江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 ■ 操愷 薛懷生

以太陽模擬器為光源的集熱器室內(nèi)穩(wěn)態(tài)性能對比

江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 ■ 操愷 薛懷生*

以大面積太陽模擬器考察了平板式太陽能集熱器、熱管真空管式太陽能集熱器、全玻璃真空管式太陽能集熱器室內(nèi)穩(wěn)態(tài)下的性能。經(jīng)測定，全玻璃真空管式太陽能集熱器的時(shí)間常數(shù)為1235 s，其壓力曲線隨流速變化平緩。在輻照強(qiáng)度為900 W/m2、進(jìn)口溫度低于57 ℃時(shí)，平板太陽能集熱器的效率高于熱管真空管式和全玻璃真空管式太陽能集熱器；進(jìn)口溫度高于57 ℃時(shí)，式真空管式太陽能集熱器的效率高于平板式太陽能集熱器；進(jìn)口溫度高于64 ℃時(shí)，全玻璃真空管式太陽能集熱器的效率高于平板式太陽能集熱器。在工作溫度范圍內(nèi)，全玻璃真空管式太陽能集熱器的效率低于熱管真空管式太陽能集熱器。設(shè)計(jì)、流動(dòng)和換熱特征影響了集熱器的性能。

太陽模擬器；穩(wěn)態(tài)性能；平板式太陽能集熱器；熱管真空管式太陽能集熱器；全玻璃真空管式太陽能集熱器

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭，環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展逐漸被大眾所接受并深入人心。太陽能是一種清潔并被認(rèn)為是用之不竭的能源，如今已被用于家用及工業(yè)行業(yè)的加熱和發(fā)電。太陽能集熱器是能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，根據(jù)其內(nèi)部空間特征，可將其分為平板式和真空管式太陽能集熱器。兩者間性能對比研究數(shù)據(jù)對于工程技術(shù)人員、用戶及監(jiān)管者非常重要，有大量文獻(xiàn)刊載關(guān)于這兩種集熱器詳盡的性能對比研究。通常，真空管式太陽能集熱器的涂層吸收率要高于平板式太陽能集熱器；同時(shí)，真空夾層也可大幅降低熱損。在低折合溫度下(進(jìn)口/環(huán)境溫度間的溫差和輻照度的商)，平板式太陽能集熱器的瞬時(shí)效率高于真空管式太陽能集熱器；在高折合溫度下，真空管式太陽能集熱器的效率高于平板式太陽能集熱器；熱管真空管式太陽能集熱器的效率介于兩者之間[1-3]。不過，也有試驗(yàn)及模擬計(jì)算結(jié)果顯示，真空管式太陽能集熱器的性能優(yōu)于平板式太陽能集熱器[4,5]。

前述文獻(xiàn)的試驗(yàn)條件為符合相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的室外穩(wěn)態(tài)條件[6-8]，現(xiàn)行室外穩(wěn)態(tài)集熱器測試的天氣條件見表1。另外，測試共需16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來表征平板式太陽能集熱器的熱性能，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，穩(wěn)態(tài)條件至少需要持續(xù)25 min，以保證全部數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄。要求嚴(yán)苛也加大了設(shè)備的投入，對于太陽能集熱器而言，如真空管式太陽能集熱器，其時(shí)間常數(shù)很大，因此測試周期變得很長，導(dǎo)致室外穩(wěn)態(tài)測試幾乎無法進(jìn)行。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的室外穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境條件

太陽模擬器可以模擬太陽光照，提供可控的環(huán)境條件，并且條件具有良好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，是可靠而得力的測試設(shè)備。有研究人員以模擬器為手段進(jìn)行集熱器及其他太陽能熱利用產(chǎn)品的性能測定，進(jìn)而對其進(jìn)行選擇和性能預(yù)測。Kiatsiriroat等[9]用太陽模擬器對平板式太陽能集熱器進(jìn)行了室外穩(wěn)態(tài)性能測定。Simon[10]依照吸收材料、吸收涂層、蓋板材料、蜂窩材料，以及真空抑制對流熱損措施的不同，將測試的集熱器分為23類，并在模擬光照下測定評價(jià)了集熱器的性能。Garg等[11]設(shè)計(jì)了一種低成本的太陽能集熱器，由14盞石英鹵素?zé)艚M成，測試區(qū)域面積為1 m×1 m，并對傳統(tǒng)的太陽能空氣集熱器進(jìn)行了測試。由線性聚焦單元和工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的太陽模擬器被用來測定拋物槽式集熱器的光效率，開路結(jié)構(gòu)的效率更加接近于計(jì)算值。Nkwetta等[12]用太陽模擬器測定比較了熱管真空管式太陽能集熱器和聚焦式真空管中溫集熱器的熱性能。

