典型太阳能集热器热性能研究

山东省产品质量检验研究院 ■ 颜士峰 闫崇强刘华凯 杨岩冰

济南大学物理科学与技术学院 ■ 陈洪亮

典型太阳能集热器热性能研究

山东省产品质量检验研究院 ■ 颜士峰 闫崇强*刘华凯 杨岩冰

济南大学物理科学与技术学院 ■ 陈洪亮

以当今市场保有量最高的两种典型太阳能集热器——全玻璃真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器为研究对象,从能量传递角度，构建了太阳能集热器在理想状态下的热效率模型，并依据模型计算了极限热效率；最后对两种太阳能集热器做了热性能测试实验，并使用最小二乘法拟合出太阳能集热器瞬时热效率与归一化温差的关系，对比两种太阳能集热器在同一实验条件下的极限热效率和热损失系数，并验证了该模型的正确性。

太阳能集热器；热效率测试；热损失系数；极限热效率

0 引言

太阳能集热器作为家用太阳能热水系统的核心集热元件，其热性能直接影响到家用太阳能热水系统的有用得热量。国内外学者对太阳能集热器做了大量研究。张彦峰等[1]对处于自然集热状态下太阳能集热器中的对流问题做了分析，解决了在倾角不同的情况下，对流热损失与空气夹层间距的关系。Bhagoriaetal等[2]在平板型太阳能集热器吸热板上方空间安置聚四氟乙烯膜，能使太阳能集热器效率小幅提高，并研究了构成膜的分子形状对太阳能集热器效率的影响。Kundu[3]构建了平板型太阳能集热器的动态模型，在该模型中，考虑了在集热过程中温度的变化对整个太阳能集热器热损系数和导热系数的影响，并提出了在不同辐照度和环境温度下的优化措施。然而，上述研究对全玻璃真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器的热性能未作比较研究。

本文针对上述问题，以典型的全玻璃真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器为研究对象，以期通过比较研究，为家用太阳能热水系统集热器元件的选型提供参考。

1 实验台的搭建

图1、图2分别为全玻璃真空管型和平板型太阳能集热器的结构图。全玻璃真空管型太阳能集热器的采光面积为1690 mm×58 mm×15=1.47 m2平板型太阳能集热器的采光面积为1955 mm× 750 mm=1.47 m2。

图3为太阳能集热器热性能实验平台示意图。本实验使用水作为工质，系统所需要的动力由泵提供，当太阳光照射到太阳能集热器上时，水由泵驱动进入集热器，在集热器中受热升温，太阳辐射能就转化成储存在工质中的热能。该太阳能集热器热性能测试系统能将工质的入口温度控制在设定温度±0.1℃以内，实验期间的实际

温度波动小于0.1℃。太阳能集热器进、出口温度的测量采用Pt1000温度传感器，测量精度为±0.1℃，分辨率为0.1℃；太阳辐照强度的测量采用1级太阳辐照表，流量的测量采用流量计；实验数据的记录采用Agilent 34970A数据采集仪采集，记录步长为20 s。

图1 全玻璃真空管型太阳能集热器结构图

图2 平板型太阳能集热器结构图

图3 太阳能集热器热性能实验平台示意图

2 理论分析

2.1 太阳能集热器的热效率方程

太阳能集热器实际获得的有用功率Qu为：

式中，m为工质质量流量，kg/s； ΔT为进出口温度之差，℃；cf为对应于工质平均温度的传热工质比热容，J/(kg·℃)。

当以太阳能集热器采光面积As作为参考标准时，集热器接收的太阳辐射功率为AsG。所以太阳能集热器效率ηa为：

式中，G为辐照强度，W/m2。

瞬时热效率η的表示应使用最小二乘法进行曲线拟合[4-7]得出，其方法公式为：

或

在拟合时，应根据拟合的紧密程度来选择一次或二次曲线，如果a2的计算值为负数，则应选择一次拟合；利用二次拟合结果绘制曲线时，G取800 W/m2。

2.2 传热模型的建立

太阳能集热器在运行时，自身与外界环境，以及内部各组件中均会发生能量交换，是一个复杂的过程。本着真实体现热量在太阳能集热器中传递过程与简化的目的，对数学模型进行如下假设：

