真空管太阳集热管透射比和吸收比及其均匀性的试验分析

魏凤

(1.中国科学院武汉文献情报中心,武汉430071;2.中国科学院国家科学图书馆武汉分馆,武汉430071;3.国家太阳能热水器产品监督检验中心,武汉430061)

根据中国可再生能源学会、中国科学院广州能源研究所编制的《2008中国新能源与可再生能源产业发展报告》,从2003年到2008年间,我国的太阳能热水器总保有量一直保持着20%的增长比例,2008年底总保有量达到12850万m2(按照太阳集热面积算),年产量达到2800万m2,其中全玻璃真空管型太阳热水系统所占比例达到87%以上,是我国太阳能热水器的主流产品。作为我国太阳能利用领域内具有自主知识产权的真空管太阳集热器技术,其研发工作一直非常活跃并取得很多成果,不过研发工作主要集中在真空管集热器管内流动与换热模拟、动态特性分析、结构设计及相关的性能测试分析上[1-4],而对真空管太阳集热器光热转化效率及其基本的理论研究方面还很少。本文将通过太阳集热管的光学性能的试验分析,推导研究真空管太阳能集热器的光热转化效率的理论计算公式,并对真空管太阳能集热器光热转化效率的影响因素进行探讨,希望能够对我国太阳能集热器产品技术的改进和发展提供指导。

1 试验对象

真空管型太阳能集热器主要由数支并列的全玻璃太阳集热管和支撑部件(支架)构成,如图1所示。一般的全玻璃太阳集热管由罩玻璃管和内层涂层玻璃管两部分组成。其中,罩玻璃管的制造材料为硼硅玻璃,内层玻璃管主体一般为厚度约1mm的硼硅玻璃,但其表面有一层铝氮或铜氮镀锌铬的化合物涂层。

图1 真空管型太阳集热器的结构

根据国家标准GB/T 17049-2005《全玻璃真空太阳集热管》的要求,标准的全玻璃太阳集热管的尺寸规格有47 mm和58 mm两种外径,因此本文的试验对象也取这两种外径的全玻璃真空太阳集热管,集热管的选择性吸收涂层为铝氮和铜氮镀锌铬,样品编号及型号如表1所示。

表1 测试样品编号及型号特征

2 试验方案

在全玻璃真空太阳能集热管的罩玻璃管透射比、内玻璃管涂层的吸收比的测定,根据国家标准GB/T 2680《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》中规定的测试方法进行。

2.1 试验仪器

采用的测试仪器为Cary 3000型分光光度计,测试的波长范围达到330～2 500 nm,扫描波长间距为0.1 nm,显示的数值间隔1 nm,可将部分紫外区到远红外区所有波长对物体的透射率和反射率测试出来。同时,该测试仪器采用了专用操作软件和微机联用实现对测试全程的时时监控,仪器配备了光学避震隔离系统,可以在测试中把环境与光学系统隔离开来,可以避免周围环境对仪器性能和测量结果的影响。该仪器还具有智能化检测器和耦合光路,前者具有实时优化近红外区域的检测功能,后者保证了高光通量,在入射光透过较少的条件下也能测得很准确的结果。

2.2 试验样品

为了保证试验测试结果的准确,将玻璃管样品直接制成有一定弧度、长和宽约2 cm的方形玻璃被测样品。为了减少测试结果和集热管实际工作的误差,在测试罩玻璃管透射比时,仅测试罩玻璃管被测样品的凸面透射比。

2.3 试验数据处理

在标准GB/T 2680中,根据物理光学光能量的计算公式,推导出玻璃平面上入射太阳光的透射率ηt公式为:

式中:Eλ和Eλt分别表示入射光线透射前和透射后的光能量 ;ηλi,t表示波长为 λi(i=1,2,…,n)的光线透射比,通过试验从分光光度计测得;Eλi表示波长为λi的光能量,可以从GB/T 2680查到。

同理,涂层表面的入射光反射率ηf公式为:

式中 :Eλf表示为入射光线反射能量;ηλi,f表示波长 λi的光线对应的反射比。根据光学基本定律,涂层的吸收率ηa为:

利用式(1),(2)和(3),只要在在测试中用分光光度计测试每一透射光波长及该波长对应的透射比和反射比,通过算术平均就可以计算被测样品涂层的总透射比、反射比和吸收比(及加权平均值)。

3 试验结果

在对全玻璃真空集热管吸收比和投射比试验中,选择并制取了5个生产单位的13个真空管样品的共52个试验被测样品进行了分光光度计测试;其中26个罩玻璃管被测样品进行了透射比测试,26个内玻璃管进行了反射比和吸收比测试。

3.1 透射比测试分析

试验对13个样品进行了透射比测定(每个试样品分上、下两个部位),试验结果如图2所示。其中样品 1#-3#是厂家 A生产的集热器,管径为47 mm,4#-11#是厂家B,C和D生产的集热器,管径为58 mm的集热管,4#-11#是厂家E生产的集热器,涂层相同,但是管径分别为 47 mm和58 mm。从图中可看出,两种管径的样品透射比值较为相近,表明被测样品的透射比受罩玻璃管管径或弯曲度影响较小。

