曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器的性能對比實驗研究

鄢 雨，沈國民*，張 豪，王飛飛，吳祖國

(1. 華中科技大學建筑環(huán)境與能源工程系，武漢 430000；2. 武漢博茗低碳產(chǎn)業(yè)股份有限公司，武漢 430000)

0 引言

太陽能集熱器作為太陽能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括平板太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器等多種類型。但傳統(tǒng)的平板太陽能集熱器占地面積大且集熱性能較差，難以應用于高度城市化的地區(qū)，如何解決這一問題已成為建筑節(jié)能的一個重要課題[1]。

黃俊鵬等[2]梳理了國內(nèi)外平板太陽能集熱器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析得出目前我國市場上平板太陽能集熱器在集熱效率上仍有很大的提升空間，與國外先進技術(shù)存在一定差距的結(jié)論。丁海兵等[3]對陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)中的平板太陽能集熱器與南立面墻夾角分別為28°和0°時的集熱性能進行了對比實驗，結(jié)果顯示，平板太陽能集熱器傾斜安裝時的得熱量明顯高于其以0°安裝時。這說明安裝角度對平板太陽能集熱器的集熱效率有很大的影響。

相較于傳統(tǒng)的平板太陽能集熱器集熱性能差的缺點，新型的曲面太陽能集熱器的集熱性能有大幅提高。為了研究曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器集熱性能的差異，本文設(shè)計搭建了太陽能集熱器實驗平臺，對這2種尺寸完全一致的太陽能集熱器在相同太陽輻照度下以不同角度安裝時的集熱性能進行了研究，以便為曲面太陽能集熱器在我國的推廣應用提供依據(jù)。

1 曲面太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)

實驗所用曲面太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該集熱器的吸熱板表面是由大圓弧和小圓弧組成的曲面，小圓弧的半徑為7 mm、大圓弧的半徑為50 mm，2種圓弧的角度均為149°；吸熱板表面2個相鄰的大圓弧柱面間存在反射，且小圓弧凹槽可以聚集低密度太陽能，進而提高整個集熱器的集熱性能。

圖1 曲面太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of curved solar collector

2 實驗平臺的搭建與實驗設(shè)計

2.1 實驗平臺的搭建

根據(jù)GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》[4]的要求搭建實驗平臺，如圖2所示。整個實驗平臺由集熱器、貯熱水箱、一級總?cè)丈浔怼L速儀、環(huán)境溫度測試儀、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及循環(huán)管路組成。曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器并排朝向正南放置，以保證在測試期間，2臺集熱器的表面環(huán)境溫度、太陽輻射角度、表面風速均相同。

圖2 實驗平臺實物圖Fig. 2 Photo of experimental platform

為測試太陽能集熱器的集熱性能，在集熱器進水口、出水口設(shè)置溫度測點，在貯熱水箱上離上部1/3的位置設(shè)置溫度測點，在吸熱板的上、中、下3根換熱銅管上設(shè)置溫度測點，在吸熱板背面的上部、下部設(shè)置溫度測點；利用數(shù)據(jù)采集儀對所有測點進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行記錄。具體如圖3所示。

圖3 實驗平臺測試點分布示意圖Fig. 3 Schematic diagram of test point distribution of experimental platform

同時，根據(jù)GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》的要求，安裝數(shù)據(jù)采集儀、一級總?cè)丈浔?、溫度傳感器、環(huán)境溫度測試儀及風速儀，分別用于測量太陽輻照度及周圍的環(huán)境參數(shù)。

表1 主要儀器的參數(shù)Table 1 Main instrument parameters

2.2 實驗設(shè)計

歐洲標準EN 12975-2:2006《太陽熱利用系統(tǒng)及部件—— 太陽能集熱器：第2部分：測試方法》給出了太陽能集熱器測試的2種方法：穩(wěn)態(tài)測試方法和動態(tài)測試方法。由于穩(wěn)態(tài)測試方法對于周圍環(huán)境參數(shù)的要求過于嚴格，因此本實驗采取動態(tài)測試方法[5]；并通過采集曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器在不同安裝角度(60°傾斜安裝和90°垂直安裝)時的測試數(shù)據(jù)，分析2種太陽能集熱器的集熱性能差異。

3 實驗過程與結(jié)果分析

3.1 60°傾斜安裝太陽能集熱器

3.1.1 太陽能集熱器的進、出水溫度測試

為了分析2種太陽能集熱器在60°傾斜安裝時的集熱性能差異，實驗選取2019年6月7日與6月24日這2個典型日作為測試日，測試日的氣象條件如表2所示。

表2 測試日的氣象條件Table 2 Meteorological conditions of test days

為保證測試開始時2種太陽能集熱器的進水溫度一致，所以6月7日與6月24日的測試時間分別從11:30和10:00開始。

6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器的進、出水溫度變化情況如圖4所示。

圖4 60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器的進、出水溫度及太陽輻照度情況Fig. 4 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 60°

由圖4a可知，測試期間，2種太陽能集熱器的進水溫度不斷升高，其中，17:00時曲面太陽能集熱器的進水溫度達到了39.2 ℃，平板太陽能集熱器的進水溫度達到了36.8 ℃；曲面太陽能集熱器的出水溫度均高于平板太陽能集熱器的，每個時間點二者的溫差基本都維持在3.5 ℃左右。

由圖4b可知，測試期間，曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器的進、出水溫度變化規(guī)律均趨于一致；其中，曲面太陽能集熱器的出水溫度高于平板太陽能集熱器的，二者的溫差最大時達到了3.3 ℃；曲面太陽能集熱器的進水溫度也基本比平板太陽能集熱器的高，且二者溫差不斷增大，在17:30時達到了2.9 ℃。

