中温集热器测试系统的设计和实践

山东力诺瑞特新能源有限公司 ■ 苏士民 马迎昌 马光柏

清华大学电子工程系 ■ 殷志强

一 引言

2009年，我国太阳能热水器总产量达到4200万m2，保有量为14500m2，分别占世界的78%和54%，中国成为世界上最大的太阳能热水器生产国和使用国[1]。但要继续加快我国的太阳能热利用发展，则要大力发展中温集热器[2]，这一问题基本得到了认同。大力发展中温集热器，需要相应的集热器检测技术支持。工作在80～250℃的中温集热器，需要相应的测试系统及测试方法，但目前国内集热器测试最高温度基本在80℃以内，鲜有超过100℃，也鲜有相应的厂家研究和提供成熟的测试系统，因此，在中温集热器检测方面，需要进行深入研究。

与普通集热器的测试相比，中温集热器的检测温度一般要超过100℃，甚至要达到150℃或更高，此时对系统在温度控制、温度稳定性、流量稳定性、耐温耐压等方面的要求都远远提高，高温高压下系统的温度和流量的稳定性是测试的难点。国内未见中温集热器测试系统的报道，而从国外多家检测机构如Fraunhofer、ITW、ISFH、INETI的检测报告看，最高测试温度一般在90～100℃，部分检测中心的设备检测最高温度也仅在110℃左右。

山东力诺瑞特新能源有限公司的检测人员经过努力，建立了中温太阳能集热器测试系统，使系统的测试温度达到了150℃，有力促进了中温集热器的研发进度。系统申请并获得了国家发明专利。公司研发的几种中温集热器，经过专家鉴定达到了国际领先水平，使我国太阳能热利用在工业领域的应用有了产品支持。根据集热器测试和中温集热器测试实施经验，总结中温集热器测试系统和测试方法实现的一些思路，意在为致力于进行中温集热器研发和测试的专业技术人员提供参考，希望能够对我国发展中温集热器所需进行的集热器热性能测试有所帮助。

二 中温集热器测试系统工作原理

GB/T4271—2007对集热器效率测试的要求如下：

(1) 集热器采光面的太阳辐照度≥700W/m2，试验期间总辐照度变化≤±50W/m2；

(2) 环境风速≤4m/s；

(3) 试验期间环境空气温度变化≤±1℃；

(4) 流量按集热器采光面积设定为0.02kg/(s·m2)，试验期间流量稳定在设定值的±1%；

(5) 同一工况内测量参数允许的偏离范围见表1。

即：要求检测系统提供温度变化在±0.1℃、流量变化在±1%以内的进口温度。对于中温集热器测试，该进口温度要达到150℃±0.1℃。

表1 同一工况内测量参数允许的偏离范围

根据GB/T4271—2007所提供的试验系统示意图，以水作为传热工质时，应采用闭式系统；以沸点在150℃以上的油作为传热介质时，可考虑用开式系统。从测试的方便性和成本方面考虑，以水作为传热工质，采用闭式系统，其结构如图1所示。

图1中系统的工作原理可简述为：集热器出口的热水经一次温度调节后，经系统循环泵驱动，由流量控制阀控制以恒定流量经二次温度调节、以0.1℃变化幅度进入集热器，经集热器升温后出来再次经过一次温度调节，形成循环。这里一次温度调节应包括一次降温过程和一次升温过程，即先将热水温度降至测试进口温度以下，再经过电加热或其他加热方式将温度升高至接近进口温度(最好在1.0℃或0.5℃以内，甚至更接近)，这样更有利于二次温度调节。必要时，可以增加到三级温度调节。流量的调节，图1中用流量控制阀，也可以通过旁通阀和球阀的联动实现，或通过变频泵实现。

