以太阳模拟器为光源的集热器室内稳态性能对比

江苏省产品质量监督检验研究院 ■ 操恺 薛怀生

以太阳模拟器为光源的集热器室内稳态性能对比

江苏省产品质量监督检验研究院 ■ 操恺 薛怀生*

以大面积太阳模拟器考察了平板式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器、全玻璃真空管式太阳能集热器室内稳态下的性能。经测定，全玻璃真空管式太阳能集热器的时间常数为1235 s，其压力曲线随流速变化平缓。在辐照强度为900 W/m2、进口温度低于57 ℃时，平板太阳能集热器的效率高于热管真空管式和全玻璃真空管式太阳能集热器；进口温度高于57 ℃时，式真空管式太阳能集热器的效率高于平板式太阳能集热器；进口温度高于64 ℃时，全玻璃真空管式太阳能集热器的效率高于平板式太阳能集热器。在工作温度范围内，全玻璃真空管式太阳能集热器的效率低于热管真空管式太阳能集热器。设计、流动和换热特征影响了集热器的性能。

太阳模拟器；稳态性能；平板式太阳能集热器；热管真空管式太阳能集热器；全玻璃真空管式太阳能集热器

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭，环保及可持续发展逐渐被大众所接受并深入人心。太阳能是一种清洁并被认为是用之不竭的能源，如今已被用于家用及工业行业的加热和发电。太阳能集热器是能量转化的关键部件，根据其内部空间特征，可将其分为平板式和真空管式太阳能集热器。两者间性能对比研究数据对于工程技术人员、用户及监管者非常重要，有大量文献刊载关于这两种集热器详尽的性能对比研究。通常，真空管式太阳能集热器的涂层吸收率要高于平板式太阳能集热器；同时，真空夹层也可大幅降低热损。在低折合温度下(进口/环境温度间的温差和辐照度的商)，平板式太阳能集热器的瞬时效率高于真空管式太阳能集热器；在高折合温度下，真空管式太阳能集热器的效率高于平板式太阳能集热器；热管真空管式太阳能集热器的效率介于两者之间[1-3]。不过，也有试验及模拟计算结果显示，真空管式太阳能集热器的性能优于平板式太阳能集热器[4,5]。

前述文献的试验条件为符合相关测试标准的室外稳态条件[6-8]，现行室外稳态集热器测试的天气条件见表1。另外，测试共需16个数据点来表征平板式太阳能集热器的热性能，标准规定，稳态条件至少需要持续25 min，以保证全部数据点的记录。要求严苛也加大了设备的投入，对于太阳能集热器而言，如真空管式太阳能集热器，其时间常数很大，因此测试周期变得很长，导致室外稳态测试几乎无法进行。

表1 标准规定的室外稳态测试环境条件

太阳模拟器可以模拟太阳光照，提供可控的环境条件，并且条件具有良好的稳定性和复现性，是可靠而得力的测试设备。有研究人员以模拟器为手段进行集热器及其他太阳能热利用产品的性能测定，进而对其进行选择和性能预测。Kiatsiriroat等[9]用太阳模拟器对平板式太阳能集热器进行了室外稳态性能测定。Simon[10]依照吸收材料、吸收涂层、盖板材料、蜂窝材料，以及真空抑制对流热损措施的不同，将测试的集热器分为23类，并在模拟光照下测定评价了集热器的性能。Garg等[11]设计了一种低成本的太阳能集热器，由14盏石英卤素灯组成，测试区域面积为1 m×1 m，并对传统的太阳能空气集热器进行了测试。由线性聚焦单元和工质循环系统构成的太阳模拟器被用来测定抛物槽式集热器的光效率，开路结构的效率更加接近于计算值。Nkwetta等[12]用太阳模拟器测定比较了热管真空管式太阳能集热器和聚焦式真空管中温集热器的热性能。

本文用大面积太阳模拟器对平板式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器和全玻璃真空管式太阳能集热器进行室内稳态性能测试，包括时间常数、压降和集热器瞬时效率。

1 试验

试验中用到的3种集热器包括平板式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器和全玻璃真空管式太阳能集热器。表2给出了3种集热器轮廓尺寸及涂层和盖板(或罩管)性能参数。

