一种新型太阳能平板集热器的集热性能试验研究★

杨 凡

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

我国太阳能资源丰富，全国2/3以上的地区年总辐射照度在5 000 MJ/m2以上，太阳能热利用条件相当优越。国外最早对太阳能的热利用发生在20世纪初，主要是以平板型太阳能集热器为主。国内太阳能热利用发生在20世纪中期，初期主要是以平板型太阳能集热器为主，后期真空管集热器、热管集热器等相继问世。热管集热器由于其高昂的价格在市场中所占的份额较少，真空管太阳能集热器保温性能好、抗冻能力也较强，但其不能承压也容易结垢，且不易与建筑一体化，不是太阳能建筑一体化可推广的优选方案。平板型太阳能集热器与真空管集热器相比，可承压、免维护、有利于实现建筑一体化，但其抗冻能力差，集热效率差。为解决这些问题，国内外的专家学者们进行了大量的研究[1-3]，国外学者Dharamvir Mangal研究了风速与环境温度对集热器集热效率的影响；Hull研究了内插型平板集热器的热力学性能；H.M.S.Hussein等分析了太阳辐照度、热管冷凝段和蒸发段尺寸关系对集热器集热效率的影响。我国学者袁胜利等研究了复合抛物面反射镜的热管太阳能集热器；许雪松等对CPC型热管式集热器进行传热分析和实验；任云锋等设计了一种CPC型热管式太阳能集热器，该型太阳能集热器提高了集热温度和系统的整体集热效率，也大大降低了系统的热损失。

2 毛细超导太阳能平板集热器

2.1 集热器结构及部件

毛细超导太阳能平板集热器由锁热毛玻璃盖板、吸热蓝膜、毛细超导吸热板、保温层及外壳等部件组成，外形尺寸大小为2 000 mm×1 000 mm×200 mm，四周及底面保温材料为聚氨酯，外边框为铝材，内部为钢架。毛细超导吸热板通过焊接的方式固定在钢架上，上层覆盖吸热蓝膜及毛玻璃盖板。集热器核心部件是毛细超导吸热板，毛细超导吸热板由上下两块铝合金板材加压焊接而成，内置毛细管。毛细管内冲注有体积含量5%～10%的超导液，冲注过程须在压力容器内完成。每片超导板宽度约为60 mm，长度可随集热器尺寸进行定制。 外形图如图1所示。

2.2 传热原理

超导吸热板里注入的超导液是一种可相变的混合液体，其中丙酮的成分占到95%以上，是最主要的组成成分。超导液的相变温度可随着冲注液配比的不同而进行调整。本次测试的集热器，相变温度为40 ℃。太阳照到集热器的毛玻璃片上，玻璃片上的吸热蓝膜将太阳能进行充分的吸收，这时太阳能转换为热能。热能传递到超导吸热板，吸热板充分吸收热量，当热量吸收到一定的程度，达到超导液的相变温度时，超导吸热板底部的超导液在毛细管内发生相变，液态变成气态，且体积发生膨胀，充满整个毛细管。

水管与超导吸热板顶部通过焊接的方式垂直交叉连接，当冷水流过吸热板时，吸收吸热板的热量，温度提高，从集热器的另一端流出，进入水箱，从而加热水箱中的水。该过程一直循环往复，使得水箱里的水温度一直升高。循环工质流动示意图如图2所示。

3 集热器集热性能测试

3.1 测试平台搭建

依据太阳能集热器性能测试相关标准进行试验平台的搭建，集热器倾角为45°，集热器上无任何阴影投射，试验现场如图3所示。该太阳能集热器测试平台测量参数包括：环境温度、环境风速、倾斜面太阳辐射强度、进口温度、出口温度、介质循环流量、水箱温度等。

将太阳能辐射表按照与集热器相同的角度安装好，每日晚将太阳能集热器表面进行遮挡，第二日早上6:00～8:00更换水箱中的存水，更换完毕，早上8:00移走集热器表面的遮挡布，开始进行试验。试验所用的测试设备均能连续进行读数且自动记录，设置数据记录时间间隔为10 min，并观察天气变化。第二天再次按照相同的流程进行试验，且保证换水时间以及水箱换水量一致。

