增效蓋板對平板集熱器熱性能的影響研究

楊 賓，左德功，趙藝茵

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

增效蓋板對平板集熱器熱性能的影響研究

楊 賓，左德功，趙藝茵

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

針對目前平板太陽能集熱器集熱效率低等缺點，本文以平板集熱器為研究對象，搭建了有無增效蓋板的兩組集熱器性能測試平臺，蓋板與相應集熱器最佳夾角固定為120°，每組集熱器采用四塊集熱板串聯，集熱面積為7.76m2．實驗分別對兩組集熱器的瞬時效率和日平均效率進行測試，進而對增效蓋板的作用進行實驗分析．結果表明增效蓋板可以使集熱器瞬時效率提升9%左右，日平均效率可以提高7.3%，同時增效蓋板結構簡單，價格低廉，具有明顯的經濟效益．

平板集熱器；太陽能；增效蓋板；集熱效率；熱性能

0 引言

我國太陽熱水器在生產能力和應用規模上都處于世界首位[1]，熱水器中的光熱轉換部件主要有真空管式、熱管式和平板式3類．其中平板型太陽能集熱器有其獨特的優勢，適合作為建筑一體化構件．平板太陽能集熱板的結構主要由透明蓋板、保溫層、吸熱板、外殼等幾部分組成．蓋板的主要作用是產生溫室效應；保溫層可以降低集熱體的熱損失；吸熱板可以吸收太陽輻射能并向水傳遞熱量；外殼將吸熱板、蓋板、保溫層組成一個整體．在新型平板集熱器的研制方面，目前學術界主要針對平板集熱器本身的固有結構加以改進或研制新型材料，西安交通大學的鄭宏飛等人開展了窄縫高真空平面玻璃用于太陽能集熱器蓋板的實驗研究2．山東大學的高立峰研究了平板集熱器中的選擇性吸收涂層并對管板式金屬流道集熱器和不銹鋼全流道集熱器進行了優化設計[3]．哈爾濱工業大學的汪艷偉等人通過改善集熱器透明蓋板提高集熱器效率[4]．中國科學技術大學的季杰等人提出了一種新型的“L”型翅片的雙效太陽集熱器，并在不同的工況下對其做了熱性能測試[5]．可以看出，通過改變集熱器蓋板或更換新型材料來提高集熱器性能的方式，看似可行，但大大增加了集熱器成本，平板集熱器的集熱效率有所提高，但效果并不明顯．本文對安裝反射聚光裝置的平板集熱板進行實驗研究，增效蓋板看似結構簡單，但價格低廉，安裝方便，收效比明顯，同時惡劣天氣也可以起到保護平板集熱器的作用，具有一定的工程意義．文中對平板集熱器安裝了增效蓋板，論述了增效蓋板的安裝角度，并對增效蓋板對集熱器瞬時效率、日平均效率的影響進行了實驗研究．

1 增效蓋板結構原理圖

太陽能聚光增效蓋板的基本作用是將太陽光反射到集熱板上，增加照射到集熱板上的太陽光能流密度，間接實現增加產熱量的目的．蓋板的安裝位置有集熱板上邊沿和集熱板下邊沿2種，考慮到結構承載能力及蓋板的安裝不能遮擋投射到集熱板上的太陽光的基本要求，當集熱板傾角較小時蓋板宜安裝在集熱板上邊沿，集熱板傾角較大時蓋板宜安裝在集熱板下邊沿，并且蓋板與集熱板間夾角都應為一鈍角．圖1為太陽能聚光增效蓋板安裝在集熱板上邊沿時的示意圖，其中1太陽能聚光增效蓋板，2集熱板，3集熱板支架，4蓋板后支撐，5轉軸．加裝太陽能聚光增效蓋板的集熱器完整組合應包括聚光增效蓋板、太陽能集熱器、太陽能集熱器支架、聚光蓋板后支撐、蓋板轉軸、蓋板活動拉桿、拉桿上支點、拉桿下支點、活動拉桿緊固螺絲、L型支架．由蓋板活動拉桿、L型支架、聚光蓋板后支撐組成一個三角形的穩定結構，支撐著聚光增效蓋板．蓋板活動拉桿兩端是可拆卸結構，最簡單的是螺絲和帶搬手的螺母，實現了連上蓋板活動拉桿后起到聚光效果，卸下蓋板活動拉桿后聚光增效蓋板就成為蓋板．蓋板的活動拉桿是可以伸縮的，伸縮的目的是用于調整聚光版的正確角度，使反射光線最大程度落在太陽能集熱器上．同等面積的太陽能聚光增效蓋板造價是集熱板造價的十分之一，理想狀態下，蓋板面積等于集熱板面積時，太陽直射集熱板時，集熱板上光照度可增加50%，產熱量可增加25%以上，這大大提高了太陽能利用的經濟性[6]．圖2為聚光增效蓋板實物圖，增效蓋板安裝在集熱板下部，蓋板上部用細鐵絲連接集熱器上端加以固定．

