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文章编号:025420096(2001)022*******一种高效平板太阳能集热器试验研究Ξ李戬洪,江 晴(中国科学院广州能源研究所,广州510070)摘 要:性能良好的太阳能集热器是太阳能空调的关键设备之一。
广东省江门市太阳能空调系统采用了一种高效的平板集热器,其主要技术特征是增加了一块聚碳酸脂(PC )透明隔热板。
本研究通过对比试验,确定了一种高效平板太阳能集热器的技术方案,并测定了瞬时效率曲线,其热损系数仅为2190W/(m 2・℃)。
关键词:太阳能;平板集热器;热效率中图分类号:TK 512 文献标识码:A0 引 言我国太阳热水器近年来发展迅速,至1998年底,已有近2000万m 2的太阳热水器投入使用,1997年全国太阳热水器的年产量将近350万m 2,其中平板型热水器约占45%,真空管热水器约占30%[1]。
太阳热水器的应用主要是提供生活热水,但在夏天由于太阳辐射强、气温高,太阳热水器产热水量大、温度高,所产的高温热水往往用不完。
这种情况在南方每年大约有6～8个月时间,在北方也有4～6个月。
利用这些用不完的热水来实现制冷空调是一个更加理想的方案。
为了证明太阳能空调应用的可行性,我们在广东省江门市建成了我国首座大型实用性太阳能空调系统,并于1998年6月投入运行[2]。
该系统以500m 2平板太阳能集热器为600m 2的办公楼提供空调。
江门太阳能空调系统取得成功,不仅证明了利用太阳热水器实现制冷空调的可行性,技术上使普通的太阳热水系统与太阳能空调系统“接轨”,同时还开辟了太阳热水器一个更新、更广的应用领域。
性能良好的太阳能集热器是太阳能空调的关键技术设备之一。
目前成熟的太阳能集热器主要有平板集热器、全玻璃真空管集热器和热管式真空管集热器。
平板集热器以其简单价廉和安装方便在全世界都获得广泛的应用,在我国南方也占主导地位。
但平板集热器在高温段热效率偏低,表面热损大,用于太阳能空调还不够理想。
平板式太阳能热水器能效评估与改进陆尧杰，潘涛复旦大学指导老师：俞熹摘要：近年来，随着能源价格不断攀升，太阳能产品日益受到人们青睐。
目前家用太阳能设备中最常见的是太阳能热水器，市场基本被真空管太阳能热水器占据。
但真空管太阳能集热器造价相比平板式太阳能集热器来说非常高昂，若能将平板式太阳能系统应用于家庭用户，其低廉的成本将有利于产品更广泛的应用，起到节能环保的作用。
本实验将通过测量平板式太阳能热水系统的效率及热损，来探讨影响其效率的因素，并给出一些平板式太阳能集热器在家庭应用中的建议。
一．平板式太阳能集热器的基本原理如图为太阳能集热板的结构（1－吸热板与管道；2－玻璃盖板；3－隔热层与反光板；4－铝合金外壳）吸热板为平板式太阳能集热器的最主要部件，通过各种焊接等方法与管道紧密结合，它的表面涂有选择性吸收图层，可以最大限度的吸收太阳光的能量并转换成热能。
太阳能集热板的管道一般由集管和排管组成，集管为吸热板上下两条较粗的水管，若干根排管并联在集管之间，排管通过焊接、热碾压等方式与吸热板紧密相接以获得无结合热阻的效果，传热工质（一般为水）在排管中时被吸热板加热。
影响平板效率的因素有很多：选择性图层的吸收效率、管道与吸热板的导热性能、玻璃盖板的太阳光透过率、隔热层的保温性能等。
从吸热原理来看，平板式太阳能集热器与真空管太阳能集热器对于太阳光的吸收效率相差无几（都是通过选择性图层来实现），而目前真空管集热器的优势主要在于其真空玻璃的保温性能较好，因此体现出更高的总效率。
二．实验仪器本实验的所有仪器均为自行购买和搭建。
主要仪器有：测量用具：1. 照度计TES泰仕1332A 测量范围0～20000LUX/FC2. 温度计PT100铂电阻温度传感器与变送模块范围0～150。
C，0～10V输出3. usb-1208fs数据采集卡，计算机及相关软件4. 学生电源太阳能热水系统：1.自制水箱：买1个容积45升左右的长方形塑料箱，在箱子表面开洞以接管道（3小洞插入温度计，3个大洞分别为冷水出口、热水进口及放水口）2.球阀2个：用于控制水箱与集热板之间水循环的开闭3.束接、PVC管道与接口、胶水、生料带等管道用品若干4.太阳能集热板（导师提供）下图为整个热水系统的设计图：水箱俯视图1－1号温度计；2－2号温度计；3－球阀；4－上循环管道（热水）；5－下循环管道（冷水）太阳能集热板有4个出水口，其中两个封死。
