一种高效平板太阳能集热器试验研究

　　内容摘要：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。

　　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/(m2·℃)。

　　我国太阳热水器近年来发展迅速,至1998年底,已有近2000万m2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m2,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500m2平板太阳能集热器为600m2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。为此,我们研究、设计了一种高效平板集热器方案,成本只比普通的平板集热器略高一点,把它应用到江门太阳能空调系统中。结果证明,这种高效的平板集热器完全能满足太阳能制冷空调的要求。

　　 1高效平板集热器技术方案

　　提高平板集热器效率一方面要减小热损,另一方面要增加得热。平板集热器热损的主要因素包括表面对流和辐射热损、底部和周边的热损。

　　

　　图1高效平板集热器剖面示意图

　　普通平板集热器由玻璃盖板、吸热板芯、铝合金边框、泡沫板(或岩棉)保温层等组成。改进的高效平板集热器采取了一些技术措施,由低铁玻璃盖板、聚碳酸脂(PC)透明隔热板、阳极化选择性涂层铜铝复合板芯、铝合金边框、泡沫板+铝箔玻璃棉加厚保温层组成(如图1所示)。集热器与吸热板芯的尺寸按标准制造(GB6424286)[3]。聚碳酸脂透明隔热板基金项目:国家自然科学基金资助项目覆盖在集热板上,距离仅约10mm,透明隔热板还带有间距为10mm的小肋片,形成了许多小空间,通过抑制空气自然对流从而减小表面的热损失。底部保温层厚度约50mm,也比普通的平板集热器厚一些。

　　 111聚碳酸脂(PC)透明盖板

　　平板集热器热损的主要部分是表面对流热损。我们在吸热板芯和玻璃盖板之间,增加一块聚碳酸脂(PC)透明盖板,透明盖板与吸热板的距离仅约10mm,透明隔热板还带有间距10mm的小肋片(见图1),形成了许多小空间,用以抑制空气自然对流。PC板为市售进口的双层10mm结构,把它剖开成两张,单层的透射比为019左右。该材料能耐较高温度(变形温度130℃)、耐老化(在日光下8年),在玻

　　璃板下更没有问题。试验证明,这一措施对提高平板集热器效率起了关键性作用。

　　112低铁白板玻璃盖板

　　市场上的普通平板玻璃含铁量一般较高,透过率只有0175～0178,远低于发达国家的水平,从而限制了太阳热水器的效率。经过调查,决定采用深圳一家玻璃厂的产品,该厂的1000×2000×4mm的低铁浮法平板玻璃透过率为0184～0186(厂家提供资料)。

　　113阳极氧化选择性涂层铜铝复合板芯

　　平板集热器工作在较高温度时辐射热损显著增大。采用选择性涂层可以有效地减小辐射热损,提高效率。相对来说,阳极氧化着色膜比选择性涂料具有更好的选择性和可靠性,在随后的空晒实验中证实了这一点。

　　114泡沫板和玻璃棉双保温层

　　普通的平板集热器一般在底部采用约30mm的单层岩棉(玻璃棉)或20mm泡沫板加少许玻璃棉作为保温层。在工作温度较高时,用手能明显感觉到集热器底部发热。我们在泡沫板与集热板之间加上一层厚20mm的铝箔玻璃棉,有效地减小了底部的热损。

　　 2集热器空晒对比实验

　　为了确定高效平板集热器方案,比较几种技术措施、特别是增加聚碳酸脂透明隔热板对集热器性能的影响,我们首先进行空晒对比实验。空晒极端温度的高低能定性地反映集热器的高温段热性能和效率曲线的斜率。总共做了5种集热器进行试验(见表1),分别是:“Ⅰ型”普通的选择性涂料铜铝复合板集热器;“Ⅱ型”是在Ⅰ型的基础上加厚底部保温层,比较加厚底部保温层的作用;“Ⅲ型”是在Ⅱ型的基础上加一块聚碳酸脂(PC)透明隔热板;“Ⅳ型”和“Ⅴ型”则分别把Ⅱ和Ⅲ的涂料吸热板芯换成阳极氧化着色膜板芯。

　　表1集热器类型

　　

　　 211集热器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ空晒对比试验

　　1996年12月11日,进行了第一次空晒对比实验,比较集热器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种类型集热器性能。当日以晴天为主,间或少云。对比试验是在同样的条件下进行的,因此太阳辐射量的大小并不重要。

　　1996年12月12日天气晴好,继续前一天的实验,比较集热器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种类型集热器性能。从两天的试验结果可以看出,平板集热器加厚底部保温层(Ⅱ型)比普通的“Ⅰ型”空晒温度要高5～10℃;而在Ⅱ型的基础上,再加一片聚碳酸脂(PC)透明隔热板,形成Ⅲ型,其最高空晒温度比Ⅱ型又提高25～28℃,比Ⅰ型高出30～33℃。可见增加聚碳酸脂(PC)透明隔热板对提高平板集热器的效率有显著作用。