綜上所述，在2天的測試中，2種太陽能集熱器的進、出水溫度變化規(guī)律均相同，且曲面太陽能集熱器的進、出水溫度均比平板太陽能集熱器的高。

3.1.2 太陽能集熱器貯熱水箱的溫度測試

測試6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度變化，具體情況如圖5所示。

圖5 60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度情況Fig. 5 Temperature of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 60°

由圖5可知，在6月7日，曲面太陽能集熱器貯熱水箱與平板太陽能集熱器貯熱水箱的最高溫度分別為46 ℃和42.9 ℃。在6月24日，曲面太陽能集熱器貯熱水箱與平板太陽能集熱器貯熱水箱的最高溫度分別為52.2 ℃和49.5 ℃。

從圖中可以看出，在2天的測試中，2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度變化規(guī)律一致，且溫度均不斷升高；測試期間，曲面太陽能集熱器貯熱水箱的溫度比平板太陽能集熱器貯熱水箱的高。

3.1.3 太陽能集熱器的集熱效率測試

由于本測試采用動態(tài)測試方法，因此，以2種太陽能集熱器每小時的集熱效率作為評價其集熱性能的參數(shù)之一。

集熱器的集熱效率為傳熱工質(zhì)從太陽能集熱器中獲得的能量與同時入射在集熱器采光面上的太陽輻射量的比值[6]。其可表示為：

式中，η為集熱效率，%；Q為給定時間段內(nèi)傳熱工質(zhì)從太陽能集熱器中獲得的能量，J；A為太陽能集熱器采光面的面積，m2；H為給定時間段內(nèi)太陽能集熱器采光面單位面積所接收到的太陽總輻射量，J/m2，可利用一級總?cè)丈浔頊y量得到太陽能集熱器采光面的太陽總輻照度Eg，根據(jù)Eg與時間的積分計算得到H的值。

測試6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器的集熱效率，具體情況如圖6所示。

圖6 60°傾斜安裝時2種太陽能集熱器的集熱效率情況Fig. 6 Heat collection efficiency of two kinds of solar collectors with installation angle of 60°

由圖6可知，2種太陽能集熱器的集熱效率變化規(guī)律趨于一致，且曲面太陽能集熱器的集熱效率比平板太陽能集熱器的高。

3.1.4小結(jié)

綜上所述，在2次測試期間，曲面太陽能集熱器的進、出水溫度，貯熱水箱溫度及集熱效率均比平板太陽能集熱器的高。由此可知，在60°傾斜安裝時，曲面太陽能集熱器的集熱性能高于平板太陽能集熱器的集熱性能。

3.2 90°垂直安裝太陽能集熱器

為進一步分析曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器在90°垂直安裝時集熱性能的差異，選取2019年6月27日進行測試，具體環(huán)境參數(shù)見表2。

3.2.1 太陽能集熱器的進、出水溫度測試

圖7為90°垂直安裝時2種太陽能集熱器的進、出水溫度變化情況。

圖7 90°垂直安裝時2種太陽能集熱器的進、出水溫度及太陽輻照度情況Fig. 7 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 90°

由圖7可知，測試期間，2種太陽能集熱器的進、出水溫度變化規(guī)律基本一致；二者的進、出水溫度相差不大，且隨著時間推移，二者的出水溫差越來越小。

3.2.2 太陽能集熱器貯熱水箱的溫度測試

90°垂直安裝時，2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度變化情況如圖8所示。

由圖8可知，測試期間，2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度變化規(guī)律一致，溫度均為不斷升高的趨勢。在10:00時，曲面太陽能集熱器貯熱水箱的溫度比平板太陽能集熱器貯熱水箱的溫度低0.47 ℃，但至17:00時，二者的溫度已基本相同，這說明曲面太陽能集熱器貯熱水箱的溫度上升速度較平板太陽能集熱器貯熱水箱的略快。

圖8 90°垂直安裝時2種太陽能集熱器貯熱水箱的溫度變化情況Fig. 8 Temperature change of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

3.2.3 太陽能集熱器的集熱效率測試

90°垂直安裝時，2種太陽能集熱器的集熱效率變化情況如圖9所示。

圖9 90°垂直安裝時2種太陽能集熱器的集熱效率情況Fig. 9 Heat collection efficiency of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

由圖9可知，測試期間，曲面太陽能集熱器的集熱效率比平板太陽能集熱器的高。

但通過對比圖9與圖6可以發(fā)現(xiàn)，同一測試時間內(nèi)，以60°傾斜安裝時，曲面太陽能集熱器和平板太陽能集熱器的集熱效率均高于二者在90°垂直安裝時的集熱效率。

3.2.4 小結(jié)

綜上所述，在整個測試期間，曲面太陽能集熱器的進、出水溫度，貯熱水箱溫度及集熱效率均比平板太陽能集熱器的高。由此可知，以90°垂直安裝時，曲面太陽能集熱器的集熱性能高于平板太陽能集熱器的集熱性能。

4 結(jié)論

本文對曲面太陽能集熱器與平板太陽能集熱器在2種安裝角度時的集熱性能進行了測試，通過對實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)在相同安裝角度下，曲面太陽能集熱器的集熱效率比平板太陽能集熱器的高。

2)以60°傾斜安裝時，曲面太陽能集熱器及平板太陽能集熱器的集熱效率均遠高于二者以90°垂直安裝時。由此可知，安裝角度對太陽能集熱器的集熱效率影響較大。

3) 對于2種安裝角度，曲面太陽能集熱器的進、出水溫度和貯熱水箱溫度均比平板太陽能集熱器的高。