圖1 太陽能聚光增效蓋板結構圖Fig.1 Structure diagram of the solar concentrating efficiency glazing

圖2 聚光增效蓋板實物圖Fig.2 Physicaldiagram of the concentrating efficiency glazing

2 聚光增效蓋板最佳夾角

本實驗在集熱板上裝設了太陽能聚光增效蓋板，蓋板安裝位置有集熱板上邊沿和集熱板下邊沿兩種，考慮到設備搭建簡易、操作方便的需求，選擇將聚光增效蓋板裝設在集熱板下邊沿，這樣便于對蓋板進行維護調整．太陽能聚光增效蓋板的最佳安裝角度可由計算得出，在正午太陽高度角為50°的條件下，集熱板安裝傾角應為40°，這樣可以得出太陽能聚光增效蓋板與集熱板間夾角為120°時為最佳安裝角度，原理如圖3所示．

圖3 太陽能聚光增效蓋板安裝角度計算Fig.3 Installation angle calculation of thesolar concentrating efficiency glazing

需要指出最佳安裝夾角為120°的結論并不是僅僅適用于正午太陽高度角50°，集熱板傾角40°這一種情況．當正午太陽高度角變化時，集熱板最佳安裝傾角也隨之變化，此時蓋板最佳位置與水平面的夾角有所變化，但蓋板與集熱板間夾角始終保持120°，究其原因，是由于蓋板在最佳安裝角度下始終要保證蓋板頂端能反射太陽光恰好到集熱板頂端，而集熱板幾何長度與蓋板幾何長度具有等邊關系，這樣就使得蓋板與集熱板最佳夾角固定在了120°．

3 實驗測試

3.1 實驗測試原理及測試儀器

如圖4所示，為準確對比增效蓋板的作用，考慮到影響因素較多，其中需確保集熱器進口水溫、管路長度、集熱器傾角和方位角一致，因此需采取一種合理的測試手段．圖4中集熱器組1未安裝增效蓋板和集熱器組2安裝增效蓋板（后面簡稱遠端和中端）并聯且并排放置，傾角和方位角相同以保證兩組集熱器接受的太陽輻射量相同．

圖4 實驗測試原理圖Fig.4 The principle diagram of the test

實驗時，開啟水泵，通過觀測測溫點2、4的溫度差異，判斷水路熱量輸配情況，即水路的平衡性．分別在集熱器組的進水口和出水口布置了測溫點，并在進水口測安裝流量表，以此來計算集熱器的得熱量，同時集熱水箱內部分別在上、中、下布置了3個測溫點，觀測水箱內水溫的變化．環境溫度計放置在無太陽直接照射的陰影下，距集熱器10 m以內，自動采集數據，太陽輻射量采用全天候光伏數據記錄儀，其傾角與集熱器組傾角相同，自動采集記錄．

實驗需要測量的數據主要有太陽能輻射數據以及不同位置的溫度數據．

太陽輻射測量采用SOLAR-1型太陽能輻射儀（如圖5所示），儀表的工作環境在 40～80℃之內，相對濕度小于 90%，準確度為0.5%，內分辨率為±1V和TBQ-2-B型太陽能總輻射表（如圖6所示），輻射值測試范圍為0～2000W/m2，測試精度小于2%，可以準確測量太陽能總輻射、輻射時累計值和輻射日累計值數據，采集數據時使輻射表平面與集熱器采光面平行，這樣可以直接得到相應角度下的太陽能輻射數據，包括直射輻射和散射輻射，省去了公式換算的麻煩．

