全玻璃热管真空太阳集热管的自动化热性能测试系统的研发

王冠龙， 高文峰， 刘滔， 林文贤

(云南师范大学 太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南 昆明 650092)

1 引 言

全玻璃热管真空太阳集热管是一种新型的高效太阳能热利用产品，它通过内玻璃管上太阳选择性吸收涂层所形成的吸热体吸收透过外玻璃管的太阳辐照能，能量被导热工质吸收并转化成热能，随后传递至热管使其蒸发段的工质气化并升到冷凝段，在冷表面上凝结并释放出蒸发热量[1-2].随着太阳能热利用的发展和普及，市场对太阳能集热器等热利用产品的需求越来越高，全玻璃热管真空太阳集热管也逐渐被用户认可和使用[3].然而市场上的全玻璃热管真空太阳集热管质量参差不齐，因此针对全玻璃热管真空太阳集热管的性能，尤其在实际应用中起关键作用的热性能的测试显得尤为重要.

目前，太阳能产品的性能测试系统的研究不多；对太阳电池，杨祚宝等人对其光谱响应性能的测试进行了研究[4]；对热性能测试系统，刘宇对全玻璃真空管热性能测试系统、王亮亮对太阳能热水器热性能测试系统进行了研究[5-6]，但对全玻璃热管真空太阳集热管热性能的测试系统的研究少见.传统的全玻璃热管真空太阳集热管热性能测试工作需值守人员在室外阳光直射的环境下长时间进行，自动化程度低、准确度不足，测试中繁琐的布线问题和电线长度更是限制了室外测试平台的灵活性和测试效率.因此根据国家标准《GB/T 26975-2011全玻璃热管真空太阳集热管》中关于全玻璃热管真空太阳集热管的热性能测试，本文提出一种全玻璃热管真空太阳集热管的自动化热性能测试系统方案，实现室内的值守人员通过无线方式对室外全玻璃热管真空太阳集热管的自动化热性能检测.

2 测试方案

国家标准《GB/T 26975-2011全玻璃热管真空太阳集热管》提出全玻璃热管真空太阳集热管的热性能测试包括空晒和闷晒这两部分热性能测试[7].

2.1空晒性能测试

空晒性能参数是指空晒温度和环境温度的差值与直射太阳辐照度的比值，其中空晒温度是在规定的太阳辐照度、环境温度和风速条件下，全玻璃热管真空太阳集热管通过太阳辐射能转化的热能使自身冷凝段能达到的最高温度.

图1 空晒性能测试流程示意图

Fig.1 Schematic of test for stagnation performance flow

空晒性能测试流程如图1所示，具体是在直射太阳辐照度Go≥800 W/m2并在15分钟内辐照度变化量ΔGo≤±30 W/m2、环境温度8 ℃≤ta≤35 ℃以及环境风速υ≤4 m/s的条件下，通过曝晒在太阳下的全玻璃热管真空太阳集热管加热试验水箱内的空气工质，每5分钟记录一次空晒温度ts、环境温度ta和与全玻璃热管真空太阳集热管平面平行的太阳辐照度G，记录四次数据后各取平均值，计算测定空晒性能参数Y为

2.2 闷晒性能测试

闷晒性能参数指的是闷晒太阳辐照量，具体是试验水箱内的水被全玻璃热管真空太阳集热管通过太阳辐射能转化的热能加热到预设温度的期间所需的太阳辐照度.

图2 闷晒性能测试流程示意图

Fig.2 Schematic of test for under stagnation performance flow

闷晒性能测试流程如图2所示，具体是在直射太阳辐照度Go≥800 W/m2并在15分钟内辐照度变化量ΔGo≤±30 W/m2、环境温度8 ℃≤ta≤35 ℃以及环境风速υ≤4 m/s的条件下，通过曝晒在太阳下的全玻璃热管真空太阳集热管加热试验水箱内初始温度略低于环境温度的水工质，当试验水箱内水工质温度达到环境温度时开始累计与全玻璃热管真空太阳集热管平面平行的太阳辐照度G，最终测定水工质温度升高20 ℃所需的闷晒太阳辐照量H.

3 测试系统的硬件设计

针对热性能的参数测试，本系统的硬件平台设计如图3所示，整个测试平台由传感器、处理电路等硬件电路部分和测试台支架等辅助测试部分组成.其中，辐射表1和辐照表2分别监测直射太阳辐照度以及与全玻璃热管真空太阳集热管平面平行的太阳辐照度；风速仪和环境温度计分别监测周边环境的风速和温度；水箱温度计和管壁温度计分别监测试验水箱内的水温和全玻璃热管真空太阳集热管插入试验水箱部分的冷凝段温度.

图3 测试平台示意图

测试系统的硬件电路部分主要由传感器部分、处理电路部分和上位机部分组成(如图4所示).置于室外的传感器根据全玻璃热管真空太阳集热管热性能测试标准中测量传感器的精度和误差范围选取.测量温度采用PT100温度传感器，该传感器在0～650 ℃以内其电阻输出信号随所测温度的变化而线性变化[8]；太阳辐照表采用锦州阳光公司生产的TBQ-2系列太阳辐照表，其测量光谱范围为0.28～3.0 μm，输出的毫伏级电压信号与太阳辐照度成正比；风速仪采用EC-9S系列风速传感器，可测量0～75 m/s的风速，输出的脉冲频率信号与实时风速成正比，信号可直接被微处理器采集.