Papersechnical 论文论述T5T y海尔热水器有限公司太阳能科研所刘桂永真空管型集热器平板型集热器效率分析现阶段我国太阳能集热器主要有平板集热器和真空管集热器两种，很多人认为真空管内抽真空，所以防冻性能好，热效率高；高硼硅特硬玻璃3.3硬度大、表面光洁度高，不易结垢。
而平板集热器则热效率低、易结垢、易冻坏。
然而事实并不是人们想像的那样。
本文如下阐述和计算主要参考的国家标准有：G B/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》；G B/T 17581-2007《真空管型太阳能集热器》；G B /T 6424-2007《平板型太阳能集热器》；G B /T 19141-2003《家用太阳能热水系统技术条件》；G B 12936.2-91《太阳能热利用术语第二部分》。
1基于国标规定对比分析真空管型集热器与平板型集热器的瞬时效率①无反射器的真空管型太阳能集热器的瞬时效率截距根据国标GB/T 17581规定不低于0.62，此处取0.62；总热损系数不大于3.0W/（m 2℃），此处取3.0W/（m 2℃）；以此得出无反射器真空管集热器的瞬时效率曲线如图1：图1真空管集热器瞬时效率曲线（GB/T 17581）依据G B T ，集热器采光面积计算方法如下：图2GB/T 4271规定的集热器采光面积计算方法②根据国标G B/T 6424规定，平板型集热器的瞬时效率截距不低于0.72，总热损系数不大于6.0W/（m 2℃），以此得出的瞬时效率曲线如图3：图3平板集热器瞬时效率曲线（GB/T 6424）③根据国标GB/T 6424和G B/T 17581规定，平板型集热器和真空管集热器的瞬时效率截距对比曲线如图4：图4平板集热器和真空管集热器瞬时效率对比曲线小结：交叉点纵坐标数值为5，横坐标数值约为3；也就是说，当（－）/G=0.0317时，两种集热器瞬时效率相等，试验中G 的大小为700W ±50W ，则：（ti －ta ）＝0.0317×700=22.19℃。
平板型太阳能集热器技术参数1. 引言太阳能是一种清洁、可再生的能源，被广泛应用于热水供应、采暖和发电等领域。
平板型太阳能集热器作为太阳能利用的主要设备之一，具有简单、可靠、经济的特点。
本文将介绍平板型太阳能集热器的技术参数，包括外形尺寸、工作温度、热效率等方面。
2. 外形尺寸平板型太阳能集热器通常由一个或多个平板组成，每个平板的外形尺寸决定了集热器的总体尺寸。
一般来说，平板的尺寸越大，集热面积越大，吸收太阳能的能力也越强。
常见的平板型太阳能集热器尺寸为2米×1米，也有一些更大的尺寸可达到4米×2米。
此外，集热器的厚度一般在5毫米至10毫米之间。
3. 工作温度平板型太阳能集热器的工作温度取决于太阳能的辐射强度和集热器的热损失。
一般来说，集热器的工作温度范围在50摄氏度至80摄氏度之间。
在较低的温度下，集热器的热效率较高，但较高的温度有助于提高热水供应和采暖的效果。
4. 热效率热效率是衡量平板型太阳能集热器性能的重要指标之一。
它表示集热器从太阳能辐射中吸收到的热量与太阳能辐射总量之间的比例。
一般来说，平板型太阳能集热器的热效率在60%至80%之间。
热效率受到多种因素的影响，包括太阳能辐射强度、集热器的材料和结构、工作温度等。
5. 光热转换效率光热转换效率是指平板型太阳能集热器将太阳能辐射转化为热能的效率。
它表示集热器从太阳能辐射中吸收到的能量与太阳能辐射总能量之间的比例。
一般来说，平板型太阳能集热器的光热转换效率在50%至70%之间。
光热转换效率受到集热器的材料、光学特性和表面处理等因素的影响。
6. 热损失热损失是指平板型太阳能集热器在工作过程中由于传导、对流和辐射等途径损失的热量。
热损失会降低集热器的热效率，影响其性能。
为了减少热损失，平板型太阳能集热器通常采用具有较好绝热性能的材料，如玻璃纤维增强塑料。
此外，集热器的表面通常采用具有较低辐射率的材料，如黑色涂层，以减少辐射热损失。
全流道式平板型太阳能集热器的试验研究与模拟分析王勇;段广彬;丁海成;卢郁;刘宗明【摘要】以全流道式平板型太阳能集热器为研究对象,首先进行了集热性能试验测试,在此基础上,利用CFD技术对不同排管管径全流道吸热板内传热介质的流动与传热进行模拟.试验结果表明,全流道集热器集热性能好、保温性能优,最高瞬时集热效率可达86.1％,热损失系数仅为4.179 W/(m2·℃);与有关国家标准比较,最高瞬时集热效率高14.1％,热损失系数低1.82 W/(m2·℃).模拟结果表明.全流道板芯在增大流体传热接触面积的同时产生了横向导流作用,使各排管间流体流量分布更为均衡;全流道板芯热阻小,壁面上热流分布均匀,有效地增大了板芯的对流换热.