塑料太阳能平板集热器试验研究

李久锋，陈观生，张国庆

(广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006)

塑料太阳能平板集热器试验研究

李久锋，陈观生，张国庆

(广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006)

针对蓄热型太阳能热水器对升温速率要求不高的特点，提出并研制了一种新型塑料太阳能平板集热器.在间歇性强制循环条件下，对该集热器进行性能测试，获得了瞬时效率曲线.在试验条件下，该集热器的日平均效率为51%～55%，水箱温度为45.8～50.2 ℃，可以为塑料平板集热器的实际应用提供依据.

太阳能； 塑料； 集热器； 平均效率

平板太阳能集热器具有产热水量大、使用寿命长、安装方便等优点，一直在太阳能热水利用领域占有一席之地.随着太阳能建筑一体化的推广，平板集热器所占的市场份额将会更大.目前对太阳能平板集热器的研究，主要集中在太阳能选择性吸收涂层的制备、集热器的优化设计和热性能测试等方面[1-5].

传统太阳能集热器通常使用铜、铝等金属材料，存在造价高、结构复杂、维护困难等问题，而塑料能够耐一定高温且生产自动化程度高、低耗能、安装方便，虽然塑料的导热系数比较低，但在较低的热流密度(太阳辐射)及升温速率下，塑料可以成为太阳能集热管道中低端产品的替代材料.塑料材料用于集热器的研究目前主要集中在国外，研究侧重于集热器结构设计和集热器材料的选择[6-15].

为获得塑料太阳能平板集热器的实际运行参数，本文研制了一种塑料太阳能平板集热器并对其进行实验测试.

1 塑料太阳能平板集热器的结构

塑料太阳能平板集热器如图1所示.

图1 塑料集热器结构简图

集热器主要由4部分组成：(1) 玻璃盖板，采用的是4.0 mm布纹钢化玻璃，表面平滑光亮，无破损，无明显划伤、气泡、皱纹,透光率大于91.6%.(2) 集热板板芯，选用PE-RT地暖管材和MPP地暖板，组成管板复合结构的集热器板芯.PE-RT地暖管材作为集热器水流通道，MPP地暖板作为吸热板.(3) 壳体，材料为普通铝合金，利用铝的优良塑性按结构要求挤压出型材，经过拼插、黏合、铆接等简单工序制作而成.(4) 保温层，底部为纯铝箔的超细保温棉，厚度为30 mm,密度为32 kg/m3，侧部为聚氨酯铝箔，密度为48 kg/m3.

2 塑料太阳能平板集热器的试验

搭建试验平台，对塑料太阳能平板集热器进行实验测试.

如图2所示，测试系统主要由塑料平板集热器、水箱、管道、水泵、辐射采集仪以及16通道的数据采集系统等组成.集热器安装在台架上，测试地点为广东佛山，倾斜角为30°，集热器采光面积为1.8 m2.集热水箱的容积为140 L，集热器的进、出口温度采用1级Pt100铂电阻温度计测量，并做保温处理且集热器按定流量运行.

图2 集热器测试系统图

夏季，对该集热器进行了3种不同条件的测试:2013年07月11日，设定泵运行时间为3 min，间隔时间为10 min;2013年07月12日，设定泵运行时间为3 min，间隔时间为5 min;2013年07月13日，设定泵运行时间为5 min，间隔时间为5 min.分别对水箱、集热板以及环境温度进行测量，其中水箱及集热板的热电偶分别布置在各自的上、中、下位置，简称为集上、集中、集下、箱上、箱中、箱底.图3为水箱和集热板温度及辐射强度随时间的变化关系曲线.

图3 水箱和集热板温度及辐射强度随时间的变化关系曲线

由图3(a)可知，水箱的初始温度为28.7 ℃，随着太阳辐射强度的增强，集热板温度和水箱温度逐渐上升，当14∶00～15∶00时，太阳辐射强度逐渐减弱，此时集热板温度也随之下降，而水箱温度上升趋势变慢，温度逐渐趋于稳定，最终水箱温度为48.1 ℃.由图3(b)可知，水箱的初始温度为32.7 ℃，当日太阳辐射比较稳定，平均辐射强度为600 W/m2，水箱没有分层现象，最终水箱的温度为50.2 ℃.由图3(c)可知，水箱的初始温度为30.1 ℃，由于太阳辐射强度不稳定，集热板上部温度出现波峰和波谷，水箱上部温度上升幅度较慢，当14∶00之后，太阳辐射逐渐下降，最终水箱的温度为45.8 ℃.

从图3(a)、(b)、(c)的曲线图可知，因为有泵的运行，水箱内部的水进行上下流动，水箱没有分层现象，但泵的运行时间和间隔时间，对水箱温度变化影响不大,而太阳辐射强度才是水箱温度变化的主要影响因素.

3 塑料太阳能平板集热器性能分析

以载热流体的进口温度表示的平板太阳能集热器热平衡方程为

Qu=AaFR[I(τα)e-UL(Ti-Ta),

(1)

式中,Qu为集热器有用功率，W；Aa为集热器采光面积，m2；FR为集热器热转移因子；I为采光面太阳辐射强度，W/m2；(τα)e为有效透过吸收率；UL为集热器总热损系数，W/(m2·K)；Ti为载热流体进口温度,℃；Ta为环境温度，℃.

瞬时集热效率为集热器有用功率与集热器采光面积接受的太阳辐照度之比：

(2)

(3)

式中，η为集热器瞬时效率；ηo-Ti=Ta时的效率；T*为归一化温差，(K·m2)/W;U为以T*为参考的集热器总热损系数，W/(m2·K).