3.2 吸收比测试分析

图2 13个样品的上部、下部和平均透射比

由于内玻璃管吸收比不能通过分光光度计直接测试得出,但是可以通过测试样品的反射比然后利用式(3)计算。

(1)涂层材料的影响 图3是太阳集热管内玻璃管吸收比的试验结果,其中厂家A的1#和2#集热器采用了铜氮涂层,3#集热器采用了铝氮涂层,可以看到尽管管径同为47 mm,但1#和2#的吸收比高于3#,同样可以看到,厂家B,C和D的58 mm管径集热器的样品4#,7#,8#和10#采用铜氮涂层,吸收比高于相同厂家的铝氮涂层被测样品,因此可以认为,铜氮涂层的吸收性能好于铝氮涂层。

(2)管径的影响 从厂家E的12#和13#的两个样品同样采用铝氮涂层,但是12#的管径为58 mm,13#为47 mm,样品12#的吸收比明显要高于13#的吸收比,表明被测样品管径越大吸收比越高。

图3 13个样品的内玻璃管上部、下部和平均吸收比

4 均匀性分析

从13个样品透射比和吸收比的试验结果图2和图3可以看到,样品上、下两部分的透射比和吸收比有的很接近,有的有差别,这表明相同样品、不同部位的透射比和吸收比存在着差异性,那么样品的整体吸热能力和相关的质量评价也存在相当差异,为了能够把这种性能上的差异性程度用数值来准确表达出来,本文定义了均匀系数ε,提出用数学表达式(4)表征集热管透射比和吸收比性能的均匀度。

式中:η上和η下分别为集热管上、下两个部位的透射比或吸收比的算术平均值。ε的数值越小,表明集热管样管上、下部位的透射比或吸收比性能越接近,性能一致性较好,差异性较小。

上面在随机选取了同一根集热管的罩玻璃管和内玻璃管上、下两个部位进行制样的基础上,测试和分析了它们的透射比和吸收比,那么用式(4)对这些样品的透射比和吸收比性能的均匀性进行计算,结果如表2所示。

表2 集热管透射性能和吸收性能均匀系数(%)

从表2中可以看到,13个样品的透射比均匀系数εt值最大为 1.77%,其中11个样品εt值不高于1%,因此可以认为这些集热管的透射比性能非常均匀性,一致性较好,样品性能差异性较小。从表2中还可以看到,在13个样品的吸收比均匀系数εa中,有11个εa小于5%,其中仅7个样品的吸收比均匀性系数小于1%,表明为样品的吸收性均匀性不如透射比 εt;而 3#和13#的 εa值高达 11.28%和11.11%,表现出样品3#和13#的不同部位吸收比性能严重不一致性,分析主要是因为样品制备中镀膜损伤较大造成的。

由于样品的透射比样片材质为主要含硼硅元素的玻璃,制片中也较好地保持其表面光洁度和光滑性,同时玻璃样片也是在密封的空气条件下进行的,几乎不受空气和环境的影响,因此εt结果能够较好地真实反映出样品透射性能的均匀程度;而样品吸收比刚好相反,可能受空气条件(主要是真空度)和制样条件的影响,这是因为太阳吸收涂层在空气中易氧化,必需在真空条件下才能正常工作,因此在测试吸收比的时候,必须在样片制备好后尽快测试,同时涂层在制备过程中也易受到空气中尘埃污染、人为误差如振动、接触导致涂层污染的影响,故太阳涂层吸收比测试受真空度、空气条件和人为误差较大,当然在每个样片的制备和测试中都会碰到相同因素的影响,那么在公式(4)的分子中,样片的这种影响因素造成的误差可以相互抵消,因此εa在一定程度上较好的反映了样品吸收性能的一致性。总体言之,样品涂层吸收性能的均匀性不如集热管透射性能好,主要是因为涂层吸收比测试中易受真空度、空气条件和人为误差的影响,因此吸收涂层的质量还有待于进一步提高和改进。

5 结论

本文对一些典型的全玻璃真空管型太阳能热水器产品的集热管进行了透射比和吸收比测试,并提出了集热管透射比和吸收比均匀系数的概念,进行了对比分析,可得出下列结论。

(1)不论是对于47 mm还是58 mm型号的集热管,铜氮涂层的平均吸收比显然高于铝氮涂层,表明铜氮涂层对光线吸收好于铝氮涂层;但在相同涂层下,管径58 mm太阳集热管吸收比优于47 mm的集热管。

(2)管径58 mm的罩玻璃管平均透射比和47 mm的比较接近,可能因为它们的管径相差不大。

(3)罩玻璃管的透射比和内玻璃管均匀系数的试验分析结果表明,透射比均匀性系数能很好的反映出样品的透射性能,吸收比均匀性系数在一定程度上较好的反映了样品的吸收性能;样品的透射比性能均匀性好于样品的吸收比均匀性,主要因为吸收涂层易受真空度、空气条件和人为误差的影响,因此吸收涂层的制作和质量还有待于进一步改进和提高。

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