全玻璃太阳能集热器热性能实验研究.docx

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全玻璃太阳能集热器热性能实验研究

本科毕业论文

题目：

全玻璃太阳能集热器热性能实验研究

学生姓名：

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指导教师：

二〇一〇年四月六日

摘要

太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。

太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用，而太阳能集热器是太阳能热水器接收太阳能量并转换为热能的核心部件和技术关键，因此研究集热器热性能也成为极其重要的工作。

本文对国内外太阳集热器热性能稳态和动态的测试方法及测试的国家标准进行了概述，详细介绍了太阳能集热器测试的实验系统及仪器，对集热器性能参数的测试条件、测试步骤和数据处理方法等进行了论述，并针对全玻璃真空管式太阳能集热器的非稳态效率、时间常数和集热器入射角修正系数提出了详细的实验测试方法及测试步骤。

论文对全玻璃真空管集热器的非稳态效率、太阳辐射随时间变化的曲线、水箱温度变化进行了实验分析，得出了全玻璃真空集热器的非稳态效率随时间变化的趋势，太阳辐射和水箱温度随时间变化的趋势，并做了详细的分析，为后续研究奠定了实验基础。

关键词：

太阳集热器；测试；热性能；实验

Abstract

Thesolarenergyheatutilizationisoneofthetechnologiesmarketedanduseduniversally,whichisthehighestincommercializationdegreeinrenewableenergysourcearea.Thesolarwaterheatershavethefastdevelopmentandgetthepromotedapplicationinourcountry.Thesolarenergycollectoristhecoreandthetechnicalkeyofsolarwaterheaterwhichreceivesthesolarenergyandtransformsintotheheatenergy,thereforeresearchingcollectorthermalpropertiesisaveryimportantwork.

Thisarticlehasdescribedthetestingmethodsforthethermalperformancesofsolarcollectorundersteady-stateandquasi-dynamicconditionsbetweenourcountryandtheworldandthetestofthenationalstandards,introducedthesolarenergycollectortest'sexperimentsystemandtheinstrumentindetail.Meanwhile,thecollectortest'scondition,stepandthemethodofhandlingdataalsohavebeenintroduced.Andthispaperproposedthedetailedexperimenttestmethodandtheteststepregardingofall-glassevacuatedtubesolarcollector'sunsteady-stateefficiency,thetime-constantandthecollectorincidenceanglecorrectioncoefficient.

Papersobtainedthetrendofnon-steady-stateefficiencyoftheall-glassvacuumcollectorovertimeand,tendofsolarradiationandwatertemperatureovertimeanddoneadetailedanalysis,whichlaidaexperimentalfoundationforfollow-upstudy.

Keywords:

solarcollector;test;heatproperties;experiment

第一章绪论

1.1概述

1.1.1能源概述

不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上20多亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展新能源和可再生能源均具有重大战略意义。

在人类开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭，而被新能源所取代。

人类必须未雨绸缪，及早寻求新的替代能源。

研究和实践表明，新能源和可再生能源，资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。

根据国际权威单位的预测，到21世纪60年代，即2060年，全球新能源和可再生能源的比例，将会发展到占世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石，世界能源舞台的主角，目前大量燃用的化石能源的替代能源。

新能源和可再生能源清洁干净、污染物排放很少，是与人类赖以生存的地球生态环境相协调的清洁能源。

化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。

如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球生态环境，已经成为一个全球性的重大问题。

目前，世界各国都在纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题。

即所谓的能源效率革命和清洁能源革命，也就是我们通常所说的节约能源和发展清洁干净的新能源和可再生能源。

而新能源和可再生能源污染物排放很少。

目前各种发电方式的碳排放率（g碳/kWh）：

常规燃煤发电为304g/kWh，煤气化联合循环发电为270g/kWh，燃气联合循环发电为118g/kWh，带烧天然气备用机组的太阳能热发电为47g/kWh，地热发电为2.5g/kWh，光伏发电和风力发电则为0。

由上述分析可见，新能源和可再生能源是保护生态环境的清洁能源，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施[1]。

1.1.2太阳能

太阳能是新能源和可再生能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源,可以说,未来全球能源的主流将是太阳能。

中国自20世纪70年代以来,太阳能利用有了较大的发展,太阳能利用技术的研究列入国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关计划,获得了一批研究成果并进行了不同程度的推广应用,太阳能工业已初步形成。

