增效盖板对平板集热器热性能的影响研究

杨 宾，左德功，赵艺茵

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

增效盖板对平板集热器热性能的影响研究

杨 宾，左德功，赵艺茵

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

针对目前平板太阳能集热器集热效率低等缺点，本文以平板集热器为研究对象，搭建了有无增效盖板的两组集热器性能测试平台，盖板与相应集热器最佳夹角固定为120°，每组集热器采用四块集热板串联，集热面积为7.76m2．实验分别对两组集热器的瞬时效率和日平均效率进行测试，进而对增效盖板的作用进行实验分析．结果表明增效盖板可以使集热器瞬时效率提升9%左右，日平均效率可以提高7.3%，同时增效盖板结构简单，价格低廉，具有明显的经济效益．

平板集热器；太阳能；增效盖板；集热效率；热性能

0 引言

我国太阳热水器在生产能力和应用规模上都处于世界首位[1]，热水器中的光热转换部件主要有真空管式、热管式和平板式3类．其中平板型太阳能集热器有其独特的优势，适合作为建筑一体化构件．平板太阳能集热板的结构主要由透明盖板、保温层、吸热板、外壳等几部分组成．盖板的主要作用是产生温室效应；保温层可以降低集热体的热损失；吸热板可以吸收太阳辐射能并向水传递热量；外壳将吸热板、盖板、保温层组成一个整体．在新型平板集热器的研制方面，目前学术界主要针对平板集热器本身的固有结构加以改进或研制新型材料，西安交通大学的郑宏飞等人开展了窄缝高真空平面玻璃用于太阳能集热器盖板的实验研究2．山东大学的高立峰研究了平板集热器中的选择性吸收涂层并对管板式金属流道集热器和不锈钢全流道集热器进行了优化设计[3]．哈尔滨工业大学的汪艳伟等人通过改善集热器透明盖板提高集热器效率[4]．中国科学技术大学的季杰等人提出了一种新型的“L”型翅片的双效太阳集热器，并在不同的工况下对其做了热性能测试[5]．可以看出，通过改变集热器盖板或更换新型材料来提高集热器性能的方式，看似可行，但大大增加了集热器成本，平板集热器的集热效率有所提高，但效果并不明显．本文对安装反射聚光装置的平板集热板进行实验研究，增效盖板看似结构简单，但价格低廉，安装方便，收效比明显，同时恶劣天气也可以起到保护平板集热器的作用，具有一定的工程意义．文中对平板集热器安装了增效盖板，论述了增效盖板的安装角度，并对增效盖板对集热器瞬时效率、日平均效率的影响进行了实验研究．

1 增效盖板结构原理图

太阳能聚光增效盖板的基本作用是将太阳光反射到集热板上，增加照射到集热板上的太阳光能流密度，间接实现增加产热量的目的．盖板的安装位置有集热板上边沿和集热板下边沿2种，考虑到结构承载能力及盖板的安装不能遮挡投射到集热板上的太阳光的基本要求，当集热板倾角较小时盖板宜安装在集热板上边沿，集热板倾角较大时盖板宜安装在集热板下边沿，并且盖板与集热板间夹角都应为一钝角．图1为太阳能聚光增效盖板安装在集热板上边沿时的示意图，其中1太阳能聚光增效盖板，2集热板，3集热板支架，4盖板后支撑，5转轴．加装太阳能聚光增效盖板的集热器完整组合应包括聚光增效盖板、太阳能集热器、太阳能集热器支架、聚光盖板后支撑、盖板转轴、盖板活动拉杆、拉杆上支点、拉杆下支点、活动拉杆紧固螺丝、L型支架．由盖板活动拉杆、L型支架、聚光盖板后支撑组成一个三角形的稳定结构，支撑着聚光增效盖板．盖板活动拉杆两端是可拆卸结构，最简单的是螺丝和带搬手的螺母，实现了连上盖板活动拉杆后起到聚光效果，卸下盖板活动拉杆后聚光增效盖板就成为盖板．盖板的活动拉杆是可以伸缩的，伸缩的目的是用于调整聚光版的正确角度，使反射光线最大程度落在太阳能集热器上．同等面积的太阳能聚光增效盖板造价是集热板造价的十分之一，理想状态下，盖板面积等于集热板面积时，太阳直射集热板时，集热板上光照度可增加50%，产热量可增加25%以上，这大大提高了太阳能利用的经济性[6]．图2为聚光增效盖板实物图，增效盖板安装在集热板下部，盖板上部用细铁丝连接集热器上端加以固定．