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)012【总页数】7页(P1762-1768)【关键词】平板型太阳能集热器;全流道;流体流动与传热;数值模拟【作者】王勇;段广彬;丁海成;卢郁;刘宗明【作者单位】济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022;济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022;山东省科学院能源研究所,山东济南250014;山东省科学院能源研究所,山东济南250014;济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022【正文语种】中文【中图分类】TK513平板型太阳能集热器具有结构简单、成本低、运行稳定等优势，在新型墙材与绿色建筑一体化应用研究中逐渐成为新热点。
为提高集热器的热性能，研究人员通过理论与模拟分析，在提高集热器热效率、改进透明盖板、设置透明隔热板、采用纳米流体、研究换热工质流动等方面进行了努力探索[1]～[7]。
吸热板是太阳能集热器光热转化的核心部件，兼具介质流动及传热的双重功效。
传统吸热板与导热管之间存在接触热阻大、流道排布不合理等问题，往往导致壁面热流密度不均匀、工质流量失衡，最终造成集热器光热转换及传热性能差的后果。
平板型太阳集热器瞬时效率曲线的统一性分析第25卷第4期2007年8月可再生能骤RenewableEnergyResourcesV o1.25NO.4Aug.2007平板型太阳集热器瞬时效率曲线的统一性分析别玉,胡明辅,郭丽(昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650224)摘要:平板太阳能集热器的效率方程和对应的效率曲线是判断集热器热性能的重要依据,前人分别用3个不同方程和3条不同曲线定量地描述了集热器效率.文章阐释了3条曲线的异同点,并提出将3条太阳热水器瞬时效率曲线统一起来的具体解决办法.关键词:平板太阳能集热器;效率曲线;效率方程;统一分析中图分类号:TK513文献标志码:A文章编号:1671—5292(2007)04—0018-03…』一l-●-?●1●--●-Unitiedanalysis0ninstantetllclencyCUrVesOtflat...platesolarcollectorBIEYu.HUMing—fu.GU0Li (FacultyofChemicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechno logy,Kunming650224,China)Abstract:Thermalpropertiesoffiat-platesolarcollectoralealwaysjudgedbyits efficiencye’quationsandcurves.Asforthisproblem,therehavebeenquitedetailedderivatio nandconclu?sions.Scholarsusedthreedifferentequationsandcurvestodescribethequantity ofefficiency,however,thereisrareunifiedanalysisamongthethree.Therefore,manyreaders areapttobeconfusedwithsomerelativeconcepts.Asaresult,thispaperanalysesthesimilari tyanddifferenceofthecurves,andpresentsapracticablesolutionaswel1.Keywords:fiat—platesolarcollector;efficiencycurve;efficiencyequation;un ifiedanalysis0引言评定太阳集热器性能的重要依据是其瞬时效率方程,它全面地描述了集热器的结构,流体参数以及太阳辐射与环境条件对集热性能的影响,是集热器优化设计和合理运行的理论基础,也是太阳能热利用系统设计的重要依据.国外对平板太阳能集热器的短期和长期热性能的评估作了很多探索,其中最早的是经典HWWB研究进程【ll’1闭.Hottel和Woertz在1942年分析了相关的能量平衡方程,有用收益和各种损失,并首次引人了效率因子的概念;Hottel和Whillier于1958年进一步提出了平均效率与()/G的线性关系(为集热器工质的平均温度或进口温度,为环境温度);1959年Bliss对方程中3种效率因子进行了深人的研究,使效率方程进一步简化.