典型太陽(yáng)能集熱器熱性能研究

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 ■ 顏士峰 閆崇強(qiáng)劉華凱 楊巖冰

濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ■ 陳洪亮

典型太陽(yáng)能集熱器熱性能研究

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 ■ 顏士峰 閆崇強(qiáng)*劉華凱 楊巖冰

濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ■ 陳洪亮

以當(dāng)今市場(chǎng)保有量最高的兩種典型太陽(yáng)能集熱器——全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器和平板型太陽(yáng)能集熱器為研究對(duì)象,從能量傳遞角度，構(gòu)建了太陽(yáng)能集熱器在理想狀態(tài)下的熱效率模型，并依據(jù)模型計(jì)算了極限熱效率；最后對(duì)兩種太陽(yáng)能集熱器做了熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并使用最小二乘法擬合出太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)熱效率與歸一化溫差的關(guān)系，對(duì)比兩種太陽(yáng)能集熱器在同一實(shí)驗(yàn)條件下的極限熱效率和熱損失系數(shù)，并驗(yàn)證了該模型的正確性。

太陽(yáng)能集熱器；熱效率測(cè)試；熱損失系數(shù)；極限熱效率

0 引言

太陽(yáng)能集熱器作為家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的核心集熱元件，其熱性能直接影響到家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的有用得熱量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能集熱器做了大量研究。張彥峰等[1]對(duì)處于自然集熱狀態(tài)下太陽(yáng)能集熱器中的對(duì)流問(wèn)題做了分析，解決了在傾角不同的情況下，對(duì)流熱損失與空氣夾層間距的關(guān)系。Bhagoriaetal等[2]在平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板上方空間安置聚四氟乙烯膜，能使太陽(yáng)能集熱器效率小幅提高，并研究了構(gòu)成膜的分子形狀對(duì)太陽(yáng)能集熱器效率的影響。Kundu[3]構(gòu)建了平板型太陽(yáng)能集熱器的動(dòng)態(tài)模型，在該模型中，考慮了在集熱過(guò)程中溫度的變化對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能集熱器熱損系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并提出了在不同輻照度和環(huán)境溫度下的優(yōu)化措施。然而，上述研究對(duì)全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器和平板型太陽(yáng)能集熱器的熱性能未作比較研究。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，以典型的全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器和平板型太陽(yáng)能集熱器為研究對(duì)象，以期通過(guò)比較研究，為家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱器元件的選型提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建

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

圖3為太陽(yáng)能集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。本實(shí)驗(yàn)使用水作為工質(zhì)，系統(tǒng)所需要的動(dòng)力由泵提供，當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能集熱器上時(shí)，水由泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入集熱器，在集熱器中受熱升溫，太陽(yáng)輻射能就轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存在工質(zhì)中的熱能。該太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)試系統(tǒng)能將工質(zhì)的入口溫度控制在設(shè)定溫度±0.1℃以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)期間的實(shí)際

溫度波動(dòng)小于0.1℃。太陽(yáng)能集熱器進(jìn)、出口溫度的測(cè)量采用Pt1000溫度傳感器，測(cè)量精度為±0.1℃，分辨率為0.1℃；太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的測(cè)量采用1級(jí)太陽(yáng)輻照表，流量的測(cè)量采用流量計(jì)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集，記錄步長(zhǎng)為20 s。

圖1 全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)圖

圖3 太陽(yáng)能集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2 理論分析

2.1 太陽(yáng)能集熱器的熱效率方程

太陽(yáng)能集熱器實(shí)際獲得的有用功率Qu為：

式中，m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s； ΔT為進(jìn)出口溫度之差，℃；cf為對(duì)應(yīng)于工質(zhì)平均溫度的傳熱工質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)。

當(dāng)以太陽(yáng)能集熱器采光面積As作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，集熱器接收的太陽(yáng)輻射功率為AsG。所以太陽(yáng)能集熱器效率ηa為：

式中，G為輻照強(qiáng)度，W/m2。

瞬時(shí)熱效率η的表示應(yīng)使用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合[4-7]得出，其方法公式為：