图1 太阳能聚光增效盖板结构图Fig.1 Structure diagram of the solar concentrating efficiency glazing

图2 聚光增效盖板实物图Fig.2 Physicaldiagram of the concentrating efficiency glazing

2 聚光增效盖板最佳夹角

本实验在集热板上装设了太阳能聚光增效盖板，盖板安装位置有集热板上边沿和集热板下边沿两种，考虑到设备搭建简易、操作方便的需求，选择将聚光增效盖板装设在集热板下边沿，这样便于对盖板进行维护调整．太阳能聚光增效盖板的最佳安装角度可由计算得出，在正午太阳高度角为50°的条件下，集热板安装倾角应为40°，这样可以得出太阳能聚光增效盖板与集热板间夹角为120°时为最佳安装角度，原理如图3所示．

图3 太阳能聚光增效盖板安装角度计算Fig.3 Installation angle calculation of thesolar concentrating efficiency glazing

需要指出最佳安装夹角为120°的结论并不是仅仅适用于正午太阳高度角50°，集热板倾角40°这一种情况．当正午太阳高度角变化时，集热板最佳安装倾角也随之变化，此时盖板最佳位置与水平面的夹角有所变化，但盖板与集热板间夹角始终保持120°，究其原因，是由于盖板在最佳安装角度下始终要保证盖板顶端能反射太阳光恰好到集热板顶端，而集热板几何长度与盖板几何长度具有等边关系，这样就使得盖板与集热板最佳夹角固定在了120°．

3 实验测试

3.1 实验测试原理及测试仪器

如图4所示，为准确对比增效盖板的作用，考虑到影响因素较多，其中需确保集热器进口水温、管路长度、集热器倾角和方位角一致，因此需采取一种合理的测试手段．图4中集热器组1未安装增效盖板和集热器组2安装增效盖板（后面简称远端和中端）并联且并排放置，倾角和方位角相同以保证两组集热器接受的太阳辐射量相同．

图4 实验测试原理图Fig.4 The principle diagram of the test

实验时，开启水泵，通过观测测温点2、4的温度差异，判断水路热量输配情况，即水路的平衡性．分别在集热器组的进水口和出水口布置了测温点，并在进水口测安装流量表，以此来计算集热器的得热量，同时集热水箱内部分别在上、中、下布置了3个测温点，观测水箱内水温的变化．环境温度计放置在无太阳直接照射的阴影下，距集热器10 m以内，自动采集数据，太阳辐射量采用全天候光伏数据记录仪，其倾角与集热器组倾角相同，自动采集记录．

实验需要测量的数据主要有太阳能辐射数据以及不同位置的温度数据．

太阳辐射测量采用SOLAR-1型太阳能辐射仪（如图5所示），仪表的工作环境在 40～80℃之内，相对湿度小于 90%，准确度为0.5%，内分辨率为±1V和TBQ-2-B型太阳能总辐射表（如图6所示），辐射值测试范围为0～2000W/m2，测试精度小于2%，可以准确测量太阳能总辐射、辐射时累计值和辐射日累计值数据，采集数据时使辐射表平面与集热器采光面平行，这样可以直接得到相应角度下的太阳能辐射数据，包括直射辐射和散射辐射，省去了公式换算的麻烦．

图5 SOLAR-1型太阳能辐射仪Fig.5 SOLAR-1 solar radiometer

图6 TBQ-2-B型太阳能总辐射表Fig.6 TBQ-2-B solar pyranometer

图7 GP20温度记录仪Fig.7 GP20 temperature recorder

图8 CRL-H户用超声热量表Fig.8 CRL-H household ultrasonic heatmeters

温度数据的采集采用T型热电偶，传递的电势差信号由图7所示的YOKOGAWA的测温仪器GP20转换为温度信号并显示，测量范围为 20～1 320℃，测量精度为0.05%．为了准确记录系统的得热量和流量数据，本实验还装设了热量表，热量表选用汇中CRL-H户用超声热量表（如图8所示），该仪表测温范围4～95℃，最小配对温度误差±1℃，累计流量分辨率0.001m3，准确度等级为二级，分别在两组集热器进水口出处装设．仪表精度满足本次实验测试需求．