太阳能利用技术主要指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术,其中太阳能-热能转换历史最久远、开发最普遍。

中国的太阳能热利用有太阳能集热器、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能制冷等。

1.太阳能的优点

与常规能源相比较，太阳能有其独特的优点，概括起来可以归纳为四个方面：

数量巨大。

每年到达地球表面的太阳辐射能约为130Tt标准煤，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的

倍。

时间长久。

根据天文学的研究结果，太阳系还可继续存在

年之久。

普照大地。

辐射能无需开采和运输，开发和利用都极为方便。

清洁安全。

2.太阳能的缺点

太阳能缺点概括起来为三个方面：

分散性。

太阳辐射的能流密度低。

间断性和不稳定性。

由于受到昼夜、季节、气候、地理纬度和海拔高度等影响，太阳辐射是间断而不稳定的。

效率低而成本高[2]。

1.1.3太阳能热水系统

太阳能热水是太阳热利用中技术最成熟应用最广泛、产业化发展最快的领域。

目前我国的太阳能热水系统拥有量已占世界总量的四分之一。

我国的太阳能热水技术主要是开发家用太阳能热水器，分为闷晒式和循环式两大类，其中循环式家用太阳能热水器有平板集热器和真空管集热器两类。

我国现有上千个太阳热水器企业，并逐步与ISO国际标准接轨，把产品推向国际市场[2]。

太阳热水器产业发展基本状况:

1.产业规模继续扩大，生产能力快速提高。

我国太阳热水器产业在20世纪90年代得到迅速发展，生产量由1991年50万

增长到2001年的820万

，年平均增长30%以上。

其近年总产量和保有量见表1-1和表1-2。

表1-11998-2001年太阳热水器总产量（万

）

　年份

　　　产量（万

）

　　　比上年增长（%）

　　　　　1998

　340

　　　　　1999

　480

41

　　　　　2000

　610

27

　　　　　2001

　820

34

表1-2太阳热水器总保有量（万

）

年份

1991

1998

1999

2000

2001

保有量

150

1500

2000

2600

3200

2.企业规模、数量不断扩大。

据不完全统计，目前全国太阳热水器生产厂家已逾千家，还有不少企业欲加入太阳热水器产业行列。

以山东皇明公司、清华阳光公司为代表，年产量超过10万

，产值亿元以上的5～10家具有国际竞争力和自主知识产权的大型骨干企业主导我国太阳热水器市场，市场占有率达20%。

一些中等企业2001年的产销量也急骤增长，呈现出快速发展势头。

3.体系初步形成。

太阳热水器已初步形成原材料加工、产品开发与加工制造、工程设计与营销服务的产业体系，为社会提供了17万个就业机会。

全玻璃真空集热管目前仍是太阳热水器重要部件，到2001年全国集热管生产线已达389条（不含云南），年生产8000万支（见表1-3），创产值12亿元，与2000年比较有了大幅度增长。

