平板型太阳集热器盖板及保温层性能测试与初步研究

澳门大学 ■ 王超

鞍钢股份有限公司 ■ 王太祥

鞍钢集团工程技术有限公司 ■ 王爱国 张健

一 引言

世界日益依赖于清洁、高效和可持续的能源，因此，太阳能工业将以史无前例的速度发展。现代社会应是节约型的社会，而社会生活也应是节约能耗的生活。太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国能源研究工作中的一个重要课题。太阳辐射能的直接利用中太阳能的光热转换是目前技术最成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式。目前使用较多的太阳能集热装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。

二 太阳集热器的原理

太阳集热器(solar collecto在r)太阳能热利用系统中是接收太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。非聚光型集热器是利用热箱原理(也称温室效应)将太阳能转变为内能的设备。聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度[1,2]。

三 性能测试方法介绍

2001年4月颁布实施的欧洲标准给出了两种太阳集热器热性能测试方法：一种是稳态测试方法，另一种是比稳态测试方法具有更宽测试条件的太阳集热器热性能动态测试方法。由于稳态测试方法在测试过程中对天气等因素的限制条件很严格，给实际操作过程带来一定的难度。本文应用动态测试方法对所设计的太阳集热器模型进行热性能测试。

四 动态测试方法模型

因稳态测试在测试过程中忽略了一些因素的影响，所以对其测试条件要求非常严格。因此，在放宽测试条件的动态测试方法中，必须考虑这些影响因素。如入射角修正系数的影响(直射日射辐照度和散射日射辐照度与入射角关系)、风速的影响(动态测试避免了对风速的严格限制)、长波辐射的影响(针对无盖板的集热器)等。二者测试条件对比见表1。

表1 稳态和动态性能测试条件

五 试验与分析

主要测量的物理量是温度，本文选择K型装配式热电偶进行测量，产品型号为WR系列(温度显示表为台湾产TES-1310型)。试验系统如图1所示。

图1 试验系统

1 不同保温材料对集热器性能影响的数据分析

试验分为A、B系统，分别选用厚度为5cm的玻璃棉和聚氨酯泡沫板作为保温层(图2)。盖板均为蜂窝结构双层盖板，外壳均为木质三合板，吸热体均为波形铜板，传热工质为空气，抽气设备均为12V小型鼓吹两用风机。

图2 不同保温系统对比试验实物图

利用几何光学原理，推导出蜂窝的有效透光率的计算公式：

其中，θ为入射角；τ为材料的透光率；ρ为材料反射率；A为蜂窝单元的高宽比；N为光线在蜂窝中的反射次数。

根据式(1)计算出在高宽比为1.43的情况下，蜂窝结构的有效透光率为0.61[1,2]。

不同保温系统的对比测试结果如表2所示，A1～A4分别为系统A的盖板内部温度、吸热体表面温度、进口温度、出口温度；B1～B4分别对应系统B的参数。系统进出口温度随辐照度变化如图3所示。

表2 不同保温系统对比试验数据

图3 进出口温度随辐照度变化

从图3中可明显看出由于保温层的存在，辐照度降低后集热器内升温过程仍能继续保持一定时间。系统B升温速度比系统A快，系统B在达到最大温差后能继续保持高于系统A的温度，说明在升温直至高温的过程中，由聚氨酯泡沫作为保温层的系统保温效果要好于玻璃棉保温层。但值得注意的是，有玻璃棉保温层的系统A在相对低的温度和辐照度状态下，温度过渡更平稳，而系统B产生了骤降点，这说明在工质释放热量将尽时玻璃棉的隔热效果相对较好。

2 FLUENT模拟与试验数据对比分析

为了直观地了解集热器内部工作情况，本文取A、B系统较有代表性的工况(12:00时的工况)用FLUENT软件模拟，进行流场比较。

为了简化模型，取吸热体在12:00时的温度，假定热源为吸热体本身(即波纹形铜板)，并将模型简化，仅取吸热铜板和下面空气流动空间作为一个完整的换热结构，可得图4所示的三维模型。

图4 换热体三维模型

通过FLUENT对给定工况的模拟，得出A、B的出口温度分别为62.6℃和70.8℃，与试验结果基本吻合，增加了试验数据和模拟情况的可靠性。温度场、速度场的分析如图5～图8。

由图5和图6的对比可发现，系统A进口空气的低温区域明显大于系统B。相对地，系统B的有效换热区域大于系统A。对于工质(空气)而言，其他外部条件几乎一致，但并不确定这些差异是否在某种程度上受到其内部流体速度变化的影响。