3.2 实验数据分析

3.2.1 瞬时效率

参考国家标准GB/T 18708-2002[7]和GB/T 4721-2007[8]以及各类文献，对于集热器瞬时效率采用瞬时法．瞬时法要求在稳态或准稳态的条件下进行，是对应于一个开式的系统，需要测定流经集热器的工质质量流量、工质进出口温差和集热器采光面上的太阳总辐照度．本实验数据记录间隔足够短（5m in），可以近似认为是稳态，集热器部分是典型的开式系统，所以本实验条件满足瞬时法的测定需求，可应用瞬时法测定集热器的瞬时效率．

太阳能集热器瞬时效率指在稳态工况下，在此时间段内由换热介质从集热装置上所获得的热量与这段时间段内集热器采光面所接受的太阳辐射量的比值．

经实验测试，数据分析得到连续4天内中端组和远端组瞬时效率曲线见下图9（实验设定集热器倾角为30°，方位角均为0°，并保证集热器采光面上的太阳总辐照度大于700W/m2）．

图9 有无增效盖板集热器瞬时效率对比图Fig.9 Comparision of the instantaneousefficiency of the solar collecterw ith andw ithoutefficiency glazing

从图9可以看出，集热器的瞬时效率并不稳定，但总体趋势一致，呈驼峰型变化，约在12：30分左右达到最大值．根据傅里叶定律及牛顿冷却定律，工质升温的速率与传热温差的大小成正比，传热温差的扩大可以直接影响工质升温速率的提高．结合图9中4幅图效率曲线的走向和对应时刻集热器采光面上太阳总辐照度的值，发现集热器的瞬时效率和太阳辐照度的值有强烈的对应关系，在连续运行的条件下，集热器的瞬时效率值的升高基本是伴随着太阳辐照度的升高，而太阳辐照度的降低将直接导致集热器瞬时效率的降低．太阳辐照度达到一天的峰值时，集热器瞬时效率曲线的斜率也趋近为0，此时工质升温的推动力最强，也即传热温差最大．随后太阳辐照度减弱，集热器瞬时效率曲线也呈下降趋势．从图9中可以看出，安装有增效盖板的集热器组瞬时效率明显比未安装增效盖板的集热器组瞬时效率高，以4月21日集热器瞬时效率为例，可以看到远端组和中端组集热器的瞬时效率变化曲线大致一致，但中端组在10点左右的升温幅度要高于远端组的升温幅度，增温幅度明显，2组集热器瞬时效率最大值基本在同一时刻出现，中端组最大值为0.47左右，而未安装增效盖板的远端组瞬时效率最大值为0.37左右．

表1 增效盖板效果数据表Tab.1 Data tableof the efficiency glazing effect

数据整理得到表1，可以看出太阳能聚光增效盖板起到增加集热器集热效率的作用，实际运行中将集热器组进出口温差的差值提升将近2℃，瞬时效率最大值平均提高了9%左右，热效率增效比例最大值会可达到23%以上．通过改变集热器构造或者采用高性能材料的方法提高集热器效率会花费很高的费用，得不偿失，然而增效盖板价格低廉，生产工序简单，作用显著，具有很高的实用价值．

3.2.2 日平均效率

太阳能集热器的日平均效率是描述集热器性能的另一个重要指标，它具有一定的稳定性．其定义为在有太阳辐照条件下的一定时间内，太阳能集热器贮水所获得的热量与照射到太阳能集热器采光面上的太阳辐射能量之比．在本实验中水箱的得热来自两组集热器的共同作用，所以每组集热器的得热量取CRL-H户用超声热量表的数据．

筛选辐射量在8～25MJ/m2范围内不同日期下两组集热器的日平均效率数据表汇总如表2，并整理成折线图如图10．

表2 有无增效盖板的集热器组日平均效率数据表Tab.2 Data table of the average efficiency of the solar collecterw ith and w ithoutefficiency glazing