或

在擬合時(shí)，應(yīng)根據(jù)擬合的緊密程度來(lái)選擇一次或二次曲線，如果a2的計(jì)算值為負(fù)數(shù)，則應(yīng)選擇一次擬合；利用二次擬合結(jié)果繪制曲線時(shí)，G取800 W/m2。

2.2 傳熱模型的建立

太陽(yáng)能集熱器在運(yùn)行時(shí)，自身與外界環(huán)境，以及內(nèi)部各組件中均會(huì)發(fā)生能量交換，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。本著真實(shí)體現(xiàn)熱量在太陽(yáng)能集熱器中傳遞過(guò)程與簡(jiǎn)化的目的，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1) 兩種類型的太陽(yáng)能集熱器均有良好的對(duì)稱性，所以假設(shè)太陽(yáng)輻射均勻分布；

2) 只考慮大部分熱量的傳遞；

3) 換熱過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)；

4) 假設(shè)不存在溫度在真空管徑向分布不均的現(xiàn)象；

5) 只考慮主要熱損。

由于太陽(yáng)光均勻分布，太陽(yáng)能集熱器采光

面各區(qū)域接收的輻射均相等，假設(shè)太陽(yáng)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(guò)性系數(shù)為x1，太陽(yáng)輻照穿過(guò)外玻璃后即變?yōu)镚1x1；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(shè)為x2，則轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)輻照能為G1x1x2；此過(guò)程在全玻璃真空管型與平板型太陽(yáng)能集熱器中相同。在全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器中，熱量通過(guò)內(nèi)玻璃管傳遞給管內(nèi)工質(zhì)(由于內(nèi)玻璃管壁很薄，所以此處的熱傳導(dǎo)過(guò)程忽略)，所以這個(gè)傳遞過(guò)程可看成對(duì)流換熱；在平板型太陽(yáng)能集熱器中，熱量通過(guò)焊點(diǎn)與銅管壁傳遞給工質(zhì)。設(shè)全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器傳熱系數(shù)為λ1、平板型太陽(yáng)能集熱器傳熱系數(shù)為λ2。

經(jīng)過(guò)以上分析可以得出，在全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器中，實(shí)際獲得的有用功率為：

在平板型太陽(yáng)能集熱器中，實(shí)際獲得的有用功率見式(7)：

對(duì)于x1和x2的值，可使用分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，選擇30個(gè)相同樣本進(jìn)行玻璃透過(guò)率和選擇性吸收涂層吸收率的測(cè)試，1～15號(hào)為全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器，16～30號(hào)為平板型太陽(yáng)能集熱器，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可得出，在全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器中，15個(gè)樣本的玻璃透過(guò)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(yáng)能集熱器中，15個(gè)樣本的玻璃透過(guò)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(jù)30組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器處于穩(wěn)態(tài)集熱時(shí)，其傳熱系數(shù)為0.9；當(dāng)平板型太陽(yáng)能集熱器的吸熱板與工質(zhì)流道的焊點(diǎn)為銅時(shí)，熱量從銅表面?zhèn)鬟f給工質(zhì)的平板型太陽(yáng)能集熱器傳熱系數(shù)為0.89。

表1 全玻璃真空管型與平板型太陽(yáng)能集熱器外玻璃透過(guò)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(guò)率與涂層吸收率

圖5 平板型集熱器玻璃透過(guò)率與涂層吸收率

所以在全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器[8,9]中：

在平板型太陽(yáng)能集熱器中：

上述兩種類型太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)熱效率都可用式(10)表示：

代入可得，全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器：

平板型太陽(yáng)能集熱器：

在太陽(yáng)能集熱器工質(zhì)溫度與環(huán)境溫度相同情況下，效率模型后半部分為零?？梢缘贸觯瑢?duì)于全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器極限瞬時(shí)熱效率η0=73.71%；對(duì)于平板型太陽(yáng)能集熱器極限瞬時(shí)熱效率η0=72.08%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與模型驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

太陽(yáng)能集熱器置于追蹤平臺(tái)上，可使其隨太陽(yáng)方位變化而變化，保持集熱面與太陽(yáng)光入射面成90°；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)附近沒有高大建筑物對(duì)太陽(yáng)能集熱器表面造成投影；在可視的范圍內(nèi)，無(wú)大量玻璃和水等易于反射太陽(yáng)光的物體。