除系统图中可见的循环回路外，测试系统还应包括以下部分：

制冷系统：主要包括制冷机组，冷水箱，制冷循环泵及相应的管路阀门。主要作用是降低集热器出口返回的工质温度。

控制系统：包括温控器、给温控器传输控制信号的温度传感器、流量控制器或变频器等，主要作用是控制一级、二级温度调节和流量调节。

数据采集系统：包括数据采集器和各类传感器，主要有总辐照表、散射辐照表、风速仪、环境温度传感器、进出口温度传感器、流量计等。

测试台架：可以是固定式台架或跟踪太阳的台架。对于中温集热器测试，为提高测试的工作效率和检测精度，建议采用自动跟踪太阳的台架。

三 中温测试系统设计的要点

系统形式：设计选用的系统形式主要考虑传热工质的类型，即传热工质温度和压力之间的关系，同时要能准确掌握传热工质在不同温度下的比热。以水作为传热工质，是最常见、最方便也最经济的方式，此时系统应为闭式承压形式，水的沸点和压力之间的关系可通过查阅相关资料获得[4,5]。如水80℃和150℃时的饱和蒸气压分别为0.0474MPa和0.476MPa，系统压力相差10倍，控制难度大。

循环泵：循环泵的设计和选取首先要考虑耐温和耐压性能，其次是其扬程和流量。热水型循环泵的耐压一般都能满足要求，耐高温要求一般要达到180℃以上，确保一定的安全系数。泵的质量要有保证，在150℃、0.6MPa左右条件下运行应能确保正常。选取时可查找国内国际知名的热水循环泵品牌，确认其性能参数满足要求。扬程和流量则根据测试能力的多少选定。

流量计：可选用电磁流量计或涡轮流量计。高精度的电磁流量计价格较高，但耐用，聚四氟乙烯衬里、分体式的电磁流量计耐温可达到180℃；涡轮流量计精度高，但耐温性差，且很难较长时间保持精度。流量计的信号形式可以是标准电压或电流信号，利于采集。

温度传感器：精度和响应时间是温度传感器选用的关键。温度精度要求达到0.1℃，铂电阻温度传感器能很好地满足要求。响应时间会影响到测试结果，应选用响应时间尽可能短的传感器类型，如铂电阻传感器，其不锈钢套管直径应在4mm以内，越小响应越快。

辐照表：国内的辐照表已达到很高的技术水平，一般可满足要求。需注意辐照表的非线性误差和温度灵敏度误差应尽可能小。

阀门：系统中需要用到的阀门一般有排气阀、流量控制阀、压力安全阀、电动阀、球阀、闸阀等，所有阀门耐温都应达到180℃以上，且高温下耐压达到1.5MPa或2.0MPa以上，才能确保系统运行安全。

管路：系统中各管路应选用金属管路，包括循环回路、制冷回路和与集热器连接的管路。固定的管路可选用铜管、不锈钢管或无缝钢管等。与集热器连接的管路可选用不锈钢软管。管路设计中应适当考虑活结的使用，方便系统改进。管路连接所用管件也应考虑耐温和密封问题，如活结所用垫片应为聚四氟乙烯树脂或石棉材料。

保温材料：保温材料的选用也很关键，主要需满足耐温要求，应达到180℃以上。可选用岩棉、玻璃棉或亚罗弗等材料，但要考虑安装的方便性和美观性。

稳压装置：系统在升温过程中压力会升高，需要安装膨胀罐或膨胀箱进行稳压。膨胀罐的选取需考虑容积匹配和耐温问题，安装位置可选择在回路中温度低的地方，且接口朝上，连接在朝下的管路上。

控温装置：一般可采用两级控温方式，必要时考虑三级控温。温控器的控制精度要高，否则难以满足温度精度要求。如使用电加热，根据系统回路中介质容量的大小选取合适的电加热。电加热的功率主要影响升温时间，可参考5kW/台集热器的功率选取。另一种控温方式为通过控制电加热电流的大小控制其发热功率，达到控制温度的目的。

排气装置：闭式系统正常运行最重要的一个要求是无残留气体，否则将影响温度、流量波动，并形成气蚀对泵及其他部件产生致命影响。排气的方法可通过外接循环泵循环的方式实现，通过阀门的开关控制水的流向，把闭式回路中的介质循环到外接装置中，实现排气。同时，在必要的地方安装排气阀实时排出试验过程中产生的气体。