从上图10可看出未安装增效盖板的集热器组日平均效率约在0.349左右，而安装增效盖板的集热器组日平均效率在0.422左右．日平均效率提高了7.3%，可以看出增效盖板对提高集热器效率有显著的帮助，相对于改变集热器内部结构和更换集热器盖板材料的方法有很好的经济性，增效盖板安装方便，当集热器暴晒时，伸长增效盖板背后的活动拉杆，将增效盖板覆盖到集热器上，对集热器起到保护作用．

图10 有无增效盖板日平均效率对比图Fig.10 Comparision of theaverageefficiency of the solar collecterw ith and withoutefficiency glazing

4 结论与建议

本文搭建的平板式太阳能集热器实验平台，为了提高数据的准确性和可靠性，减少单一集热器不确定因素带来的误差，将4块同类型集热器以串并联的方式形成集热器组作为研究对象，通过远端和中端两组集热器组（有无增效盖板差异）进行对比，通过理论分析和实验数据处理得出结论如下：1）一天中系统的瞬时效率呈现驼峰型变化趋势，总是先增大后减小，变化区间为30%～50%，约在12:30左右达到峰值，在早8:00之前和下午15:00之后系统效率会变得很低．2）太阳能聚光增效盖板具有良好的应用价值，在实际测试中可以使集热器瞬时效率提升9%左右，热效率增效比例最大值可达到23%以上，日平均效率可以提高7.3%，增效盖板结构简单，价格低廉，具有明显的经济效益，同时也使太阳能供暖更加具有可行性．3）盖板与集热板最佳夹角固定为120°，增效盖板的出现，不仅能提高集热器的热效率，而且当夏天集热器出现过热现象时，将增效盖板反盖到集热器上，也可以起到防护的作用．

[1]罗振涛，霍志臣．我国太阳热水器产业发展现状 [J]．太阳能，2003（1）：5-7．

[2]郑宏飞，吴裕远，郑德修．窄缝高真空平面玻璃作为太阳能集热器盖板的实验研究 [J]．太阳能学报，2001，22（3）：270-273．

[3]高立峰．新型平板太阳能集热器研制及与建筑一体化应用研究 [D]．济南：山东大学，2013．

[4]汪艳伟，郑茂余，赵立前，等．高效平板太阳能集热器盖板的热工性能实验研究 [J]．节能，2007，26（5）：14-17．

[5]季杰，马进伟，孙炜，等．一种新型双效太阳能平板集热器的光热性能研究 [J]．太阳能学报，2011，32（10）：1470-1474．

[6]杨尊峰，曹金玲．太阳能聚光增效盖板：中国，CN204084887U[P]．2015-07-01．

[7]GB/T 18708-2002，家用太阳热水系统热性能试验方法 [S]．

[8]GB/T 4271-2007，太阳能集热器热性能试验方法 [S]．

[责任编辑 田 丰 夏红梅]

Research of theeffectof theefficiency coverplate on the thermal propertiesof the flatplate collector

YANG Bin，ZUO Degong，ZHAO Yiyin

(Schoolof Energy and EnvironmentEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Flat plate solar collectors have a relatively low collection efficiency and other problems.This paper chooses flatplate collectorw ith efficiency cover plate as the research object,efficiency cover platew ith the flatplate collector is fixed to the bestangle of 120°,and each group uses four collector plate collector in series,collector area of 7.76m2. Two groups of collector instantaneousefficiency and average daily efficiency were respectively tested in the experiment, and then the experimentalanalysiswas carried outon the cover plate of the synergies.Experiments show thatefficiency coverplate canmake the collector instantaneousefficiency by about9%.Theaverage daily efficiency can be increased by 7.3%.With a simple structure and low price,the efficiency coverplate has the obviouseconom ic benefits.

flatplate collector;solarenergy;efficiency cover plate;heatcollection efficiency;heatperformance

TK513

A

1007-2373(2016)02-0068-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.012

2015-09-21

“十二五”国家科技支撑计划重大项目（2012BAJ06B04）；河北省高等学校科学技术研究项目（QN2015028）；国家国际科技合作专项（2014DFA60750）；天津市教委科研计划项目（20140418）

杨宾（1980-），男（汉族），讲师，博士．