圖5 SOLAR-1型太陽能輻射儀Fig.5 SOLAR-1 solar radiometer

圖6 TBQ-2-B型太陽能總輻射表Fig.6 TBQ-2-B solar pyranometer

圖7 GP20溫度記錄儀Fig.7 GP20 temperature recorder

圖8 CRL-H戶用超聲熱量表Fig.8 CRL-H household ultrasonic heatmeters

溫度數據的采集采用T型熱電偶，傳遞的電勢差信號由圖7所示的YOKOGAWA的測溫儀器GP20轉換為溫度信號并顯示，測量范圍為 20～1 320℃，測量精度為0.05%．為了準確記錄系統的得熱量和流量數據，本實驗還裝設了熱量表，熱量表選用匯中CRL-H戶用超聲熱量表（如圖8所示），該儀表測溫范圍4～95℃，最小配對溫度誤差±1℃，累計流量分辨率0.001m3，準確度等級為二級，分別在兩組集熱器進水口出處裝設．儀表精度滿足本次實驗測試需求．

3.2 實驗數據分析

3.2.1 瞬時效率

參考國家標準GB/T 18708-2002[7]和GB/T 4721-2007[8]以及各類文獻，對于集熱器瞬時效率采用瞬時法．瞬時法要求在穩態或準穩態的條件下進行，是對應于一個開式的系統，需要測定流經集熱器的工質質量流量、工質進出口溫差和集熱器采光面上的太陽總輻照度．本實驗數據記錄間隔足夠短（5m in），可以近似認為是穩態，集熱器部分是典型的開式系統，所以本實驗條件滿足瞬時法的測定需求，可應用瞬時法測定集熱器的瞬時效率．

太陽能集熱器瞬時效率指在穩態工況下，在此時間段內由換熱介質從集熱裝置上所獲得的熱量與這段時間段內集熱器采光面所接受的太陽輻射量的比值．

經實驗測試，數據分析得到連續4天內中端組和遠端組瞬時效率曲線見下圖9（實驗設定集熱器傾角為30°，方位角均為0°，并保證集熱器采光面上的太陽總輻照度大于700W/m2）．

圖9 有無增效蓋板集熱器瞬時效率對比圖Fig.9 Comparision of the instantaneousefficiency of the solar collecterw ith andw ithoutefficiency glazing

從圖9可以看出，集熱器的瞬時效率并不穩定，但總體趨勢一致，呈駝峰型變化，約在12：30分左右達到最大值．根據傅里葉定律及牛頓冷卻定律，工質升溫的速率與傳熱溫差的大小成正比，傳熱溫差的擴大可以直接影響工質升溫速率的提高．結合圖9中4幅圖效率曲線的走向和對應時刻集熱器采光面上太陽總輻照度的值，發現集熱器的瞬時效率和太陽輻照度的值有強烈的對應關系，在連續運行的條件下，集熱器的瞬時效率值的升高基本是伴隨著太陽輻照度的升高，而太陽輻照度的降低將直接導致集熱器瞬時效率的降低．太陽輻照度達到一天的峰值時，集熱器瞬時效率曲線的斜率也趨近為0，此時工質升溫的推動力最強，也即傳熱溫差最大．隨后太陽輻照度減弱，集熱器瞬時效率曲線也呈下降趨勢．從圖9中可以看出，安裝有增效蓋板的集熱器組瞬時效率明顯比未安裝增效蓋板的集熱器組瞬時效率高，以4月21日集熱器瞬時效率為例，可以看到遠端組和中端組集熱器的瞬時效率變化曲線大致一致，但中端組在10點左右的升溫幅度要高于遠端組的升溫幅度，增溫幅度明顯，2組集熱器瞬時效率最大值基本在同一時刻出現，中端組最大值為0.47左右，而未安裝增效蓋板的遠端組瞬時效率最大值為0.37左右．

表1 增效蓋板效果數據表Tab.1 Data tableof the efficiency glazing effect

數據整理得到表1，可以看出太陽能聚光增效蓋板起到增加集熱器集熱效率的作用，實際運行中將集熱器組進出口溫差的差值提升將近2℃，瞬時效率最大值平均提高了9%左右，熱效率增效比例最大值會可達到23%以上．通過改變集熱器構造或者采用高性能材料的方法提高集熱器效率會花費很高的費用，得不償失，然而增效蓋板價格低廉，生產工序簡單，作用顯著，具有很高的實用價值．

3.2.2 日平均效率

太陽能集熱器的日平均效率是描述集熱器性能的另一個重要指標，它具有一定的穩定性．其定義為在有太陽輻照條件下的一定時間內，太陽能集熱器貯水所獲得的熱量與照射到太陽能集熱器采光面上的太陽輻射能量之比．在本實驗中水箱的得熱來自兩組集熱器的共同作用，所以每組集熱器的得熱量取CRL-H戶用超聲熱量表的數據．