测试台架：测试台架的设计和安装首先应满足GB/T4271—2007的要求。如前所述，测试可以是固定式台架或跟踪太阳的台架，台架应具有足够的强度并能抵御大风。对于中温集热器测试，为提高测试的工作效率和检测精度，建议采用自动跟踪太阳的台架，标准对台架精度没有要求，因此实现难度也不大。

四 系统软件设计思路

中温集热器测试系统软件设计主要从测试方便性考虑，同时能够对检测过程进行监控，对检测数据进行实时观测，以适时采取相应动作，提高检测精度和效率。

如果测试系统采用最常用的Agilent数据采集器，如34970A，可使用其自带的Agilent BenchLink Data Logger -Ⅲ软件。软件中提供了采集的数据类型、数据采集时间间隔、存贮方式等设置项，还可根据需要设置监测参数的曲线，实时观测各参数变化情况。如可观察进口温度变化是否超过±0.1℃，流量变化是否超过±1%，辐照是否达到700W/m2以上等。但该软件一个重要的不足是没有数据处理功能，无法进行数据计算，且界面友好性不强。因此有必要设计系统软件。

系统软件可采用组态软件，VC++、VB等实现。软件应能实现以下功能：

硬件驱动：驱动数据采集器进行数据采集，且能根据需要设置采集参数类型和时间，以及传感器的参数设置，如电压信号、电流信号、电阻信号、脉冲信号等。

数据采集：采集和存储数据。采集频率可根据需要调整，如1s～1h任意设置， 存储的数据格式可按要求设定，如csv格式的Excel表。

过程监控：测试过程中实时显示各数据参数，以曲线的形式显示，以监控检测过程是否正常，软件界面应友好，易操作，如使用组态软件，可显示动态运行效果。

数据计算：能够按照特定的公式计算测试数据，得到集热器的瞬时效率，并实时显示。最终测试结果可进行拟合，得到集热器测试的一次或二次方程，绘制集热器的效率曲线。

智能筛选和报警：在监控过程中筛选和判断满足检测条件的数据，并提示检测人员，以适时调整检测工况，对于超出偏差范围的数据，及时报警以便检测人员进行调整。

五 结语

中温太阳能集热器的检测，在我国乃至世界上的开展都非常少。甚至是普通太阳能集热器的检测，在我国开展的单位也较少，特别是太阳能企业。在检测系统硬件方面，国外如SPF、ITW、Fraunhofer、TUV等机构均拥有先进的检测设备；国内则没有专业的专门研发生产集热器测试系统的厂家，提供先进的成套成熟系统。因此，要开展中温太阳能集热器检测，首先需要相关行业或企业提供先进成熟的检测系统。为此，在山东力诺瑞特新能源有限公司在完成中温集热器检测的经验基础上，总结检测系统的设计思路，供相关技术人员、特别是集热器检测系统制造企业或专业队伍参考，为我国开展中温太阳能集热器检测、研发中温太阳能集热器提供必要支持。这样，太阳能热利用在工业用热等中温领域的应用才能更快实现。当然，太阳能检测技术还应逐步深入到中温应用系统检测领域，为集热器的实际应用积累数据，为中温应用系统的成熟发展提供帮助。同时，国家标准的出台也将对中温集热器测试和研发起到有力的推动和促进作用。

[1]霍志臣, 罗振涛.中国太阳能热利用产业发展研究[J].太阳能,2010, (10): 12－16.

[2]殷志强.探讨太阳能热利用发展[J].太阳能, 2009, (6): 6－9.

[3]GB/T4271-2007，太阳能集热器热性能试验方法[S].

[4]《实用化学手册》编写组.实用化学手册[M].北京：科学出版社, 2001.

[5]http://210.41.240.233/chemisrty/chembiao/cutable9-2.htm.