碳塑平板太陽能集熱器性能試驗研究

路 穎，李緒泉，田 然，董捷睿，黃 禎，于慧俐

(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266525)

隨著傳統能源的枯竭和全球氣候變暖，能源結構向可再生能源轉型已成為必然趨勢[1]。太陽能因其取之不盡，綠色環保的特性，成為傳統能源的最佳替代能源[2]。平板太陽能集熱器由于結構簡單、承壓高，利于與建筑配合等優點，廣泛應用于低溫太陽能系統中[3-4]。但同時傳統平板集熱器采用鋁、銅等金屬材料，存在著質量大、易結垢、耐腐蝕性差、價格高等問題[5-6]。李久鋒等[7]對塑料太陽能平板集熱器性能進行試驗研究，發現該集熱器的日平均效率為51%～55%。塑料與金屬相比，具有導熱系數小、比熱小，吸熱慢等缺點。為了克服上述平板太陽能集熱器的缺點，本文對一種碳塑平板太陽能集熱器進行室外穩態效率試驗，研究其集熱性能，并與傳統平板和塑料平板集熱器的熱性能進行對比，擬解決傳統平板集熱器制造成本高、排管易腐蝕和塑料平板集熱器效率低等問題，為碳塑平板太陽能集熱器的推廣應用提供指導。

1 碳塑平板太陽能集熱器結構

碳塑平板太陽能集熱器主要由4部分組成，如圖1所示。

圖1 碳塑平板集熱器結構

1) 吸熱板為鋁合金材質，采用翼管式結構，由排管、傳熱平板和集管構成，表面積為0.794 m2；排管內徑28 mm，采用超聲波漲接技術將新型塑料與鋁合金緊密結合[8]，其中內層塑料厚2 mm，外層鋁合金厚1 mm，新型塑料材料中加入一定的石墨烯，可以使塑料的導熱系數超過3 W/(m·s)，提高吸熱能力；吸熱板共由7塊吸熱條帶組成，對應7根排管，排管兩側連有鋁合金翼片，組成吸熱條帶，作為一個吸熱單元，每塊條帶長840 mm、寬135 mm、厚0.7 mm，上表面涂有黑鎳涂層，實物模型如圖2所示。

圖2 碳塑平板太陽能集熱器實物

2) 透明蓋板厚度為4 mm，與吸熱板間距30 mm，可以最大限度地減少吸熱板的能量損失。

3) 采用海綿和聚苯板作為保溫材料，吸熱板底部的保溫層厚度為45 mm。

4) 集熱器的外殼由鋁合金制成，尺寸為1080 mm×1080 mm×160 mm。

絕大多數太陽輻射能可以穿過透明蓋板被吸熱板吸收轉化為熱能，然后傳導向與吸熱板相連的排管。水從集熱器的進口流入排管后，溫度逐步升高，變成高溫水從集熱器出口流至水箱，與水箱中的水混合，再重新流回到集熱器進口。平板集熱器的熱損失包括吸熱板通過傳導、對流和輻射向周圍空氣的散熱[9]。

2 碳塑平板太陽能集熱器試驗

試驗臺位于山東省青島市，經度120.378°，緯度36.108°，按照《太陽能集熱器熱性能試驗方法》(GB/T 4271—2007)[10]的要求搭建，試驗臺測試原理如圖3所示。

圖3 試驗臺測試原理

試驗系統主要由平板集熱器、水箱、流量調節閥、水泵以及各種測量儀器組成，測量儀器型號及精度如表1所示。集熱器南北放置，安裝在傾斜角為30°的臺架上。水泵的型號為WILO-RS15/6，功率0.093 W，流量1.5 t/h，揚程6 m，水箱體積150 L，循環管管徑25 mm，均做保溫處理。采用10根K型熱電偶作為溫度傳感器，通過Agilent 34970A數據采集儀實時記錄各測點溫度。

表1 測量儀器及精度

在2020年9月份天氣條件良好的情況下對碳塑平板太陽能集熱器的熱工性能進行測試。上午10點開始試驗。試驗開啟循環水泵，使系統定流量運行。考慮天氣變化等原因，進行連續多天試驗，選擇符合要求的試驗數據進行分析。

3 碳塑平板太陽能集熱器性能分析

基于進口溫度的平板太陽能集熱器熱平衡方程為[11]

QU=AaFR[(τα)eI-UL(Ti-Ta))

(1)

式中：QU為有用功率，W；Aa為采光面積，m2；FR為熱遷移因子；(τα)e為有效透過吸收率；I為太陽總輻照強度，W/m2；UL為總熱損系數，W/(m2·K) ；Ti為流體進口溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