本文用大面積太陽模擬器對平板式太陽能集熱器、熱管真空管式太陽能集熱器和全玻璃真空管式太陽能集熱器進(jìn)行室內(nèi)穩(wěn)態(tài)性能測試，包括時(shí)間常數(shù)、壓降和集熱器瞬時(shí)效率。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)中用到的3種集熱器包括平板式太陽能集熱器、熱管真空管式太陽能集熱器和全玻璃真空管式太陽能集熱器。表2給出了3種集熱器輪廓尺寸及涂層和蓋板(或罩管)性能參數(shù)。

測試平臺由太陽模擬器、集熱器測試臺、X/Y軸掃描機(jī)器人、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成；光源由8盞金屬鹵素?zé)艚M成；光譜質(zhì)量符合EN 12975-2對模擬器光譜質(zhì)量的規(guī)定[6]。

圖1為集熱器測試時(shí)的現(xiàn)場照片，測試面積達(dá)2.0 m×2.4 m。經(jīng)測量和計(jì)算，燈場的均勻度為4.55%，如圖2所示，滿足上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

表2 集熱器性質(zhì)參數(shù)

圖1 太陽模擬器及太陽能集熱器測試臺

圖2 測試臺面輻照分布情況

太陽集熱器的性能測試包括時(shí)間常數(shù)、壓降

和集熱器效率。

開始時(shí)間常數(shù)測試前，在太陽能集熱器上方10 cm處用遮蔽物遮擋集熱器；集熱器進(jìn)口溫度調(diào)整為接近環(huán)境溫度。當(dāng)測試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移除遮蔽物，開始試驗(yàn)，至測試系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。時(shí)間常數(shù)以式(1)計(jì)算：

式中，te為太陽能集熱器出口溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；下角標(biāo)1表示試驗(yàn)開始，下角標(biāo)2表示試驗(yàn)結(jié)束。

太陽能集熱器效率測定的溫度范圍為室溫至65 ℃，選擇均分的4個(gè)溫度點(diǎn)，每個(gè)測試溫度下，至少需要4個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)點(diǎn)，每兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔至少4 min；另外，還應(yīng)滿足每個(gè)溫度點(diǎn)持續(xù)的測試周期至少為太陽能集熱器有效熱容和工質(zhì)流速之比的4倍以上。

太陽能集熱器效率η的計(jì)算式為：

式中，A為太陽能集熱器面積，m2；G為太陽總輻射為有用功，W，可用式(3)求得：

太陽能集熱器的壓降在集熱器工作的壓力范圍均勻分布的5個(gè)壓力值上測定，集熱器效率測試時(shí)的流速采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.02 kg/(m2·s)。平板式太陽能集熱器、熱管真空管式太陽能集熱器和全玻璃真空管式太陽能集熱器的面積分別為1.82 m2、2.173 m2和3.29 m2；對應(yīng)于集熱器面積，測試時(shí)的工質(zhì)流量分別為0.0364 kg/s、0.0346 kg/s和0.0658 kg/s。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)計(jì)算，平板式、熱管真空管式和全玻璃真空管式太陽能集熱器聯(lián)集管的當(dāng)量直徑分別為0.008 m、0.031 m和0.09 m。

式中，Red為雷諾數(shù)(基于管徑)；d為管徑，m；μ為動(dòng)力粘度，kg/(m·s)。

由式(4)可知，在測試的溫度和流速條件下，由于當(dāng)量直徑不同，工質(zhì)流經(jīng)太陽能集熱器時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)也不同。平板式、熱管真空管式和全玻璃真空管式3種太陽能集熱器的雷諾數(shù)分別為3243～12411、795～3044、521～2305。全玻璃真空管式太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)處于層流狀態(tài)，流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力為密度差導(dǎo)致的浮力，因此，其受聯(lián)集管內(nèi)流動(dòng)及流速的影響??；同時(shí)，由于真空管內(nèi)相對大量熱質(zhì)(2.6 kg/管)存在的影響，系統(tǒng)達(dá)熱平衡的時(shí)間大幅增加，全玻璃真空管式太陽能集熱器的時(shí)間常數(shù)是3種集熱器中最長的，達(dá)到1235 s，如圖3所示。在室外穩(wěn)態(tài)測試條件下，如此長的時(shí)間常數(shù)，幾乎不可能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測試。工質(zhì)在平板式太陽能集熱器內(nèi)處于湍流，而平板式太陽能集熱器換熱優(yōu)于熱管型集熱器，實(shí)際測量得到熱管的啟動(dòng)溫度為55.43 ℃，這也增加了其時(shí)間常數(shù)，平板式太陽能集熱器的時(shí)間常數(shù)為95 s，是3種太陽能集熱器中最短的，而熱管真空管式太陽能集熱器的時(shí)間常數(shù)為210 s。