从图7、图8可以看出，系统A、B的速度分布几乎相同，虽然系统A、B的进口初始速度相同，但在系统内部，系统B在离进口一定距离处，进口右侧小涡流的流速明显大于系统A相同位置处的流速。集热效率在进口面积相同的条件下随空气流速的增大而增大，无论从温度情况还是从已有结论都可以得出系统B的集热效率高于系统A。由于两套系统的性能差异主要是由保温材料的不同造成的，这就说明太阳集热器的保温材料直接影响到太阳集热器的性能。聚氨酯泡沫板在集热器接近工质的高温处具有较好的保温性能，从而能保证再加热的换热过程充分进行。但在降温过程中至低温区域的保温性能，玻璃棉则与聚氨酯泡沫板相差无几。考虑到两种材料的工作温度范围都远大于一般集热器的工作温度范围，且玻璃棉的经济性优势远超过聚氨酯泡沫，在能达到最好保温的前提下，可考虑在更接近工质的部分用聚氨酯泡沫作为保温材料，在外围温度相对较低的部分用玻璃棉保温以降低系统成本[3,4]。

3 盖板性能对比试验过程及数据分析

A、B两套系统分别采用单层PC板和双层蜂窝结构作为盖板(图9)。外壳都为木质三合板，保温层都为聚氨酯泡沫板，吸热体也都为铜质波形铜板。测温点分别在盖板表面和吸热体表面。

盖板性能对比试验结果如表3。A1、A2为系统A盖板表面不同测点温度，计算时取平均值；A3、A4为系统B吸热体表面不同测点温度，计算时取平均值。B1～B4为B系统对应参数。

图9 盖板性能对比试验实物图

为了让温度变化具有代表性，取盖板表面不同两点的平均值进行比较(图10)，可以看出，由于外部环境温度相同，两盖板都是PC板材质，故表面温度相差不大，变化趋势也相同。所以，盖板结构的不同并不会影响盖板表面对太阳能的吸收。

表3 盖板性能对比试验数据

图10 盖板表面温度比较

为了直观地对比盖板对吸热体温度的影响，将测量点取在吸热体上(图11)，但不得不承认的是，盖板与吸热体之间的空间内的空气一定会对盖板和吸热体之间热量传递起到干扰作用。忽略其他影响因素，可以观察到，虽然由于放置位置或角度的差异，系统A的起始温度高于系统B，但系统B的升温速度明显高于系统A。在吸热过程中虽然两系统都有热量损失，但在其他条件相同的情况下，系统B的盖板热量损失明显小于系统A。这说明蜂窝结构盖板对于抑制盖板内空气对流产生的热损失起到了很大作用。

图11 不同盖板的吸热体温度比较

六 结论

太阳集热器是太阳能热利用的关键部件，其制造成本约占太阳热水器的一半，其工艺发展水平和质量标准代表着太阳能热利用的发展水平，同时太阳集热器技术的发展，在很大程度上也决定着太阳热水器的未来走向和应用前景。本文得到以下主要结论：

本测试自制的蜂窝结构盖板，高宽比为1.43，材料透光率0.91，反射率0.21，根据公式(1)得到盖板透光率为0.61，属小高宽比盖板中透光率较高的，在透明盖板的透光率为0～0.70的前提下，该结构盖板具有比较优势。

本测试中提出在换热工质直接接触 的部分用一定厚度的聚氨酯进行保温，而温度敏感度相对较低的外部保温可应用玻璃棉、岩棉、聚苯乙烯等经济性好的保温材料的新方案。经论证，该保温结构可比单纯使用聚氨酯保温节省1/2的成本。

对于我国而言，开发新能源无疑是未来能源发展之路上非常重要的一步。而太阳能作为新能源中最方便利用的能源之一，也将在能源领域占据重要位置。太阳集热器作为太阳能普及使用中一个非常重要的设备必将朝着更先进的方向发展。相信会有越来越多的太阳能工作者将更多的精力投入到太阳集热器的研究中去，使我国的能源行业更加蓬勃发展。

［1］ 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.

［2］ 李平, 张立平, 戴巧利. 太阳能空气集热器中蜂窝结构的试验对比研究[J]. 节能技术, 2008, 26(1): 75－78, 96.

［3］ 梁庆, 徐刚, 甄恩明, 等. 透明导电薄膜对太阳能平板集热器性能的影响[J]. 微纳电子技术, 2008, 45(11): 643－671.

［4］ Stoll R D. Solar collector manufacturing activity[M]. Washington DC: DIANE Publishing Company, 1993.