4.技术不断进步。

通过企业不懈努力，加之宏观管理的强化，太阳热水器产品质量和技术水平有了明显的提高。

2002年5月中国农村能源行业协会组织国内专家对国内71家主要太阳热水器企业的产品进行了技术审核和认定。

专家一致认为这些产品质量和性能全部符合国家标准。

一些产品，如清华阳光真空管太阳热水器，桑普平板太阳热水器，山东皇明三高管太阳热水器等已达到国际先进水平。

表1-31999-2001年真空集热管生产线与生产能力总量

年份

生产线数量（条）

生产能力（万支）

1999

200

3300

2000

302

5400

2001

389

8000

5.加快走向国际市场。

2000年我国太阳热水器出口额为640万美元，据不完全统计，2001年出口总额约1000万美元，出口额上升56%。

出口产品主要是全玻璃真空集热管、热管式真空集热管和真空管热水器，平板式太阳热水器亦有一定量的出口，主要销往欧洲、东南亚、非洲等30多个国家和地区。

中国太阳热水器价格低廉，质量不断提高，在国际市场上有较强的竞争力。

随着全球环境问题日益突出和环保措施的实施，我国太阳热水器走向国际市场的环境和空间会逐步扩大。

我国太阳热水器产业规模之所以不断扩大，主要有以下几个因素：

我国常规能源短缺，太阳能资源丰富，利用条件优越。

传统能源价格上涨为太阳热水器创造了市场机会。

经济发展，城镇居民家庭收入的提高。

太阳热水器与建筑相结合的指导战略，提高了建筑行业利用太阳能的积极性。

环保意识增强利于清洁无污染的太阳热水器产业发展。

目前太阳能热水器是太阳能市场中最主要的产品。

我国的太阳能热水器拥有量已占世界总量的四分之一。

太阳能热水器从最初的闷晒式，到第二代平板集热器，再至第三代全玻璃真空管式集热器，至目前最先进的热管真空集热管太阳能热水器，太阳能热水器的利用率逐代提高[3]。

1.2太阳集热器热性能测试的研究现状

太阳热水器要想成为有竞争力的节能产品，重要的一条是必须能有效而可靠地工作。

所谓“有效”是指具有良好的热性能，最大限度地把太阳辐射能转换成水的热能。

所谓“可靠”是指具有优良的质量，经得起风吹、日晒和雨淋等恶劣气候条件的考验，年复一年地正常运行。

为此，世界各国先后制定多项标准作为全面评价集热器各项指标及性能的依据[4]。

以色列在1966年针对太阳集热器和太阳能贮存装置（如贮水箱等）核心部件制定了标准和规范，是世界上最早对太阳热水器热性能提出标准的国家。

随后美国（ASHRAE-951987）、澳大利（AustralianStandard2813-1985SolarWaterHeaters-Methodoftestthermalperformance-SimulatorMethod）、德国（等同采用IS09459-2标准）、加拿大等国家也都有了本国的标准。

从20世纪80年代初开始，国际上开始了对透明隔热材料的研究和测试。

国际标准化组织也制定家用太阳能热水系统热性能测试方法《太阳加热-家用热水系统-第二部分：

仅太阳能系统的热性能测试》（ISO/DIS9459-2:

94）。

国际标准化组织太阳能技术委员会（ISO/TC180）先后颁布了《太阳集热器测试方法第一部分：

装玻璃盖板的带有压差的集热器的热性能》（ISO9806-1:

1994）、《太阳集热器测试方法第二部分：

合格测试程序》（ISO9806-2:

1995）和《太阳集热器测试方法第三部分：

无玻璃盖板的带有压差的集热器的热性能》（ISO9806-3:

1995）等几部标准，详细规定了太阳集热器的测试条件和方法。

欧洲是世界上太阳集热器技术水平和普及化程度都较高的地区。

至今为止，欧洲标准化委员会太阳能技术委员会（TC312/CEN）已经制定并发布了《太阳热水系统及部件—太阳集热器—第二部分：

测试方法》（EN12975-2：

2001）和《太阳热水系统及部件—工厂制造的系统—第二部分—测试方法》（EN12976-2:

2001）等多部标准。

2001年4月，欧洲标准化委员会太阳能技术委员会（TC312/CEN）在制定的标准EN12975-2:

2001中，规定了在太阳集热器测试中，既可以使用众所周知的稳态测试方法，也可以使用另一种新的太阳集热器测试方法—动态测试方法。

在动态测试方法的条件中，对风速和太阳总日辐射度等参数的约束也放宽很多。

这些都极大地增加了太阳集热器的有效测试时间，有效的利用了设备，降低了测试的成本和费用。

ISO标准的内容侧重于太阳集热器和热水系统质量和性能的评价。

其中也对热利用产品所用材料的性质、设备的设计和安装以及测量仪器的精度等都做了规定。

我国首个太阳集热器热性能试验方法的国家标准GB/T4271-84于1984年12月1日正式实施。

该标准规定了所试验的热性能包括稳态或准稳态瞬时效率、时间常数、入射角修正系数和压力降等，随后不断的补充完善[5]。

1.3主要研究内容及目的

太阳能是新能源和可再生能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源,可以说,未来全球能源的主流将是太阳能。

全玻璃真空管太阳能集热器也受到重视，但是全玻璃真空管太阳能集热器还有缺点和不足，通过实验对全玻璃真空管太阳能集热器性能参数进行测定，分析全玻璃真空管太阳能集热器的热性能，为分析和比较玻璃真空管技术和热管技术相结合制成玻璃真空管热管式太阳能集热器二者的热性能做基础。