圖3 3種太陽能集熱器的時(shí)間常數(shù)

太陽能集熱器的壓降受流體流速、尺寸及內(nèi)部管道形狀影響，可表示為：

式中，V為流速，m/s；a為速度因子；p為壓力，Pa；ρ為密度，kg/m3。

熱管真空管式太陽能集熱器蒸發(fā)段得到的熱量以導(dǎo)熱、流動(dòng)換熱，以及通過焊接內(nèi)插于聯(lián)集管內(nèi)小室狀冷凝段內(nèi)的相變換熱傳遞。熱管冷凝段的直徑為22 mm，管壁厚度為1.5 mm。聯(lián)集管的管徑和厚度分別為35 mm和2 mm。小室狀冷凝段的存在使管子的當(dāng)量直徑減小，并小于平板式太陽能集熱器內(nèi)盤管直徑；同時(shí)，小室也帶來流體流動(dòng)的隔板效應(yīng)，流動(dòng)阻力增大，在相同的流速下，熱管真空管式太陽能集熱器的壓降高于平板式太陽能集熱器(圖4)。相比于全玻璃真空管式太陽能集熱器，平板式太陽能集熱器的流道更長、盤管直徑更小，其壓降更易受到流速的影響。

圖4 3種太陽能集熱器的壓降曲線

在室內(nèi)的測試條件下，由于內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和零損效率，平板式太陽能集熱器性能高于熱管真空管式和全玻璃真空管式太陽能集熱器。隨著運(yùn)行溫度的提高，平板式太陽能集熱器的熱損增大，而全玻璃真空管式太陽能集熱器真空夾層的保溫效果得以體現(xiàn)。在輻照度為900 W/m2、環(huán)境溫度為25 ℃的條件下，平板式太陽能集熱器的效率直線和熱管真空管式及全玻璃真空管式太陽能集熱器的效率直線的交點(diǎn)溫度為57 ℃ 、64 ℃。當(dāng)運(yùn)行溫度高于交點(diǎn)溫度時(shí)，集熱器效率出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，熱管真空管式太陽能集熱器和全玻璃真空管式太陽能集熱器效率直線交點(diǎn)的折合溫度為0.082 (m2·K)/W(900 W/m2，99 ℃)，如圖5所示。因此，熱管真空管式太陽能集熱器性能恒高于全玻璃真空管式太陽能集熱器，雖然后者有更優(yōu)的涂層(表2)、罩管材料及管道設(shè)計(jì)，但在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，熱管真空管式太陽能集熱器的相變換熱使得其性能優(yōu)于全玻璃真空管式太陽能集熱器。

圖5 太陽能集熱器效率線性擬合直線

3 結(jié)論

本文考察的太陽能集熱器在管道尺寸、截面形狀、流道、流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力、流動(dòng)狀態(tài)，以及換熱特征方面都有所不同。全玻璃真空管式太陽能集熱器由于大量熱質(zhì)的存在，使其時(shí)間常數(shù)大幅增加；熱管真空管式太陽能集熱器內(nèi)存在隔板效應(yīng)，內(nèi)部流動(dòng)受流速影響；平板式太陽能集熱器零損效率高，性能高于其他兩種。真空夾層的保溫效果在高的運(yùn)行溫度得以體現(xiàn)，熱損隨運(yùn)行溫度的升高而增大，太陽能集熱器效率大小順序也隨溫度而發(fā)生變化。在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，熱管真空管式太陽能集熱器由于其相變換熱的存在使其性能優(yōu)于全玻璃真空管式太陽能集熱器。

[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

薛懷生(1975—)，男，高級工程師，主要從事太陽能及相關(guān)熱利用產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。h.shengxue@gmail.com