(2)

集熱器的日平均效率等于全天水箱中水吸收的熱量與集熱器采光面接收太陽輻射總量之比[12]，即：

(3)

式中：ηm為日平均效率；c為水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；V為水箱中水的體積，m3；Tz為試驗終止水箱溫度，℃；Tc為試驗開始水箱溫度，℃；G為試驗期間累積太陽輻照量，MJ/m2。

2020年9月18日—21日對該集熱器進行了不同工況下的測試，測試條件如表2所示。

表2 運行流量及氣象條件

圖4為不同試驗工況下集熱器進出口水溫、水箱中水的溫度、環境溫度及太陽輻照度隨時間的變化曲線。

由圖4(a)可知，吸熱板進出口水溫及水箱溫度隨著太陽輻照度的增強而不斷升高，水箱初始水溫為33.7 ℃，當下午太陽輻射開始減少時，水箱的水溫依然保持上升趨勢，15：00后溫度曲線才趨于平緩，最后穩定在45.9 ℃。由圖4(b)可知，水箱初始水溫為36.3 ℃，經過一天的蓄熱，水箱溫度升高13.1 ℃。由圖4(c)可知，工況C集熱器進出口溫差明顯大于工況A，B；太陽輻照度從12：00開始減弱，降至600 W/m2時，集熱器出口溫度趨于平緩，水箱溫度由初始的38.4 ℃升高至50 ℃。由圖4(d)可知， 21日是多云天氣，太陽輻照度不穩定，從試驗開始整體處于下降趨勢，水箱開始平均溫度為37.5 ℃，14：00之后便不再升高，最終溫升至45 ℃。圖4表明，該集熱器可以迅速吸收太陽輻射能轉換為熱量，具有良好的保溫性能和集熱能力；隨著水流量的減小和太陽輻照度的減弱，水箱溫升越來越小。

圖5顯示了碳塑平板太陽能集熱器的瞬時效率在4個工況下的逐時變化情況，可以看出，集熱器的瞬時效率隨流量的增大而提高，且與圖4比較得出瞬時效率曲線與太陽輻射曲線密切相關，工況A，B，C，D的最大瞬時效率分別為0.78，0.73，0.65，0.70。工況D受多云天氣影響，數據具有一定的偶然性和波動性，通過與工況C比較發現，當運行流量相同時，太陽輻照度是集熱器瞬時效率的主要影響因素。

利用式(3)計算得到工況A，B，C，D的日平均效率分別為0.61，0.62，0.59，0.53，工況A的平均輻照度和運行流量均高于工況B，日平均效率卻略低于后者，是因為環境溫度較低和風速較高，使得工況A具有較大的熱損失。因此，集熱器日平均效率是由太陽輻照度、環境溫度、風速和運行流量等多種因素共同作用的。流量越大，太陽輻照度越強，風速越小，環境溫度越高，集熱器集熱效率越高。

利用9月20日和9月21日測得的輻照度和溫度參數，選取太陽輻照度處于700～800 W/m2區間內的時間點，結合式(2)計算出集熱器瞬時效率離散點的值，通過Origin軟件線性擬合得到效率曲線，如圖6所示。

集熱器瞬時效率方程為

分析可知，集熱器的效率最大值為0.70，總熱損系數為5.16 W/(m2·K)，效率離散點主要集中在0～0.02的橫坐標區間，這是由于數據處理時所選時間點的集熱器進口溫度與環境溫度之差在0～13 ℃之間。

將所測得的碳塑平板集熱器的性能與文獻[7，13]的數據進行比較(表3)，可以看出，碳塑平板集熱器的最大瞬時效率略低于傳統的金屬平板集熱器(管板式平板集熱器)；與塑料平板集熱器相比，碳塑平板集熱器的最大瞬時效率高出13%，集熱性能較好。

表3 集熱器熱性能對比

4 結論

綜上所述，通過對碳塑平板太陽能集熱器性能試驗測試與分析，得到以下結論：

1) 通過室外穩態性能試驗，建立了基于進口溫度的集熱器瞬時效率與歸一化溫差之間的線性關系，得到最大瞬時效率為0.70，總熱損系數為5.16 W/(m2·K)，表明該集熱器具有較好的集熱效果。

2) 碳塑平板集熱器的最大瞬時效率比所選文獻中塑料平板集熱器高出13%，比傳統(金屬)平板集熱器的集熱效率略低。

3) 碳塑平板太陽能集熱器耐腐蝕、質量輕，價格低，利于壁掛式太陽能熱水器的發展，該研究可為碳塑平板太陽能集熱器的設計應用提供參考。