碳塑平板太阳能集热器性能试验研究
时间：2023-01-15 11:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
路 颖，李绪泉，田 然，董捷睿，黄 祯，于慧俐
(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266525)
随着传统能源的枯竭和全球气候变暖，能源结构向可再生能源转型已成为必然趋势[1]。太阳能因其取之不尽，绿色环保的特性，成为传统能源的最佳替代能源[2]。平板太阳能集热器由于结构简单、承压高，利于与建筑配合等优点，广泛应用于低温太阳能系统中[3-4]。但同时传统平板集热器采用铝、铜等金属材料，存在着质量大、易结垢、耐腐蚀性差、价格高等问题[5-6]。李久锋等[7]对塑料太阳能平板集热器性能进行试验研究，发现该集热器的日平均效率为51%～55%。塑料与金属相比，具有导热系数小、比热小，吸热慢等缺点。为了克服上述平板太阳能集热器的缺点，本文对一种碳塑平板太阳能集热器进行室外稳态效率试验，研究其集热性能，并与传统平板和塑料平板集热器的热性能进行对比，拟解决传统平板集热器制造成本高、排管易腐蚀和塑料平板集热器效率低等问题，为碳塑平板太阳能集热器的推广应用提供指导。
碳塑平板太阳能集热器主要由4部分组成，如图1所示。
图1 碳塑平板集热器结构
1) 吸热板为铝合金材质，采用翼管式结构，由排管、传热平板和集管构成，表面积为0.794 m2；
排管内径28 mm，采用超声波涨接技术将新型塑料与铝合金紧密结合[8]，其中内层塑料厚2 mm，外层铝合金厚1 mm，新型塑料材料中加入一定的石墨烯，可以使塑料的导热系数超过3 W/(m·s)，提高吸热能力；
吸热板共由7块吸热条带组成，对应7根排管，排管两侧连有铝合金翼片，组成吸热条带，作为一个吸热单元，每块条带长840 mm、宽135 mm、厚0.7 mm，上表面涂有黑镍涂层，实物模型如图2所示。
图2 碳塑平板太阳能集热器实物
2) 透明盖板厚度为4 mm，与吸热板间距30 mm，可以最大限度地减少吸热板的能量损失。
3) 采用海绵和聚苯板作为保温材料，吸热板底部的保温层厚度为45 mm。
4) 集热器的外壳由铝合金制成，尺寸为1080 mm×1080 mm×160 mm。
绝大多数太阳辐射能可以穿过透明盖板被吸热板吸收转化为热能，然后传导向与吸热板相连的排管。水从集热器的进口流入排管后，温度逐步升高，变成高温水从集热器出口流至水箱，与水箱中的水混合，再重新流回到集热器进口。平板集热器的热损失包括吸热板通过传导、对流和辐射向周围空气的散热[9]。
试验台位于山东省青岛市，经度120.378°，纬度36.108°，按照《太阳能集热器热性能试验方法》(GB/T 4271—2007)[10]的要求搭建，试验台测试原理如图3所示。
图3 试验台测试原理
试验系统主要由平板集热器、水箱、流量调节阀、水泵以及各种测量仪器组成，测量仪器型号及精度如表1所示。集热器南北放置，安装在倾斜角为30°的台架上。水泵的型号为WILO-RS15/6，功率0.093 W，流量1.5 t/h，扬程6 m，水箱体积150 L，循环管管径25 mm，均做保温处理。采用10根K型热电偶作为温度传感器，通过Agilent 34970A数据采集仪实时记录各测点温度。
表1 测量仪器及精度
在2020年9月份天气条件良好的情况下对碳塑平板太阳能集热器的热工性能进行测试。上午10点开始试验。试验开启循环水泵，使系统定流量运行。考虑天气变化等原因，进行连续多天试验，选择符合要求的试验数据进行分析。
基于进口温度的平板太阳能集热器热平衡方程为[11]
QU=AaFR[(τα)eI-UL(Ti-Ta))
(1)
式中：QU为有用功率，W；
Aa为采光面积，m2；
FR为热迁移因子；
(τα)e为有效透过吸收率；
I为太阳总辐照强度，W/m2；
UL为总热损系数，W/(m2·K) ；
Ti为流体进口温度，℃；
Ta为环境温度，℃。