第二章太阳集热器热性能测试的理论基础

2.1热性能测试方法

2.1.1热性能稳态测试方法

在国际标准《太阳集热器测试方法第一部分：

装玻璃盖板的带有压差的集热器的热性能》（ISO9806-1:

1994）和欧洲标准《太阳热水系统及部件—太阳集热器—第二部分：

测试方法》（EN12975-2：

2001）中，都推荐使用太阳集热器稳态测试方法。

而且在我国的国家标准《真空管太阳集热器》（GB/T17581-1998）和《平板型太阳集热器热性能试验方法》（GB/T4271-2000）中，基本上是参照了以上的两部标准，规定了在太阳集热器的测试中使用稳态测试方法。

稳态测试方法至今为止得到了绝大多数人的认同和认可。

世界上很多的技术标准或规定都采用了该方法。

如ISO9806-1，3、ASHRAE93-77和EN12975等都推荐使用这种方法。

这种方法也得到了全世界很多著名实验室和权威认证机构的验证和认可。

稳态测试方法是一个成熟的太阳集热器测试方法[5]。

2.1.1.1试验条件

以液体作为传热工质的真空管太阳集热器热性能试验装置的结构示意图如图2-1所示。

图2-１工质为液体的真空管太阳集热器试验装置

1—工质观察口；2—流量计；3—弯头或混流瓶；4—环境温度计；5—进口温度测点；6—风速仪；7—总日射表；8—真空管太阳集热器；9—出露温度测点；10—排气阀；11—渠岸头或混流器；12—换热器；13—旁路阀；14—泵；15—恒压水箱；16—流量控制阀；17—过滤器（～200μm）；18—调温水箱

在试验前应对集热器进行外观检查，并记录损坏程度。

还应彻底清洁集热器采光口的盖板。

如果集热器部件上有水汽，应使用80℃左右的传热工质在集热器中循环一段时间，以便烘干隔热材料和集热器外壳。

如果进行该项处理，应在试验报告中加以说明。

必要时，应使用排气阀或使工质在管道中高速循环，以排出集热器管道中聚积的气体。

可以通过回路中的透明管来观察工质中是否混有气体或杂质，若有应排净，以免影响工质在管路中流动的稳定。

有些集热器的推荐流量可能靠近层流和紊流之间的过渡区，这种情况会造成内部传热系统的不稳定和所测试的集热器的热效率变化。

因此，为复现集热器热性能，应提高所推荐的流量。

处在过渡区时，首先应将流量设为高值（紊流区）然后再逐渐减小到设定值。

这样就可以在测试中避免从层流过渡到紊流的现象。

　　集热器稳态测试方法要求测试在集热器台架上进行。

该台架要求不能影响集热器的采光，也不能影响集热器的正常散热。

集热器台架的最底边距测试台所处地面不得低于0.5米，以防止地面附近企稳对集热器的影响。

不得使测试台架周围有上升或下降的气流对集热器产生影响。

为了对室外测试的结果进行分析，可以假定来自集热器前方整个半球方向上的散射辐射为各向同性。

因此，为了尽量减少由于该项近似考虑所导致的误差，在测试期间不得有从周围物体或表面反射到集热器上明显的太阳辐射。

集热器所面对的天空视域内应避免大面积的玻璃面、金属面和水面;也不应在该半球域内有明显的遮挡，集热器前方半球域内的遮挡不应大于5%，应尽量避免该半球域内有可能大于15度视角的建筑或大型的遮挡物。