测试平台由太阳模拟器、集热器测试台、X/Y轴扫描机器人、温控系统、数据采集系统组成；光源由8盏金属卤素灯组成；光谱质量符合EN 12975-2对模拟器光谱质量的规定[6]。

图1为集热器测试时的现场照片，测试面积达2.0 m×2.4 m。经测量和计算，灯场的均匀度为4.55%，如图2所示，满足上述标准规定的要求。

表2 集热器性质参数

图1 太阳模拟器及太阳能集热器测试台

图2 测试台面辐照分布情况

太阳集热器的性能测试包括时间常数、压降

和集热器效率。

开始时间常数测试前，在太阳能集热器上方10 cm处用遮蔽物遮挡集热器；集热器进口温度调整为接近环境温度。当测试系统达到稳态后，移除遮蔽物，开始试验，至测试系统达到新的稳态。时间常数以式(1)计算：

式中，te为太阳能集热器出口温度，℃；ta为环境温度，℃；下角标1表示试验开始，下角标2表示试验结束。

太阳能集热器效率测定的温度范围为室温至65 ℃，选择均分的4个温度点，每个测试温度下，至少需要4个独立的数据点，每两个数据点间的时间间隔至少4 min；另外，还应满足每个温度点持续的测试周期至少为太阳能集热器有效热容和工质流速之比的4倍以上。

太阳能集热器效率η的计算式为：

式中，A为太阳能集热器面积，m2；G为太阳总辐射为有用功，W，可用式(3)求得：

太阳能集热器的压降在集热器工作的压力范围均匀分布的5个压力值上测定，集热器效率测试时的流速采用标准规定的0.02 kg/(m2·s)。平板式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器和全玻璃真空管式太阳能集热器的面积分别为1.82 m2、2.173 m2和3.29 m2；对应于集热器面积，测试时的工质流量分别为0.0364 kg/s、0.0346 kg/s和0.0658 kg/s。

2 结果与讨论

经计算，平板式、热管真空管式和全玻璃真空管式太阳能集热器联集管的当量直径分别为0.008 m、0.031 m和0.09 m。

式中，Red为雷诺数(基于管径)；d为管径，m；μ为动力粘度，kg/(m·s)。

由式(4)可知，在测试的温度和流速条件下，由于当量直径不同，工质流经太阳能集热器时的流动状态也不同。平板式、热管真空管式和全玻璃真空管式3种太阳能集热器的雷诺数分别为3243～12411、795～3044、521～2305。全玻璃真空管式太阳能集热器内工质处于层流状态，流动的驱动力为密度差导致的浮力，因此，其受联集管内流动及流速的影响小；同时，由于真空管内相对大量热质(2.6 kg/管)存在的影响，系统达热平衡的时间大幅增加，全玻璃真空管式太阳能集热器的时间常数是3种集热器中最长的，达到1235 s，如图3所示。在室外稳态测试条件下，如此长的时间常数，几乎不可能进行稳态测试。工质在平板式太阳能集热器内处于湍流，而平板式太阳能集热器换热优于热管型集热器，实际测量得到热管的启动温度为55.43 ℃，这也增加了其时间常数，平板式太阳能集热器的时间常数为95 s，是3种太阳能集热器中最短的，而热管真空管式太阳能集热器的时间常数为210 s。

图3 3种太阳能集热器的时间常数

太阳能集热器的压降受流体流速、尺寸及内部管道形状影响，可表示为：

式中，V为流速，m/s；a为速度因子；p为压力，Pa；ρ为密度，kg/m3。

热管真空管式太阳能集热器蒸发段得到的热量以导热、流动换热，以及通过焊接内插于联集管内小室状冷凝段内的相变换热传递。热管冷凝段的直径为22 mm，管壁厚度为1.5 mm。联集管的管径和厚度分别为35 mm和2 mm。小室状冷凝段的存在使管子的当量直径减小，并小于平板式太阳能集热器内盘管直径；同时，小室也带来流体流动的隔板效应，流动阻力增大，在相同的流速下，热管真空管式太阳能集热器的压降高于平板式太阳能集热器(图4)。相比于全玻璃真空管式太阳能集热器，平板式太阳能集热器的流道更长、盘管直径更小，其压降更易受到流速的影响。