1) 两种类型的太阳能集热器均有良好的对称性，所以假设太阳辐射均匀分布；

2) 只考虑大部分热量的传递；

3) 换热过程处于稳态；

4) 假设不存在温度在真空管径向分布不均的现象；

5) 只考虑主要热损。

由于太阳光均匀分布，太阳能集热器采光

面各区域接收的辐射均相等，假设太阳光入射到外玻璃表面单位面积上的辐照为G1，外玻璃的透过性系数为x1，太阳辐照穿过外玻璃后即变为G1x1；然后照射到选择性吸收涂层上，选择性吸收涂层的吸收率设为x2，则转化的太阳辐照能为G1x1x2；此过程在全玻璃真空管型与平板型太阳能集热器中相同。在全玻璃真空管型太阳能集热器中，热量通过内玻璃管传递给管内工质(由于内玻璃管壁很薄，所以此处的热传导过程忽略)，所以这个传递过程可看成对流换热；在平板型太阳能集热器中，热量通过焊点与铜管壁传递给工质。设全玻璃真空管型太阳能集热器传热系数为λ1、平板型太阳能集热器传热系数为λ2。

经过以上分析可以得出，在全玻璃真空管型太阳能集热器中，实际获得的有用功率为：

在平板型太阳能集热器中，实际获得的有用功率见式(7)：

对于x1和x2的值，可使用分光光度计来测量。在实验中，选择30个相同样本进行玻璃透过率和选择性吸收涂层吸收率的测试，1～15号为全玻璃真空管型太阳能集热器，16～30号为平板型太阳能集热器，测试结果如表1所示。

由表1可得出，在全玻璃真空管型太阳能集热器中，15个样本的玻璃透过率平均值约为91%，选择性吸收涂层吸收率样本平均值约为90%。故可以取x1为91%，x2为90%。同理，在平板型太阳能集热器中，15个样本的玻璃透过率平均值约为91%，选择性吸收涂层吸收率平均值约为89%。

根据30组实验结果，当全玻璃真空管型太阳能集热器处于稳态集热时，其传热系数为0.9；当平板型太阳能集热器的吸热板与工质流道的焊点为铜时，热量从铜表面传递给工质的平板型太阳能集热器传热系数为0.89。

表1 全玻璃真空管型与平板型太阳能集热器外玻璃透过率与选择性吸收涂层吸收率

图4 全玻璃真空管型集热器玻璃管透过率与涂层吸收率

图5 平板型集热器玻璃透过率与涂层吸收率

所以在全玻璃真空管型太阳能集热器[8,9]中：

在平板型太阳能集热器中：

上述两种类型太阳能集热器的瞬时热效率都可用式(10)表示：

代入可得，全玻璃真空管型太阳能集热器：

平板型太阳能集热器：

在太阳能集热器工质温度与环境温度相同情况下，效率模型后半部分为零。可以得出，对于全玻璃真空管型太阳能集热器极限瞬时热效率η0=73.71%；对于平板型太阳能集热器极限瞬时热效率η0=72.08%。

3 实验结果分析与模型验证

3.1 实验结果分析

太阳能集热器置于追踪平台上，可使其随太阳方位变化而变化，保持集热面与太阳光入射面成90°；实验平台附近没有高大建筑物对太阳能集热器表面造成投影；在可视的范围内，无大量玻璃和水等易于反射太阳光的物体。

集热工况进口温度的筛选主要依据太阳能集热器的最高工作温度与环境温度，考虑到平板型太阳能集热器的工作温度较低，进口最高温度选为66℃，在环境温度与最高温度间，等间距的选择2个温度点，每个温度点选取4个独立数据，求平均值。