国内外各类太阳能热利用专着也对太阳集热器效率作了进一步分析,提出3个不同形式的效率方程和与之对应的3条效率曲线.这3条效率曲线均为一次曲线,它们的斜率和截距各不相同,致使读者在理解,计算和设计时很容易混淆,因此有必要对其进行统一性分析.1瞬时效率方程的推导根据能量守恒定律可知,在稳定状态下,集热器在规定时段内输出的有用能量等于同一时段内入射在集热器上的太阳辐照量减去集热器对周围环境散失的能量.04=Q—a(1)又知QA=AG(袱)(2)QL=A(tp--ta)(3)将式(2),(3)代人(1)得:au=AG(他)-AUL(t:ta)(4)据集热器效率定义知7=0/AG,将式(4)代人得=()e_-UL(tp-ta)/G(a)由于吸热板温度不易测定,而进出口温度较容易测定,故引人集热器效率因子F,其物理意收稿日期:2006—08—28.作者简介:别玉(1984一),女,硕士研究生,主要研究方向为新能源技术与工程.E—mail:bieyujuli@163.conl?18?别玉.等平板型太阳集热器瞬时效率曲线的统一性分析义是集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质平均温度时输出的能量之比:F=[G(Ta)一UL(to—fa)】/【G(Ta)o-UL(fa)J(5)将F代人方程(a)可得到效率方程的另一种表达形式:rl=F,『()e__uL(tm-ta)/G](b)方程(b)中管板集热器平均温度可以测定.但其随太阳辐照度变化.不易控制,只有进口温度ti相对稳定,故引入热转移因子.的物理意义是集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质进口温度时输出的能量之比:,1G—(Ta)ta(6)R..A[.一(fj一)]将代人方程(a)可得到效率方程的第3种表达形式:叼=‘R【(Ta).一(ti—ta)/GJ(C)将平板集热器效率方程在直角坐标系中以图形表示.可得到瞬时效率曲线.其中纵坐标表示瞬时效率,横坐标表示集热器工作温度(,或ti)和环境温度的差值与太阳辐照度之比.也称为归一化温度,用表示.效率曲线即为叼一的关系曲线,若假定集热器总热损系数为常数,则效率曲线为一直线.3种形式的效率方程对应的效率曲线分别如图1(a),(b),(c)所示:(t.-t)/G(tm-t)/G(tl-t)/G图13种形式的集热器效率曲线Fig.1Threeformsofcollectorefficiencycurves2方程的统一显然.3个方程对效率的定义及能量守恒定律是一致的,只是有用能量Q分别用,和t3种工作温度表示,从而造成了方程形式上的差异.由于引入和F2个因子,使这3种表达式均符合能量守恒的基础.因此在理论上是相等的.Qu=AG(“rot)-A(tp-)=AFR【G()e__(fi一)1=AF【G(Ta)一uL()】可见,3个方程实质上是统一的.3曲线的统一3.1基本分析前文已介绍,效率曲线在为常数的情况下为一条直线.直线方程最重要的特征是曲线的斜率和截距.对此,文献[3卜[7]有如下基本分析.①效率曲线在纵轴上的截距值表示集热器可获得的最大效率,用叼.表示,此时归一化温度= 0,集热器散热损失Q~-=o.3条曲线对应的叼.值分别为(),F(),FR(似),由于I>F>FR,显然(Ta).>F(Ta)~FR()..②效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大小.3条曲线的斜率值分别为,F,,且UL>FUL>FRUL.③效率曲线在横轴上的截距值表示集热器可达到的最高温度,此时散热损失最大.集热器效率为零.将叼=0代人效率方程知:(一t.)/G=(tm—ta)/ G=(ti—ta)/G,这表明该时刻tp=tm=ti,所以3曲线与横轴的交点值相等.3.2统一性分析上述基本分析容易让读者产生一点疑问:针对某一具体情况.集热器的最大效率和总热损系数有3个不等的值,这与实际是不符合的.计算时究竟应该采用哪一个呢?不难发现.产生这个矛盾的根本原因在于对归一化温度的混用,3个不等的式子用一个量表示了.为示区别,将含有,和ti的归一化温度分别用.,,来表示,效率曲线分别变成了叼一,一,一i的关系曲线.而且,丁,Ti自身又有一定关系,即/(to—ta),T/(),i/(tl—ta).