篩選輻射量在8～25MJ/m2范圍內不同日期下兩組集熱器的日平均效率數據表匯總如表2，并整理成折線圖如圖10．

表2 有無增效蓋板的集熱器組日平均效率數據表Tab.2 Data table of the average efficiency of the solar collecterw ith and w ithoutefficiency glazing

從上圖10可看出未安裝增效蓋板的集熱器組日平均效率約在0.349左右，而安裝增效蓋板的集熱器組日平均效率在0.422左右．日平均效率提高了7.3%，可以看出增效蓋板對提高集熱器效率有顯著的幫助，相對于改變集熱器內部結構和更換集熱器蓋板材料的方法有很好的經濟性，增效蓋板安裝方便，當集熱器暴曬時，伸長增效蓋板背后的活動拉桿，將增效蓋板覆蓋到集熱器上，對集熱器起到保護作用．

圖10 有無增效蓋板日平均效率對比圖Fig.10 Comparision of theaverageefficiency of the solar collecterw ith and withoutefficiency glazing

4 結論與建議

本文搭建的平板式太陽能集熱器實驗平臺，為了提高數據的準確性和可靠性，減少單一集熱器不確定因素帶來的誤差，將4塊同類型集熱器以串并聯的方式形成集熱器組作為研究對象，通過遠端和中端兩組集熱器組（有無增效蓋板差異）進行對比，通過理論分析和實驗數據處理得出結論如下：1）一天中系統的瞬時效率呈現駝峰型變化趨勢，總是先增大后減小，變化區間為30%～50%，約在12:30左右達到峰值，在早8:00之前和下午15:00之后系統效率會變得很低．2）太陽能聚光增效蓋板具有良好的應用價值，在實際測試中可以使集熱器瞬時效率提升9%左右，熱效率增效比例最大值可達到23%以上，日平均效率可以提高7.3%，增效蓋板結構簡單，價格低廉，具有明顯的經濟效益，同時也使太陽能供暖更加具有可行性．3）蓋板與集熱板最佳夾角固定為120°，增效蓋板的出現，不僅能提高集熱器的熱效率，而且當夏天集熱器出現過熱現象時，將增效蓋板反蓋到集熱器上，也可以起到防護的作用．

[1]羅振濤，霍志臣．我國太陽熱水器產業發展現狀 [J]．太陽能，2003（1）：5-7．

[2]鄭宏飛，吳裕遠，鄭德修．窄縫高真空平面玻璃作為太陽能集熱器蓋板的實驗研究 [J]．太陽能學報，2001，22（3）：270-273．

[3]高立峰．新型平板太陽能集熱器研制及與建筑一體化應用研究 [D]．濟南：山東大學，2013．

[4]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．

[5]季杰，馬進偉，孫煒，等．一種新型雙效太陽能平板集熱器的光熱性能研究 [J]．太陽能學報，2011，32（10）：1470-1474．

[6]楊尊峰，曹金玲．太陽能聚光增效蓋板：中國，CN204084887U[P]．2015-07-01．

[7]GB/T 18708-2002，家用太陽熱水系統熱性能試驗方法 [S]．

[8]GB/T 4271-2007，太陽能集熱器熱性能試驗方法 [S]．

[責任編輯 田 豐 夏紅梅]

Research of theeffectof theefficiency coverplate on the thermal propertiesof the flatplate collector

YANG Bin，ZUO Degong，ZHAO Yiyin

(Schoolof Energy and EnvironmentEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Flat plate solar collectors have a relatively low collection efficiency and other problems.This paper chooses flatplate collectorw ith efficiency cover plate as the research object,efficiency cover platew ith the flatplate collector is fixed to the bestangle of 120°,and each group uses four collector plate collector in series,collector area of 7.76m2. Two groups of collector instantaneousefficiency and average daily efficiency were respectively tested in the experiment, and then the experimentalanalysiswas carried outon the cover plate of the synergies.Experiments show thatefficiency coverplate canmake the collector instantaneousefficiency by about9%.Theaverage daily efficiency can be increased by 7.3%.With a simple structure and low price,the efficiency coverplate has the obviouseconom ic benefits.

flatplate collector;solarenergy;efficiency cover plate;heatcollection efficiency;heatperformance

TK513

A

1007-2373(2016)02-0068-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.012

2015-09-21

“十二五”國家科技支撐計劃重大項目（2012BAJ06B04）；河北省高等學校科學技術研究項目（QN2015028）；國家國際科技合作專項（2014DFA60750）；天津市教委科研計劃項目（20140418）

楊賓（1980-），男（漢族），講師，博士．