3.2 测试设备

该太阳能集热器测试平台测量参数包括：环境温度、环境风速、倾斜面太阳辐射强度、进口温度、出口温度、介质循环流量、水箱温度等。环境温度及环境风速使用的测试设备为组合式气象站，进口温度、出口温度及水箱温度使用的测试设备为铂电阻温度传感器，循环流量使用的测试设备为热量表。以上设备均检定合格且在检定周期内，设备精度如表1所示。

表1 测试设备性能参数表

4 试验数据分析

4.1 数据处理依据

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》中太阳能热利用系统的集热系统效率指标来对测试数据进行分析计算。标准中规定太阳能热水系统的测试周期分为长期测试与短期测试，长期测试周期不少于120 d，且需连续进行。短期测试时间不少于4 d，运行工况应接近设计工况，且短期测试应满足太阳辐照量区间的要求。对于短期测试，太阳辐照量划分为4个区间，这4个区间分别为：H<8 MJ/(m2·d)；8 MJ/(m2·d)≤H<12 MJ/(m2·d)；12 MJ/(m2·d)≤H<16 MJ/(m2·d)；H≥16 MJ/(m2·d)。本次集热性能测试试验共进行了为期20 d的测试，每日测试时间从上午8:00开始至达到所需要的太阳能辐照量为止。集热器集热效率按式(1)～式(3)计算得出：

η=Qj/(A×H)×100

(1)

(2)

(3)

其中，η为太阳能热利用系统的集热系统效率，%；Qj为太阳能热利用系统的集热系统得热量，MJ；A为集热系统的集热器面积，m2；H为太阳总辐照量，MJ/m2；n为总记录次数；mji为第i次记录的集热系统平均流量，m3/s；ρw为集热工质的密度，kg/m3；cpw为集热工质的比热容，J/(kg·℃)；tdji为第i次记录的集热系统的出口温度，℃；tbji为第i次记录的集热系统的进口温度，℃；ΔTji为第i次记录的时间间隔，s，不应大于60；x1,x2,x3,x4均为由标准中确定的太阳辐照量在当地气象条件下按供热水、采暖或空调的时期统计得出的天数。

4.2 数据处理及结果分析

集热器集热性能测试时间为2017年5月11日～2017年5月20日，2017年6月2日～2017年6月11日，共20 d，测试地点为山西省太原市东山某村。根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》中对太阳辐照量的要求，选取测试数据中的两组满足太阳辐照量的数据进行分析，根据式(1)～式(3)对测试数据进行计算，数据计算结果如表2，表3所示。

表2 实验数据结果(一)

表3 实验数据结果(二)

从表2，表3中的数据可以看出：

1)两组集热器性能测试日期相近，集热器集热效率变化趋势基本一致。

2)当太阳能辐照量在区间H<8 MJ/(m2·d)及H≥16 MJ/(m2·d)时，集热器的集热效率接近80%，集热相对较低，在区间8 MJ/(m2·d)≤H<12 MJ/(m2·d)及12 MJ/(m2·d)≤H<16 MJ/(m2·d)时，集热效率基本在85%以上，集热效率相对较高。

3)根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》中对太阳能热利用系统的集热效率的级别划分原则，当集热效率42%≤η<50%时为3级，当50%≤η<65%时为2级，当η≥65%时为1级，从测试结果看，该毛细超导平板型集热器的集热效率最高能达到89.6%，最低为60.5%，平均效率为78.6%，均能达到1级。

5 结语

平板型太阳能集热器是目前市场份额占有量最大的一种太阳能集热器，也是太阳能光热利用最常用的集热器类型，在低碳发展的时代，太阳能利用作为最成熟的可再生能源利用方式，对太阳能集热器的集热效率的研究具有重要的意义。作为一种新型的太阳能集热器， 毛细超导平板太阳能集热器具有传统平板集热器的优点，可承压、免维护、可实现建筑一体化，同时由于其特殊的结构特点，克服了传统集热器抗冻能力差的问题，且集热效率也较传统平板集热器提高很多，具有较好的推广使用价值。