图4 3种太阳能集热器的压降曲线

在室内的测试条件下，由于内部的流动状态和零损效率，平板式太阳能集热器性能高于热管真空管式和全玻璃真空管式太阳能集热器。随着运行温度的提高，平板式太阳能集热器的热损增大，而全玻璃真空管式太阳能集热器真空夹层的保温效果得以体现。在辐照度为900 W/m2、环境温度为25 ℃的条件下，平板式太阳能集热器的效率直线和热管真空管式及全玻璃真空管式太阳能集热器的效率直线的交点温度为57 ℃ 、64 ℃。当运行温度高于交点温度时，集热器效率出现翻转，热管真空管式太阳能集热器和全玻璃真空管式太阳能集热器效率直线交点的折合温度为0.082 (m2·K)/W(900 W/m2，99 ℃)，如图5所示。因此，热管真空管式太阳能集热器性能恒高于全玻璃真空管式太阳能集热器，虽然后者有更优的涂层(表2)、罩管材料及管道设计，但在运行温度范围内，热管真空管式太阳能集热器的相变换热使得其性能优于全玻璃真空管式太阳能集热器。

图5 太阳能集热器效率线性拟合直线

3 结论

本文考察的太阳能集热器在管道尺寸、截面形状、流道、流动的驱动力、流动状态，以及换热特征方面都有所不同。全玻璃真空管式太阳能集热器由于大量热质的存在，使其时间常数大幅增加；热管真空管式太阳能集热器内存在隔板效应，内部流动受流速影响；平板式太阳能集热器零损效率高，性能高于其他两种。真空夹层的保温效果在高的运行温度得以体现，热损随运行温度的升高而增大，太阳能集热器效率大小顺序也随温度而发生变化。在运行温度范围内，热管真空管式太阳能集热器由于其相变换热的存在使其性能优于全玻璃真空管式太阳能集热器。

[1] Morrison G L, Tran N H. Long term performance of evacuated tubular solar water heater s in Sydney, Australia[J]. Solar Energy, 1984, 33: 785－791.

[2] Osório T, Carvalho M J. Testing of solar thermal collectors under transient conditions[J]. Solar Energy, 2014, 104: 71－81.

[3] Zambolin E, Col D D. Experimental analysis of thermal performance of flat plate and evacuated tube solar collectors in stationary standard[J]. Solar Energy, 2010, 84: 1382－1396.

[4] Ayompe L M, Duffy A, McCormack S J, et al. Validated TRNSYS model for forced circulation solar water heating systems with flat plate and heat pipe evacuated tube collectors[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31: 1536－1542.[5] Ayompe L M, Duffy A, Mc Keever, et al. Comparative field performance study of flat plate and heat pipe evacuated tube collectors (ETCs) for domestic water heating systems in a temperate climate [J]. Energy, 2011, 36: 3370－3378.

[6] EN 12975-2: 2001, Thermal solar systems and components -solar collectors - Parts 2: Test methods[S].

[7] ANSI/ASHRAE 93-2003, Methods of testing to determine thermal performance of solar collectors[S].

[8] ISO 9806-1: 1994(E), Test methods for solar collectors - part 1: Thermal performance of glazed liuied heating collectors including pressure drop[S].

[9] Kiatsiriroat T, Na Thalang K. Parameters of solar collectors tested with a KMITT solar simulator[J]. Renewable Energy, 1993, 3: 795－799.

[10] Simon F F. Flat-plate solar-collector performance evaluation with a solar simulator as a basis for collector selection and performance prediction[J]. Solar Energy, 1976, 18: 451－466.

[11] Garg H P, Shukla A R, Madhuri I, et al. Development of a simple low-cost solar simulator for indoor collector testing[J]. Applied Energy, 1985, 21: 43－54.

[12] Nkwetta D N, Smyth M, Zacharopoulos A, et al. In-door experimental analysis of concentrated and non-concentrated evacuated tube heat pipe collectors for medium temperature applications [J]. Energy and Buildings, 2012, 47: 674－681.

2016-05-06

薛怀生(1975—)，男，高级工程师，主要从事太阳能及相关热利用产品的质量检测。h.shengxue@gmail.com