由此可见,3条效率曲线反映的是一个量和其它3个不同量间的关系,自然会有形式上的不同,而且三者斜率和截距有一定关系.3.2.1零效率由效率方程可知,3条曲线取得r/=0的对应条件分别:(tp—ta)/G=()/;(一ta)/G=(Ta)/;(f=f—ta)/G=(Ta>/集热器效率为零时,工质进口温度已等于板温,不再吸收热量,导致工质从进口到出口温度没有改变,3个温度值相差为零,即fi.实际中当集热器烤晒较长时间后,零效率现象就会出现. 可见,3条曲线-O=0的情况,在理论上和实际上都?19?可再生能源是统一的.3.2.2总热损系数3条曲线的斜率分别表示效率叼随归一化温度,,的变化率,即dr//dT*p,drl/dT,drlldT*i.总热损系数是以为基准求得出的,所以只有直线(a)的斜率(即当变化时,效率叼的改变量)才能真正代表总热损系数.直线(b),(c)的倾斜度较小,这是因为实际上总有(ti-ta)/G<~(tm-ta)/G<.(to—tD/a,当i和变化一个单位时,.D还未改变一个单位,导致叼的变化也较,J,,即drl/dT’f≤d叼/d≤d叼/d.p.直线(b),(c)的斜率分别为F和,这正好和FRUL>FUL>UL的关系吻合.3.2-3最大效率3条曲线取得最大效率的条件分别为,t~=ta,ti=t~,而这3个条件不可能同时成立.只要r/>0,平板温度都会高于工质的平均温度,平均温度会高于进口温度.即当r/>0时必有to>t~>ti.在正常情况下,也应有≥.当时,(一)<(f)<0.可见图2中(b),(c)所示直线需向横轴负半轴延伸,直到to=ta为止,(b),(c)所示的2条曲线达到的最大效率值与图(a)中直线在纵轴上的截距相等.集热器在板温与环境温度相等()时达到统一的最大效率.如图2所示,此时热损为零.1l,\.(a)(b)(c)图2集热器效率曲线的统一Fig.2Uniformshapeofcollectorefficiencycurves3-3叼一曲线的绘制由以上分析可知,叼一关系曲线最能直接反映集热器的特性参数.但是,在实际测量中更容易得到,叼一i关系曲线.为了更确切而方便地描述集热器性能,可以先作出叼一i曲线,在原坐标系中将曲线在纵轴上的截距值除以只与集热器自身设计参数有关的,保持横轴上截距不变.连接曲线与横轴,纵轴的两个交点,即得叼一关系曲线(图2),就可以更准确地分析传热参数.?20?4结论平板太阳集热器3个效率方程及曲线只是在形式上存在差异,实质上是互相关联而统一的.第一种形式完全贴近理论计算.但在实际测试中获得该曲线不方便;后两个效率方程引入了相关因子,更侧重实际应用.但对效率因子的计算比较繁杂.由于对不同结构的平板集热器效率因子的计算已经有了比较成熟的计算公式及图表,因此本文提出的统一解决方法是可行的.符号表A采光面积.m2:G太阳辐照度,W?m之;QU集热器在规定时间内输出的有用能量,W;Q同一时段内入射在集热器上的太阳辐照能量, W;QL同一时段内集热器对周围环境散失的能量,W; ,tm,ti,集热器吸热板温度,平均温度,进口温度,出口温度.℃:,集热器效率因子,热转移因子(无量纲)具有均匀吸热体温度的集热器总热损系数,W/ (K?m2);r归一化温度,K/(m?W);()有效透过一吸收积.参考文献:[1]BLISSRRW.Thederivationofseveralplateefficiency factorusefulinthedesignofflat-platesolar—heat collectors[J].SolarEnergy,1959(3):55-62.[2]HOTI’ELHC,WHILLIEERA.Evaluationofflat—plate collectorperformance[C].In:Trans.oftheConferenceon theUseofSolarEnergy,UniversityofArizonaPress, Tucson.AZ,1958(2):74—104.[3]DUFFIEJA,BECKMANWA.SolarEnergyThermal Processes[M].NewYork:JohnWiley&Sons.1974.f4]达菲,贝克曼,葛新石.太阳能一热能转换过程[M].北京:科学出版社.1980.[5]喜文华,魏一康,张兰英.太阳能实用工程技术[M].兰州: 兰州大学出版社.2001.[6]罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社.2005.[7]张鹤飞,俞金娣.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安:西北工业大学出版社.2004.。
