附近沒有高大建筑物對太陽能集熱器表面造成投影；在可視的范圍內，無大量玻璃和水等易于反射太陽光的物體。

集熱工況進口溫度的篩選主要依據太陽能集熱器的最高工作溫度與環境溫度，考慮到平板型太陽能集熱器的工作溫度較低，進口最高溫度選為66℃，在環境溫度與最高溫度間，等間距的選擇2個溫度點，每個溫度點選取4個獨立數據，求平均值。

表2為全玻璃真空管型和平板型太陽能集熱器的相關數據。

表2 全玻璃真空管型和平板型太陽能集熱器的相關數據

依據表2 中的數據可以繪出以太陽能集熱器采光面積為參考的瞬時熱效率與歸一化溫差的關系曲線圖，如圖6所示。

圖6 全玻璃真空管型與平板型太陽能集熱器瞬時熱效率

根據公式(5)對上述數據進行線性擬合，計算結果為：

對于全玻璃真空管型太陽能集熱器：η0=0.7541，UL=2.2258

對于平板型太陽能集熱器：η0=0.7455；UL=5.8512。

在擬合曲線中，當x=0時，表示歸一化溫差為零，此時對應y的值代表了太陽能集熱器的極限瞬時熱效率，斜率代表熱損失系數。結合圖6可得，兩種類型太陽能集熱器的極限瞬時熱效率相差較小，均達到了75%左右。但是，代表全玻璃真空管型太陽能集熱器瞬時熱效率直線的斜率絕對值遠小于平板型，所以在實際相同的集熱條件下，全玻璃真空管型太陽能集熱器的熱效率更高，可以產生更多的有效熱能。

圖7為全玻璃真空管型和平板型太陽能集熱器熱效率與進口工質溫度的關系，可以看出，隨

著進口工質溫度的增加，兩種類型太陽能集熱器熱效率均呈降低的趨勢。這是因為太陽能集熱器在集熱過程中，不斷吸收太陽輻射，溫度不斷升高，當太陽能集熱器溫度遠高于周圍環境溫度時，由于其自身保溫性能的不足，必然要通過太陽能集熱器表面向外以熱輻射和對流換熱的方式散發大量的熱量；隨著集熱的不斷進行，熱損失隨太陽能集熱器進口工質溫度的提高不斷加劇，太陽能集熱器有用能量輸出相應減小，效率就會降低。

圖7 全玻璃真空管型和平板型太陽能集熱器熱效率與進口工質溫度的關系

隨著進口工質溫度的不斷升高，平板型太陽能集熱器效率降低程度高于前者。這是因為隨著太陽能集熱器溫度不斷升高，熱損失越來越大，對于平板型太陽能集熱器來說，由于保溫性能不足，當工質溫度升高至某一溫度點時，吸熱板吸收的熱量等于向外散發的熱量，此時不能集熱；而全玻璃真空管型太陽能集熱器有真空隔熱層，其保溫性能優于平板型太陽能集熱器，能有效隔絕熱量的散失。這也是平板型太陽能集熱器只能作為低溫集熱器的原因。

3.2 模型驗證

當歸一化溫差為零時，全玻璃真空管型太陽能集熱器的極限瞬時熱效率為0.7541，模型預測為0.7371，標準差為0.017；平板型太陽能集熱器的極限瞬時熱效率為0.7455，模型預測為0.7208，標準差為0.0247。由此可看出，理想條件下的模型能較好的符合實際測試結果，具有比較好的可靠性。

4 結論

本文針對兩種典型太陽能集熱器，分析了影響太陽能集熱器熱性能的因素及其熱性能測試的理論基礎，對兩種類型太陽能集熱器做了熱效率試驗，擬合出集熱器熱效率與歸一化溫差變化曲線，對比了兩種太陽能集熱器在同一試驗條件下的極限熱效率和熱損失系數，對太陽能集熱器熱性能研究得出以下結論：

1)依據本文構建的數學模型計算得出全玻璃真空管型太陽能集熱器的極限瞬時熱效率為0.7371，平板型為0.7208；實際測得全玻璃真空管型太陽能集熱器極限瞬時熱效率為0.7541，平板型為0.7455，計算結果與實驗結果較符合。

2)在相同實驗條件下，平板型太陽能集熱器的熱損失系數遠大于全玻璃真空管型太陽能集熱器的熱損失系數；兩者在沒有熱損的理想條件下，集熱效率相差不多。

3)兩種太陽能集熱器的熱效率均隨著進口工質溫度的增加而降低，并且平板型太陽能集熱器降低的幅度遠大于全玻璃真空管型太陽能集熱器。

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2016-06-14

山東省科技計劃資助項目(2015KYZ11)

閆崇強(1987—)，男，碩士，主要從事太陽能熱利用方面的研究。412536181@qq.com