系统附近物体的表面温度应尽可能接近环境温度。

例如，在系统附近不应有烟囱、冷却塔或热气排风扇等。

部分集热器的性能在风速为0~3m/s时易受影响。

为使测量结果有最大的可再现性，对风速敏感的集热器应安装在空气速度为3m/s~5m/s的位置上，应保证空气能够自然通过集热器采光口的上方、背面和侧面。

人工风力发生器也应尽可能达到上述风速。

当在距离盖板表面50mm处的集热器平面上测量时，空气流动的平均速率在3m/s~5m/s之间。

在整个集热器采光面上各点的空气速率偏离平均值不得超过±25％。

集热器采光面上任一点的速度保持稳定，且从人工风力发生器出来的空气温度应不超过环境空气温度的±1℃。

不应有诸如沿建筑物墙面上升的暖空气流过系统。

在屋顶上进行试验的系统应远离房顶边缘至少2m。

设计成与房顶构成一体的集热器，应使其背面防风，但此种情况应随同试验结果一并报告。

　　在回路中使用的管道材料应耐腐蚀并能承受95℃的运行温度。

管道应尽量短，特别是温度调节器冷水出口到贮热水箱进口之间的管道应减到最短，以减小环境对水温的影响。

这段管道应加保温并包覆耐老化的反射材料，保证热量损失率小于0.2W/K。

温度传感器到水箱（包括入口和出口）之间的管路应保温并包覆耐老化的反射材料，并将温度传感器包覆在内，以保证在管路上由于热量的获取或损失而导致的温差不超过0.01K，工质混合装置（如弯头）应安装在温度传感器的前端。

利用恒压水箱、泵和流量控制阀等调节控制工质流量，并保证流量稳定性在±1%以内。

在真空管太阳集热器出口处和其他可能积聚空气的地方应设置放气阀。

　　在试验期间，集热器采光面上的总日射辐照度应不小于800W/

集热器采光口上的直接射入射角应在垂直入射时入射角修正系数值±2%的角度范围之内。

集热器周围环境的平均风速应在2~4m/s之间。

工质流量应根据集热器总面积设定在0.02kg/

s左右。

在每个试验周期内，流量应稳定在设定值的±1%以内。

不同试验周期的流量变化应不超过设定值的10%。

由于仪器准确度的问题，小于1.5K的工质温差测量结果可不予记录。

2.1.1.2稳态测试步骤

为了测定集热器的效率特性，集热器试验应在晴朗天气所有的上述条件都得到满足的条件下，进行太阳集热器热性能的测试。

对于数据点的选取，应在集热器工作温度范围内至少取四个间隔均匀的工质进口温度。

为了获得

，其中一个进口温度应使平均工质温度与环境空气温度之差在

3K之内（如果传热工质为水，一般最高温度为70℃）。

中间的两个工质进口温度均匀地取在上述低温与高温之间。

对每个工质进口温度，至少取四个独立的稳态数据点，总共给出16个稳态数据点。

稳态数据点的测试周期应包括至少15分钟的预备期和至少15分钟的稳态测量期。

对于每个工质进口温度，要取四个独立的数据点。

每个数据点都应进行以下测量：

a）集热器总面积

、吸热体面积

和采光面积

；

b）工质容量；

c）集热器采光口上的总日射辐照度；

d）集热器采光口上的漫射日射辐照度；

e）直接日射入射角；

f）环境空气速度；

g）环境空气温度；

h）集热器进口工质温度；

i）集热器出口工质温度；

j）工质流量。

稳态数据点的试验周期应包括至少15min的预备期和至少15min的稳态测量期。

在任何情况下，稳态试验周期应大于集热器有效热容量C与工质热流量

，之比的4倍。

如果试验参数偏离它们在试验周期内的平均值若不超过表2-1规定的范围，则可认为在给定试验周期内集热器处于稳态工况[5]。

表2-1试验周期内测量参数的允许偏离范围

参数

平均值允许范围

日辐射强度

环境空气温度

工质质量流量

%

集热器进口工质温度

应对测量结果进行处理，从而产生一组满足稳态运行测试的条件的数据点。

2.1.2热性能动态测试方法

2001年4月，颁布实施的欧洲标准《太阳热水系统及部件—太阳集热器—第二部分：

测试方法》（EN12975-2:

2001）中，除了对液体工质太阳集热器的耐久性、可靠性和安全性的测试方法做出规定外，还给出了太阳集热器热性能测试的两种方法：

一种是在ISO9806-1、3和ASHRAE93-77所描述过的众所周知的稳态测试方法；另一种测试方法就是比稳态测试方法具有较宽测试条件的太阳集热器热性能动态测试方法。

由于稳态测试方法在测试过程中，对天气、气候等因素的限制条件很严格，给世界操作过程带来一定难度，特别是在一些地区的一些季节里，满足太阳总辐射度等必要条件的有效测试时间特别少，有时一连数天根本就找不到有效的测试条件。

所以世界上的相关太阳能光热研究机构和科技工作者一直致力于研究太阳集热器热性能的动态测试方法。

2.1.2.1动态测试的使用条件

动态测试与被广泛接受的稳态测试的试验条件有很大的相似之处，但是也有不少的差别。

下表给出了动态测试与稳态测试方法对使用条件要求