平板太阳能集热器性能研究*

张喜明于秀峰战乃岩于立强

(1:吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118;2:长春中海地产有限公司，长春 130021;3:青岛理工大学，青岛 266033)

太阳能为人们所利用主要实现三种转换，即:光—热转换，光—化学转换和光—电转换.其中，以光热转换技术最为成熟.在太阳能热利用系统中，最先实用化的一般是太阳能供热系统(包括太阳能供热水系统和太阳能供暖系统).目前，太阳能供热水系统主要集中在太阳能热水器的开发和研制上，太阳能供暖系统一般也多数集中在被动式采暖系统上，对既能实现冬季供暖又能实现全年供热水的太阳能供热系统研究较少.在这种背景下，本文结合实验室条件，提出了一种使用效率高、节能的太阳能供热系统—太阳能热泵供热系统(Solar Assisted Heat Pump)，此系统建设在原青岛建筑工程学院的多功能热泵实验室中[1－2].在非采暖季，可利用太阳能集热器和室内供热水箱向建筑物提供生活用水;在采暖季，可实现太阳能直接供暖或与热泵联合供热.课题组开发了一种适合北方地区低温平板太阳能集热器，并考察了在太阳能直接供暖工况下的工作性能.

1 平板型太阳能集热器性能的研究

1.1 集热器结构

集热器吸热体采用钢板式散热器作为太阳能集热板，并对其表面进行除锈、喷涂无光黑漆(吸收率α=0.9～0.98)，单片集热板尺寸1600 mm×650 mm，透明盖层采用单层浮法玻璃，玻璃盖板尺寸1640 mm×1340 mm，厚度为5 mm，太阳能透过率τ=0.88 ～ 0.91.集热板背部岩棉厚度为 100 mm，侧面岩棉厚度为50 mm.集热器采用1.5 mm的普通热轧薄钢板作为壳体材料.平板太阳能集热器结构见图1.

图1 平板太阳能集热器结构示意图

1.2 实验测试系统

实验测试系统主要包括温度测试系统、太阳辐射强度测试系统和流量测试系统.

1.2.1 温度测试系统

温度测试系统由温度传感器、数据采集/开关单元、插入式模块、计算机、打印机组成.

(1)为研究系统的供热性能以及系统各设备的工作性能，本实验需要设置大量的温度测点.根据测温范围、热电偶的灵敏度以及测量误差的要求，选择铜—康铜热电偶作为温度传感器.本实验利用直流电弧焊装置自制了24对铜—康铜热电偶，然后对其进行了标定，得出各个热电偶的温度修正系数，并利用HP 34970 A数据采集/开关单元的定标功能对测量值加以修正，从而提高了测量的精度;

(2)将制作和布置好的热电偶正确地连接到模块内通道的测量螺旋端子上，利用RS－232接口及连接电缆使仪器与计算机的串行接口相连，通过前面板或远程接口操作进行温度测量设置.HP 34970 A数据采集/开关单元具有精确的测量能力、方便的数据记录特性及灵活的数据采集/开关特性.仪器后部内置三个模块插槽，实用于任何数据采集或开关模块的组合.可利用热电偶、电阻温度检测器及热敏电阻来测量温度，也可直接测量直流/交流电压、电流、频率和周期，并可存储多达50000个带有时间标记的间隔扫描读数.通过标准的HP－IB或RS－232接口可将仪器与计算机连接，然后在Windows下运行HP Bench Link Data Logger程序就可方便地进行测试设置、采集和归档数据及对输入的测试数据执行实时显示和分析;

(3)插入式模块为HP 34901 A 20 t通道衔铁继电器多路转换器.该模块具有T/C补偿功能，内置式绝热块(热电偶参考结)，可在测量热电偶时最大限度地减少因温度梯度产生的误差，测量误差＜0.03℃.20个通道均切换HI和LO输入，因此可为内部数字万用表提供完全隔离的输入，开关速度高达每秒60个通道.