　　为了比较选择性涂料与阳极化着色膜在高温段的工作性能,我们组装了“Ⅳ型”集热器,即加厚保温层,但采用阳极化着色铜铝复合板芯与Ⅱ型比较。同时又与虽采用选择性涂料板芯,但加了聚碳酸脂(PC)透明隔热板的Ⅲ型比较。

　　从图4可以看出阳极氧化着色板芯(Ⅳ型)比选择性涂料板芯(Ⅱ型)的空晒温度要高出许多,在中午附近要高20～25℃,说明阳极氧化着色板芯(Ⅳ型)比选择性涂料板芯(Ⅱ型)在高温段有明显的优势。但加上一片透明PC盖板的Ⅲ型又比Ⅳ型要好一些,在中午附近高出3～5℃,可见聚碳酸脂(PC)透明隔热板的作用非常显著,说明对流热损的影响比辐射热损大。Ⅳ型集热器加一片聚碳酸脂(PC)透明隔热板定为Ⅴ型

　　至此,空晒对比实验可以总结如下:

　　加厚底部保温层结构可提高空晒温度(下同)5～10℃;阳极化着色选择性涂层吸热板芯(Ⅳ型)比普通选择性涂料板芯(Ⅱ型)高20～25℃;但后者增加一块透明盖板(Ⅲ型)却反比前者(Ⅳ型)高3～35℃;若都增加一块透明盖板,则Ⅴ型比Ⅲ型只高4～8℃,而采取了所有措施的Ⅴ型比普通的Ⅰ型约高40℃。

　　3高效平板集热器瞬时效率测试

　　为了对该种平板集热器的热效率有一个定量的了解,我们在标准测试台上按国标GB4271284[4]测定了Ⅴ型太阳能集热器的瞬时效率曲线。测试时间是1999年12月21日10:30～14:00。当日寒流刚过,晴空无云,风速偏大。测试结果列于表2。

　　表2集热器(Ⅴ型)瞬时效率曲线测试数据

　　

　　    带透明PC板集热器瞬时效率曲线拟合的瞬时效率方程如下:η=01645-2190(Tin-Ta)/I(1)

　　该效率方程的截距为01645,热损系数是2190W/(m2·℃)。可以看出,虽然集热器加了一层透明PC盖板,但对截距的影响不大(玻璃盖板用的是普通玻璃,透过率只有0178左右),而热损系数却减小了一半左右(普通平板集热器的热损系数在6W/(m2℃)左右)!大大提高了平板集热器在70℃时的运行效率。

　　还要指出,被测试集热器(Ⅴ型)的玻璃盖板用的是普通玻璃,透过率只有0178左右,而江门太阳能空调系统集热器同样是Ⅴ型,但所用的玻璃是低铁浮法玻璃,透过率达0184～0186。换言之,江门太阳能空调系统所用集热器的瞬时效率方程截距应可达到0170左右。

　　按式(1),若设:Tin=70℃,Ta=30℃,I=800W/m2,则:η≈0150。(江门市太阳能空调系统集热器的效率还更高一些)。该集热器热效率不但比普通平板集热器高得多,而且比带漫反射衬板的真空管集热器还高。根据文献[5],带漫反射衬板、具有黑镍选择性吸收表面、集热管中心距为2倍外管直径的真空管集热器的瞬时效率方程为η=0156-1197(Tin-Ta)/I(2)同样地把Tin=70℃,Ta=30℃,I=800W/m2代入方程(2),得到η≈0146,比带透明PC板平板集热器还低4个百分点。

　　 4结论

　　为提高平板太阳能集热器效率所采取的技术措施———增加一块聚碳酸脂(PC)透明盖板、阳极化着卷色选择性涂层的吸热板芯、加厚保温层结构、以及采用低铁玻璃盖板,证明是非常有效的。其中聚碳酸脂透明盖板起了关键性作用。

　　空晒温度对比试验可以定性地反映集热器的热性能,试验结果表明:加厚底部保温层结构可提高空晒温度(下同)5～10℃;阳极化着色选择性涂层吸热板芯(Ⅳ型)比普通选择性涂料板芯(Ⅱ型)高20～25℃;但后者增加一块透明盖板(Ⅲ型)却反比前者(Ⅳ型)高3～5℃;若都增加一块透明盖板,则Ⅴ型比Ⅲ型只高4～8℃,而采取了所有措施的Ⅴ型比普通的Ⅰ型约高40℃。改进后的高效平板集热器热损系数仅为2190W/(m2·℃),而且简单价廉,非常适合太阳能空调系统和一般的热水系统使用。

　　[参考文献]

　　[1]陆维德.太阳能集热器与太阳能热水器/系统.太阳能