聚光法检测太阳能热水器热性能研究

安徽省产品质量监督检验研究院 ■ 朱双四

中国科技大学 ■ 郑爱芬 杨义红

1 研究背景

1.1 “节能减排，发展绿色低碳经济”的发展战略极大地促进了太阳能热水系统的发展

党的“十八大”提出了建设“美丽中国”的伟大蓝图和“节能减排，发展绿色低碳经济”的发展战略。太阳能热水系统作为低碳环保产品得到了快速的发展。据《2013年中国太阳能热利用行业报告》数据显示，2013年是我国经济结构调整的关键一年，在中央稳增长、调结构、促进改革方针的指导下做出了不斐的成绩。工程市场仍保持50%以上的增速在发展。

据初步调查统计，2013年全玻璃真空管总销量为5706万m2，与2012年基本持平。平板集热器产品增长明显，2013年产量为650万m2，与2012年同比增长27.3%。2013年我国太阳能集热器总销量约为6600万m2，与2012年6390万m2同比增长3.3%，总产值超过千亿，做到稳中有升。保有量为31000万m2，同比增长20.3%，比2003年增长了60倍。

2013年热水器产品出口为3.22亿美元，与2012年同比增长7.3%。

1.2 行业快速发展的同时暴露出一些质量问题

由于市场前景广阔，投资回报率高，太阳能热利用行业近年来得到广泛的普及与发展。但是，目前国内太阳能热水系统企业中真正拥有自主研发能力和规模化生产能力的企业为数不多，很多小作坊企业生产工艺落后、质量管理混乱、产品性能不过关，存在偷工减料、粗制滥造现象。一些质量低劣、存有较大质量安全隐患的太阳能热水系统凭借低廉的价格在市场销售，给消费者带来了安全隐患甚至是安全事故，阻碍中国太阳能热利用行业的进一步快速发展，这从一定程度上对全国各地的检测部门也是一种督促，迫使检测部门进一步提高检验能力。在检测设备研发、检测技术设备改造等方面加大力度，根据产业发展以及检测需求，应及时对技术、产品的更新提出新的评判和验证方法标准，同步更新检测设备。

1.3 太阳能产品国家标准的试验方法要求

国家标准GB/T 19141-2011《家用太阳能热水系统技术条件》[1]要求热性能测试至少有1天的全天8 h辐照总量大于16 MJ/m2。然而，全年中日太阳辐照量大于16 MJ/m2的天数较少(见图1)，该试验条件一定程度上限制检验机构的检测天数，导致各质检部门检测天数不足，无法对家用太阳热水系统类产品进行及时有效检测。

图1 部分地区辐照量[2]

2 研究内容

2.1 太阳模拟器测试

已有的方式利用太阳能模拟器进行室内实验，少数较大太阳能企业和科研院所斥巨资建立室内检测实验室，并在实验室中配置了太阳模拟器。

太阳模拟器的不足为：1) 长时间使用，辐照不均匀度超15%(见图2)；2) 实际光谱中红外光占比远超过自然光；3) 灯管寿命短，耗电量巨大，运行维护费用极高；4) 太阳模拟器与自然光的光谱匹配误差较高，A级不超过25%，B级不超过35%[3]；5) 室内环境与室外环境，尤其天空辐射与空气紊流差异极大。

图2 太阳模拟光源的半边辐照分布测试图

2.2 聚光法测试模型(见图3)

图3 聚光法测试平台模型

采取平面反射与跟踪太阳光方式，试验平台通过反射聚光配合东西方向单轴跟踪来增加平台太阳辐照量，可根据需要选择是否使用反射面，保证辐照均匀度及光谱与自然光一致(平面镜反射率为95%～98%)。自然光状态下日累积太阳辐照量达到12～16 MJ/m2时，平台能通过聚光使辐照量达到16 MJ/m2以上，测试在室外进行，保证环境与自然环境一致。采用可调平面反射聚光与一维跟踪的方式，装置易操作，成本较低。平面聚光器保证了聚光后的辐照均匀度与自然光一致；单轴跟踪保证了平台运行的平稳性，降低了跟踪复杂程度，可使集热器在检测周期内倾角保持固定不变。

聚光法测试的特点：1) 平面镜反射的光斑可覆盖集热器的整个集热面；2) 平台经过初次调试后，便可自动运行，具有较高自动化程度和运行平稳性；3) 只需将测试样品摆放角度输入软件，反射镜即可自动调整俯仰角跟踪聚光；4) 可根据不同地区的日照角度设置平台水平跟踪运转路径；5) 平台日常维护工作较简单，只需注意反射镜面的清洁，以及运行一定周期后平台的校零。

3 研究结果

3.1 辐照均匀度性能测试

经实验测试，平台辐照光斑均匀度偏差在3% 内 (见表 1)。

3.2 平台辐照量及聚光倍率性能测试

经理论和实验验证，平台太阳辐照满足需要：环境太阳辐照量在12～16 MJ/m2时，平台辐照量达16 MJ/m2以上(见图4)。平台辐照量及聚光倍率性能测试，根据日辐照量在10.2～18.5 MJ/m2的数据点进行线性拟合，得到聚光测试平台的聚光比为1.4537，如图5所示。

表1 辐照均匀度测试部分数据

图4 聚光测试平台辐照量对比

图5 聚光测试平台拟合聚光比

3.3 平板与常规热性能测试的对比

3.3.1 同一型号规格的两个产品

同一型号规格的两个产品在同一天测试，分别在平台上测试和常规测试热性能，测试结果如图6所示，数据来源于2014年3月15日。

图6 同一型号规格的两个产品同一天测试比较

平台试验测得日平均效率为0.441；常规试验测得日平均效率为0.440；二者偏差为0.2%。

3.3.2 同一台热水器

同一台热水器分别放在平台上和自然光状态下的试验对比，结果如图7所示。数据分别来源于2014年3月17日(常规试验)和 2014年3月15日(平台试验)。平台试验测得的日平均效率为0.441；常规试验测得的日平均效率为0.442；二者偏差为0.2%。

图7 同一台热水器在平台上和自然光试验对比

4 聚光法测试平台实现的技术指标和创新点

1) 自然光状态下，日累积辐照量在12～16 MJ/m2时，平台可通过跟踪聚光，将累积辐照量提高到16 MJ/m2以上，拟合聚光比为1.45。

2) 平台的辐照均匀度满足试验要求，辐照度偏差可控制在±3%内。

3) 平台测试和自然状态下测试结果具有较高一致性(测试结果偏差为0.2%)。

4) 平台结构简单，体积较小，运行较稳定，维护成本较低。测试平台满足了项目最初设定的技术指标，初期研究告一段落。为进一步提高平台的可靠性和实用性，需进行进一步的研究和大量的数据积累。

[1] GB/T 19141-2011,家用太阳热水系统技术条件[S].

[2] GB/T 50801-2013,可再生能源建筑应用工程评价标准[S].

[3] GB/T 12637-1990,太阳模拟器通用规范[S].