图4 硬件电路示意图

测试过程中，室外的传感器采集热性能测试所需的温度、辐照度和风速数据，以信号方式传输到处理电路部分.其中，PT100温度传感器采用四线制接法能消除引线等外部干扰，提高温度测量精度，传感器输出的电阻信号经恒流源模块后输出毫伏级电压信号(如图5所示)，恒流源模块中REF200为PT100等温度传感器的四线制测量方式提供恒定的0.4 mA驱动电流[9].输出的电压信号与太阳辐照表的输出信号经过放大模块和模数转换模块，最终转换成与风速信号一样能被微处理器模块自动采集的0～5 V电压信号.

图5 恒流源模块示意图

微处理器模块以AT89LV52单片机为核心，该款8位高性能单片机具有8 kb可擦写程序存储器和256 bytes的随机数据存储器，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，通过对单片机编程可实现热性能测试中多个传感器数据信号的自动化采集和处理[10].根据热性能测试流程，微处理器模块通过传感器和处理电路部分实现自动化测试，并将测试数据通过无线传输模块传至室内的上位机供值守人员使用.无线传输模块使用CC1000射频芯片，这款由Chipcon公司生产的低功耗无线射频收发芯片，分别直接与单片机、上位机端连接，通过硬件编程设定工作频率与传输数据包[11]，实现处理电路等室外部分和室内上位机之间测试数据的无线传输.

4 测试系统的软件设计

测试系统的软件设计部分包括处理电路中的微处理器程序和上位机部分的界面程序.其中上位机部分的界面程序根据全玻璃热管真空太阳集热管的热性能测试流程设计编程，最后经自动化处理得到空晒性能参数和闷晒性能参数.

界面程序是基于LabVIEW平台开发的，能生成WINDOWS系统下可执行程序的LabVIEW不仅作为一般数据管理和科学计算等应用方面的开发平台，其最大优势还在于测试、测量与控制等系统的开发[12].

界面程序的主界面如图6所示.通过主界面可得知实时环境数据，从而判断是否可开始进行热性能测试.通过历史数据和测试记录可查询或处理过往热性能测试的相关数据.用户通过选择并进入空晒性能测试或闷晒性能测试，系统将根据测试的流程标准自动化测试，并最终将测试的数据传至人机界面程序以自动处理.

图6程序主界面示意图

5 系统测试结果

系统完成对全玻璃热管真空太阳集热管测试样品空晒性能和闷晒性能的自动化测试后，其热性能测试结果分别如图7和图8所示.其中，空晒性能测试界面能查看测试过程中采集的数据记录，通过自动求平均值和空晒性能参数求解式得出空晒性能参数；闷晒性能测试界面通过监测从开始到结束时与全玻璃热管真空太阳集热管的平面平行的太阳辐照度，通过自动累计得出闷晒太阳辐照量.

图7 空晒性能测试界面示意图

Fig.7 Schematic of test for stagnation performance program interface

图8 闷晒性能测试界面示意图

Fig.8 Schematic of test for under stagnation performance program interface

6 结 论

本文研究了一种全玻璃热管真空太阳集热管的自动化热性能测试系统，测试方案和系统平台根据国家关于全玻璃热管真空太阳集热管的热性能测试标准进行设计和搭建.系统平台的硬件部分首先由满足测量精度等要求的室外传感器采集温度等热性能测试数据，随后由处理电路模块处理传感器的输出信号，得到的数据信号以无线传输方式传至室内的上位机，并由测试系统的上位机软件界面程序自动处理数据和计算测试结果.该系统实现了室内的值守人员对室外全玻璃热管真空太阳集热管自动化热性能检测，提高了测试效率和准确度，其无线方式解决传统测试中的布线问题，有效提高室外测试的灵活性.

[1] 丁祥,林文贤,许玲,等.热管式真空集热管及其太阳集热器的研究与应用[J].云南师范大学学报:自然科学版,2011,31(4):41-49.

[2] 马芳芳,高文峰,刘滔,等.真空管吸收涂层的吸收比对全玻璃真空管的热性能影响的试验分析[J].云南师范大学学报:自然科学版,2012,32(4):17-21.

[3] 周小波,蒋富林,孙伟.热管式真空太阳能集热管及其应用[J].太阳能,2011 (16):52-58.

[4] 杨祚宝,刘祖明,李景天,等.基于LabVIEW的太阳电池光谱响应测试仪[J].云南师范大学学报:自然科学版,2008,28(4):34-37.

[5] 刘宇.基于嵌入式Linux太阳能集热管热性能检测装置的研究与设计[D].沈阳:东北大学,2011.

[6] 王亮亮.太阳能热水器、集热器热性能测试系统设计及应用[D].扬州:扬州大学,2012.

[7]GB/T26975-2011全玻璃热管真空太阳集热管[S].2011.

[8] 兰羽,白洁.基于Pt100传感器的温度测量系统设计[J].机械与电子,2013 (10):44-46.

[9] 薛风国.一种恒流源驱动的高精度温度测量系统设计[J].信息技术,2012 (9):5-8.

[10]李倩.基于AT89LV52和CC1000的无线测温系统的设计[J].中国科技信息,2010 (10):145-146.

[11]黄智伟,朱卫华.可编程RF收发器芯片CC1000的原理及应用[J].国外电子元器件,2002 (6):71-73.

[12]王晓,张宝怀.基于LabVIEW的换热器性能试验装置测控系统的开发[J].机械工程学报,2009,45(4):309-312.