集熱工況進(jìn)口溫度的篩選主要依據(jù)太陽(yáng)能集熱器的最高工作溫度與環(huán)境溫度，考慮到平板型太陽(yáng)能集熱器的工作溫度較低，進(jìn)口最高溫度選為66℃，在環(huán)境溫度與最高溫度間，等間距的選擇2個(gè)溫度點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)選取4個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)，求平均值。

表2為全玻璃真空管型和平板型太陽(yáng)能集熱器的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 全玻璃真空管型和平板型太陽(yáng)能集熱器的相關(guān)數(shù)據(jù)

依據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)可以繪出以太陽(yáng)能集熱器采光面積為參考的瞬時(shí)熱效率與歸一化溫差的關(guān)系曲線圖，如圖6所示。

圖6 全玻璃真空管型與平板型太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)熱效率

根據(jù)公式(5)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算結(jié)果為：

對(duì)于全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器：η0=0.7541，UL=2.2258

對(duì)于平板型太陽(yáng)能集熱器：η0=0.7455；UL=5.8512。

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

圖7為全玻璃真空管型和平板型太陽(yáng)能集熱器熱效率與進(jìn)口工質(zhì)溫度的關(guān)系，可以看出，隨

著進(jìn)口工質(zhì)溫度的增加，兩種類型太陽(yáng)能集熱器熱效率均呈降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樘?yáng)能集熱器在集熱過(guò)程中，不斷吸收太陽(yáng)輻射，溫度不斷升高，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器溫度遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度時(shí)，由于其自身保溫性能的不足，必然要通過(guò)太陽(yáng)能集熱器表面向外以熱輻射和對(duì)流換熱的方式散發(fā)大量的熱量；隨著集熱的不斷進(jìn)行，熱損失隨太陽(yáng)能集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度的提高不斷加劇，太陽(yáng)能集熱器有用能量輸出相應(yīng)減小，效率就會(huì)降低。

圖7 全玻璃真空管型和平板型太陽(yáng)能集熱器熱效率與進(jìn)口工質(zhì)溫度的關(guān)系

隨著進(jìn)口工質(zhì)溫度的不斷升高，平板型太陽(yáng)能集熱器效率降低程度高于前者。這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)能集熱器溫度不斷升高，熱損失越來(lái)越大，對(duì)于平板型太陽(yáng)能集熱器來(lái)說(shuō)，由于保溫性能不足，當(dāng)工質(zhì)溫度升高至某一溫度點(diǎn)時(shí)，吸熱板吸收的熱量等于向外散發(fā)的熱量，此時(shí)不能集熱；而全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器有真空隔熱層，其保溫性能優(yōu)于平板型太陽(yáng)能集熱器，能有效隔絕熱量的散失。這也是平板型太陽(yáng)能集熱器只能作為低溫集熱器的原因。

3.2 模型驗(yàn)證

當(dāng)歸一化溫差為零時(shí)，全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器的極限瞬時(shí)熱效率為0.7541，模型預(yù)測(cè)為0.7371，標(biāo)準(zhǔn)差為0.017；平板型太陽(yáng)能集熱器的極限瞬時(shí)熱效率為0.7455，模型預(yù)測(cè)為0.7208，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0247。由此可看出，理想條件下的模型能較好的符合實(shí)際測(cè)試結(jié)果，具有比較好的可靠性。

4 結(jié)論

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

1)依據(jù)本文構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器的極限瞬時(shí)熱效率為0.7371，平板型為0.7208；實(shí)際測(cè)得全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器極限瞬時(shí)熱效率為0.7541，平板型為0.7455，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。

2)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，平板型太陽(yáng)能集熱器的熱損失系數(shù)遠(yuǎn)大于全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器的熱損失系數(shù)；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(yáng)能集熱器的熱效率均隨著進(jìn)口工質(zhì)溫度的增加而降低，并且平板型太陽(yáng)能集熱器降低的幅度遠(yuǎn)大于全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器。

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2016-06-14

山東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015KYZ11)

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