(2)
集热器的日平均效率等于全天水箱中水吸收的热量与集热器采光面接收太阳辐射总量之比[12]，即：
(3)
式中：ηm为日平均效率；
c为水的比热容，J/(kg·℃)；
ρ为水的密度，kg/m3；
V为水箱中水的体积，m3；
Tz为试验终止水箱温度，℃；
Tc为试验开始水箱温度，℃；
G为试验期间累积太阳辐照量，MJ/m2。
2020年9月18日—21日对该集热器进行了不同工况下的测试，测试条件如表2所示。
表2 运行流量及气象条件
图4为不同试验工况下集热器进出口水温、水箱中水的温度、环境温度及太阳辐照度随时间的变化曲线。
由图4(a)可知，吸热板进出口水温及水箱温度随着太阳辐照度的增强而不断升高，水箱初始水温为33.7 ℃，当下午太阳辐射开始减少时，水箱的水温依然保持上升趋势，15：00后温度曲线才趋于平缓，最后稳定在45.9 ℃。由图4(b)可知，水箱初始水温为36.3 ℃，经过一天的蓄热，水箱温度升高13.1 ℃。由图4(c)可知，工况C集热器进出口温差明显大于工况A，B；
太阳辐照度从12：00开始减弱，降至600 W/m2时，集热器出口温度趋于平缓，水箱温度由初始的38.4 ℃升高至50 ℃。由图4(d)可知， 21日是多云天气，太阳辐照度不稳定，从试验开始整体处于下降趋势，水箱开始平均温度为37.5 ℃，14：00之后便不再升高，最终温升至45 ℃。图4表明，该集热器可以迅速吸收太阳辐射能转换为热量，具有良好的保温性能和集热能力；
随着水流量的减小和太阳辐照度的减弱，水箱温升越来越小。
图5显示了碳塑平板太阳能集热器的瞬时效率在4个工况下的逐时变化情况，可以看出，集热器的瞬时效率随流量的增大而提高，且与图4比较得出瞬时效率曲线与太阳辐射曲线密切相关，工况A，B，C，D的最大瞬时效率分别为0.78，0.73，0.65，0.70。工况D受多云天气影响，数据具有一定的偶然性和波动性，通过与工况C比较发现，当运行流量相同时，太阳辐照度是集热器瞬时效率的主要影响因素。
利用式(3)计算得到工况A，B，C，D的日平均效率分别为0.61，0.62，0.59，0.53，工况A的平均辐照度和运行流量均高于工况B，日平均效率却略低于后者，是因为环境温度较低和风速较高，使得工况A具有较大的热损失。因此，集热器日平均效率是由太阳辐照度、环境温度、风速和运行流量等多种因素共同作用的。流量越大，太阳辐照度越强，风速越小，环境温度越高，集热器集热效率越高。
利用9月20日和9月21日测得的辐照度和温度参数，选取太阳辐照度处于700～800 W/m2区间内的时间点，结合式(2)计算出集热器瞬时效率离散点的值，通过Origin软件线性拟合得到效率曲线，如图6所示。
集热器瞬时效率方程为
分析可知，集热器的效率最大值为0.70，总热损系数为5.16 W/(m2·K)，效率离散点主要集中在0～0.02的横坐标区间，这是由于数据处理时所选时间点的集热器进口温度与环境温度之差在0～13 ℃之间。
将所测得的碳塑平板集热器的性能与文献[7，13]的数据进行比较(表3)，可以看出，碳塑平板集热器的最大瞬时效率略低于传统的金属平板集热器(管板式平板集热器)；
与塑料平板集热器相比，碳塑平板集热器的最大瞬时效率高出13%，集热性能较好。
表3 集热器热性能对比
综上所述，通过对碳塑平板太阳能集热器性能试验测试与分析，得到以下结论：
1) 通过室外稳态性能试验，建立了基于进口温度的集热器瞬时效率与归一化温差之间的线性关系，得到最大瞬时效率为0.70，总热损系数为5.16 W/(m2·K)，表明该集热器具有较好的集热效果。
2) 碳塑平板集热器的最大瞬时效率比所选文献中塑料平板集热器高出13%，比传统(金属)平板集热器的集热效率略低。
3) 碳塑平板太阳能集热器耐腐蚀、质量轻，价格低，利于壁挂式太阳能热水器的发展，该研究可为碳塑平板太阳能集热器的设计应用提供参考。
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