1.2.2 太阳辐射强度的测定

辐射测量的方法，是将入射到受光面的太阳辐射能全部吸收，然后使之转换成其他形式的能量并进行测量.投射到集热面上的太阳总辐射强度(光谱范围为0.3 μm～3 μm)由TBQ—2总辐射表按热电效应原理测定.感应元件为表面涂有高吸收率黑色涂层的绕线电镀式多接点热电堆.热结点在感应面上，冷结点位于机体内，通过测量冷热结点产生的温差电势即可换算得出太阳辐射强度.为减小温度的影响，表内配有温度补偿线路;为减小室外环境的影响，表面采用双层石英玻璃罩.该表的灵敏度为7.464 μV/W.m－2，感应时间≤30 s，稳定性和非线性均达到±2%，在线性范围内其输出信号与太阳能辐射强度成正比.辐射表的安装与集热器倾角相同.根据辐射表的热电势测量原理，将辐射表的正负接线分别连接到HP 34901 A 20模块内的测量螺旋端子上，通过前面板或远程接口操作进行直流电压测量设置，并利用HP 34970 A数据采集/开关单元的定标功能将测量的温差电势值转换成太阳辐射强度值.太阳辐射强度按一定的时间间隔自动测试，并将测试结果保存到计算机中.

1.2.3 热流量及流量的测定

为了较准确、直观地测定集热器地集热量，在集热器进、出口管路上之安装了德国产WMSli 2513020型热能表.该表将multidataS1热计量仪与DN20口径的ETHI－XL流量计配套使用，采用铂电阻Pt100作为温度传感器，测量灵敏度＜0.01.轻触菜单功能键INFO，即可方便地读取累积热流量、累积流量、供回水温度、温差、瞬时热流量、瞬时流量和运行时间.每隔一定时间人工读取数据并记录整理.

室内、外循环管路中流体的累积流量由瑞典产的MCE 08－787型累积式流量计测定，瞬时流量由国产的LZB型玻璃转子流量计测定.

1.3 集热器性能

太阳能集热器的瞬时集热量由(1)计算得到.

式中，qu为太阳能集热器的瞬时集热量，kW;ρl为集热流体的平均密度，kg/L;cl为集热流体的平均比热，kJ/kg·℃;Vl，s为集热流体的瞬时流量，L/h;tc，i，tc，o分别为集热器进出口流体温度，℃ .

图2给出了集热器进、出口流体的温度随时间的变化情况.由图2可以看出:①集热器的出口温度在8:00以后均大于集热器的进口温度，这说明集热器白天绝大部分时间吸收太阳的辐射热量，集热量为正值;②集热器进、出口流体的温度变化趋势基本相同，随时间的推移先增加然后降低，在13:30达到极大值;③二者的温差大小反映集热器吸收太阳辐射热量能力的大小，温差大时，吸收太阳辐射热的能力强;温差小时，吸收太阳辐射的能力弱;④集热器在8:00以前向外散失热热量大于收集到的热量，这时可调节集热器，使其在8:00以后再开始工作;⑤集热器进口流体的平均温度为27.39℃，集热器出口流体的平均温度31.35℃，平均温差为 3.96℃，集热器在较高温度下工作，集热器的热损失较大.

图2集热器进、出口流体温度(以晴天为准)

图3 给出了瞬时集热量和太阳辐射量随时间的变化情况.由图3可以看出:①瞬时集热量与太阳辐射量的变化趋势相同，近似于正弦曲线变化;②图中两个曲线下的积分分别代表日总太阳辐射量(55.78 kWh)和日总集热量(26.62 kWh);③太阳辐射量的平均值(6:30～17:30)为5.34 kW，集热器瞬时集热量的平均值(6:30～17:30)为2.75 kW.

图3 瞬时集热量(以晴天为准)

2 结论及展望

根据社会主义现代化建设的实际需要，我国提出了可持续发展的战略目标，而节约能源和保护环境是其中最重要的内容之一.因此，太阳能热利用的发展潜力巨大，应该用长远发展的观点来评价.开发和研制适合北方地区太阳能供热系统具有重要现实和长远意义.性能良好的太阳能集热器是太阳能供热系统关键设备之一，课题组开发的低温平板太阳能集热器适合太阳能热泵供热系统.在太阳能直接供暖工况下，工作温度稳定，热效率高，性能稳定.今后课题组重点研发的主要方向:

(1)建立太阳能集热器数学物理模型;

(2)编制相应计算机模拟程序，进行理论计算;(3)对太阳能热泵供热、供热水工况进行实验研究;(4)建立示范工程，推广使用太阳能热泵供热技术.

[1]旷玉辉.太阳能热泵供热系统的研究与开发[D].青岛:青岛建筑工程学院，2001.

[2]张喜明.太阳能热泵供热系统的实验研究[D].青岛:青岛建筑工程学院，2002.