表2为全玻璃真空管型和平板型太阳能集热器的相关数据。

表2 全玻璃真空管型和平板型太阳能集热器的相关数据

依据表2 中的数据可以绘出以太阳能集热器采光面积为参考的瞬时热效率与归一化温差的关系曲线图，如图6所示。

图6 全玻璃真空管型与平板型太阳能集热器瞬时热效率

根据公式(5)对上述数据进行线性拟合，计算结果为：

对于全玻璃真空管型太阳能集热器：η0=0.7541，UL=2.2258

对于平板型太阳能集热器：η0=0.7455；UL=5.8512。

在拟合曲线中，当x=0时，表示归一化温差为零，此时对应y的值代表了太阳能集热器的极限瞬时热效率，斜率代表热损失系数。结合图6可得，两种类型太阳能集热器的极限瞬时热效率相差较小，均达到了75%左右。但是，代表全玻璃真空管型太阳能集热器瞬时热效率直线的斜率绝对值远小于平板型，所以在实际相同的集热条件下，全玻璃真空管型太阳能集热器的热效率更高，可以产生更多的有效热能。

图7为全玻璃真空管型和平板型太阳能集热器热效率与进口工质温度的关系，可以看出，随

着进口工质温度的增加，两种类型太阳能集热器热效率均呈降低的趋势。这是因为太阳能集热器在集热过程中，不断吸收太阳辐射，温度不断升高，当太阳能集热器温度远高于周围环境温度时，由于其自身保温性能的不足，必然要通过太阳能集热器表面向外以热辐射和对流换热的方式散发大量的热量；随着集热的不断进行，热损失随太阳能集热器进口工质温度的提高不断加剧，太阳能集热器有用能量输出相应减小，效率就会降低。

图7 全玻璃真空管型和平板型太阳能集热器热效率与进口工质温度的关系

随着进口工质温度的不断升高，平板型太阳能集热器效率降低程度高于前者。这是因为随着太阳能集热器温度不断升高，热损失越来越大，对于平板型太阳能集热器来说，由于保温性能不足，当工质温度升高至某一温度点时，吸热板吸收的热量等于向外散发的热量，此时不能集热；而全玻璃真空管型太阳能集热器有真空隔热层，其保温性能优于平板型太阳能集热器，能有效隔绝热量的散失。这也是平板型太阳能集热器只能作为低温集热器的原因。

3.2 模型验证

当归一化温差为零时，全玻璃真空管型太阳能集热器的极限瞬时热效率为0.7541，模型预测为0.7371，标准差为0.017；平板型太阳能集热器的极限瞬时热效率为0.7455，模型预测为0.7208，标准差为0.0247。由此可看出，理想条件下的模型能较好的符合实际测试结果，具有比较好的可靠性。

4 结论

本文针对两种典型太阳能集热器，分析了影响太阳能集热器热性能的因素及其热性能测试的理论基础，对两种类型太阳能集热器做了热效率试验，拟合出集热器热效率与归一化温差变化曲线，对比了两种太阳能集热器在同一试验条件下的极限热效率和热损失系数，对太阳能集热器热性能研究得出以下结论：

1)依据本文构建的数学模型计算得出全玻璃真空管型太阳能集热器的极限瞬时热效率为0.7371，平板型为0.7208；实际测得全玻璃真空管型太阳能集热器极限瞬时热效率为0.7541，平板型为0.7455，计算结果与实验结果较符合。

2)在相同实验条件下，平板型太阳能集热器的热损失系数远大于全玻璃真空管型太阳能集热器的热损失系数；两者在没有热损的理想条件下，集热效率相差不多。

3)两种太阳能集热器的热效率均随着进口工质温度的增加而降低，并且平板型太阳能集热器降低的幅度远大于全玻璃真空管型太阳能集热器。

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[6] 刘建波. 太阳能集热器热性能研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2014.

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2016-06-14

山东省科技计划资助项目(2015KYZ11)

闫崇强(1987—)，男，硕士，主要从事太阳能热利用方面的研究。412536181@qq.com