利用7月11日测得的温度和辐射强度参数，结合式(1)、(2)、(3)计算出集热器瞬时效率离散点的值，拟合集热器瞬时效率曲线，如图4所示.

拟合得到的集热器瞬时效率方程为

η=0.57-17.01(Ti-Ta)/I.

从该瞬时效率方程及图4特征曲线可以看出，集热器的瞬时最大效率为0.57，集热器热损失系数为17.01W/(m2·K).瞬时效率离散点主要集中在横坐标0.002～0.020的范围，这是由于集热器进口温度和环境温度温差在2～18 ℃之间，并且在13∶30时，集热器进出口水温相同，水箱温度不再上升，此时(Ti-Ta)/I=0.035，瞬时效率为0.

为了综合评价集热器的性能，选取5 d实验测试获得的集热器水箱水温和累积辐射量数据，计算集热器的日平均效率.测试时间为10∶30～15∶30.

图4 集热器瞬时效率曲线

集热器的日平均效率计算公式为

式中，V为水箱体积，m3；te为实验开始时水箱温度，℃；ts为实验终止时水箱内温度，℃；Aα为集热器采光面积，；H为累计的辐射强度，MJ/m2;ρ为水的密度，kg/m3；cp为水的比热容，J/(kg·K).

由图5可知，7月12日的平均效率为55%，7月14日的平均效率为51%，而当天的日平均辐射强度分别为600W/m2、390W/m2，可见，集热器的日平均效率主要受太阳辐射强度的影响.

图5 集热器日平均效率

4 结果讨论

在间歇性强制循环条件下，对塑料太阳能平板集热器进行试验测试，得到以下结论：

(1) 揭示了塑料平板太阳能集热器水箱水温和集热板温度以及太阳辐射强度随时间变化的关系,即集热板温度与太阳辐射强度变化一致，水箱温度滞后于集热板温度变化，水箱温度为45.8～50.2℃.

(2) 分析了塑料平板太阳能集热器的瞬时效率，即在该种集热器的试验工况下，得到归一化温度曲线，为以后该种集热器集热性能评价提供参考.

(3) 虽然塑料平板太阳能集热器水箱温度低于60 ℃，但该集热器日平均效率为52%～55%,而且在间歇运行工况下水箱温度并没有明显的分层现象，能够到达普通平板集热器的要求.

[1] 刘仙仙.太阳能平板集热器集热性能实验研究与模拟分析[D].西安:西安建筑科技大学环境与市政工程学院,2012.

[2] 高腾.平板太阳能集热器的传热分析及设计优化[D].天津:天津大学机械工程学院,2011.

[3] Kundu B.Analytic method for thermal performance and optimization of an absorber plate fin having variable thermal conductivity and overall loss coefficient[J].Applied Energy,2010,87(7):2243-2255.

[4] 涂颉,赵镇南.平板集热器热性能的试验研究[J].太阳能学报,1983,4(1):87-98.

Tu J, Zhao Z N.Experimental study of flat-plate collectorthermal performance[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,1983,4(1):87-98.

[5] 徐益峰,王兴安.平板太阳能集热器热性能的非稳态测试方法[J].太阳能学报,1986,7(4):430-436.

Xu Y F,Wang X A.Test methods of flat solar collector transient thermal performance[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,1986,7(4):430-436.

[6] Janjai S, Esper A.Modelling the performance of a large area plastic solar collector[J].Renewable Energy ,2000,21:363-367.

[7] Rommel M,Graf W,Wellens C.Corrosion-free collectors with Selectively coated plastic absorbers[J].Desalination,1997,109(2):149-155.

[8] Martinopoulos G,Missirlis D,Tsilingiridis G,et al.CFD model-ing of a polymer solar collector[J].Renewable Eenergy,2010,35(7):1499-1508.

[9] Jannot Y,Coulibaly Y. Radiative heat transfer in a solar air heater covered with a plastic film[J].Solar Energy,1997,60(1):35-40.

[10] Siqueira D A.Analysis and performance of a low-cost solar heater[J]. Renewable Energy,2011,36(9):2538-2546.

[11] Njomo D. Techno-economic analysis of a plastic cover solar air heater[J].Energy Conversion and Management,1995,36(10):1023-1029.

[12] Tsilingiris P T．Towards making solar water heating technology feasible the polymer solar collector approach[J].Energy Conversion and Management,1999,40(12):1237-1250.

[13] Tsilingiris P T．Heat transfer analysis of low thermal conductivity Solar energy absorbers[J].Applied Thermal Engineering,2000,20(14)：1297-1314.

[14] Tsilingiris P T．Back absorbing parallel plate polymer absorbers in solar collector design[J]．Energy Conversion and Management, 2002,43(1)：135-150.

[15] Kundu B.Analytic method for thermal performance and optimization of an absorber plate fin having variable thermal conductivity and loss coefficient[J].Applied Energy，2010,87:2243-2255.

The Experimental Study of Plastic Plate Solar Collector

Li Jiu-feng, Chen Guan-sheng, Zhang Guo-qing

(School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

According to the undemanding heating rate of heat-storage solar water heater, a new type of plastic plate solar collector was designed. Under the condition of intermittent forced circulation, test on the performance of this collector was carried out and instantaneous efficiency curves were obtained. As a result, the average daily collector efficiency is 51%～55% and the temperature of tank is 45.8 ～50.2 ℃, which serve as a reference for the application of plastic plate solar collector.

solar energy； plastic； collector； average efficiency

2014- 02- 24

广东省动力电池及太阳能转换与储存材料工程技术研究开发中心资助项目(2012b070800015)；广州市应用基础研究专项资助项目(2013J4100010)

李久锋(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为太阳能集热技术.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.026

TK512+.4

A

1007-7162(2015)03- 0137- 04