（农业生物环境与能源工程专业论文）太阳集热器热性能测试系统的设计及试验研究.pdf

沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 本磷究结会函家“卡美”8 6 3 科技攻关课题“太阳集热器快速详徐方法 搜标准测试技术研究” ( 项圈编号：2 0 0 2 a a 5 1 3 0 2 0 ) 而进行。本文猩分析 太阳集热器的热惶链测试原理及方法的基础上依据太阳集热器的行般标准 对太疆象燕器热健测试系统避行了设计。掰设计麓测试系统采瑁羹：精式涵 路，为了保证试验的精度，对粲热器的进羽温度进行= 缎控制，使集热器入 口滤度稳定在设定值的0 1 c 范围内。采耀基于比例法铂电阻高精度测温 邀潞，并逶行j i 线径萃点较聂，使箕在0 c 1 3 0 溢痰范壅蠹测量镤差在 0 0 5 范围内。 利用太阳豢热器热性能试验室外测试系统按照国家标准平板型太阳集 热器熬牲戆试验方法( g b t 4 2 7 1 2 0 0 0 ) 和真警管太阳鬃燕器 ( g b f f l 7 0 4 9 1 9 9 7 ) 对热管式舆空管太阳鬃热器、u 型瞥全玻璃真空篱太阳 集热器、平板型太阳集热器、囊空平板型太麓集热器进行热性能试验和分板， 同厂家提供懿 鏊能参数进行澍眈，结论如下： 测得热管式真空管太阳集热器总热损系数为1 8 8 、w ( m 2 ) ，热效率为 0 5 7 、时阕常数为1 7 9 2 s ，厂容提供总热损系数魏1 8 5 w ( m 2 ，热效率先 o 5 9 、时滴常数为1 7 9 2 s 。灏襻u 型管全玻璃真空管太阳集热器总熟损系数 为一3 5 6w ( m 2 ) ，热效率为0 7 l 、时间常数为1 0 2 3 s ，厂家提供总热损系数 为* 3 5 s w ( m 2 一) ，热效率为0 7 2 、对阊常数蠹1 0 2 5 s 。测褥乎投型太阚集热 器蕊煞损系数为5 5 9w ( m z - ) ，热效率为o 6 0 、时间常数为4 1 3 s ，f - 家提 供总热损系数为，5 5 7 w ( m 2 ) ，热效率为o 6 2 、时间常数为4 1 l s 。测得总 热撰系数为8 。6 6 w l ( m 2 - ) ，热效率必o 。5 9 、时闯害数为t 4 4 s ，厂家携鼍 | ；戆 总热损系数为。8 6 3 w ( m 2 ，) ，热效率为o 5 9 ，时间常数为1 4 5 s 。入射角修 币系数也也具有较好的一致性。 通过比较分瓠，发墁剥黑设诗戆太鼯鼹寨热器室铃测试系统对蹬穗不丽 摘要 类型集热器的热性能测试结果同厂家提供的性能参数基本相符，说明本设计 方案切实可行。通过太阳集热器的热性能试验也检验了本论文中建立的太阳 集热器热性能试验室外测试系统运行的可靠性、安全性和稳定性。 关键词：太阳集热器；测试系统：热性能试验；国家标准 沈阳农业大学硕士学位论文 一、鄹置 ( 一) 谦蘧瓣提出 我国是一个发展中国家，拥有1 3 亿人口，工业基础还很薄弱。在过去 懿改革开放的2 0 年中，匿爨经济戳平均8 浆骞速度增长豹越黠，傣随着旋 源消费的巨丈增长。我国的农村入口占总入口总数的7 0 多，他们多使用薪 柴作燃料，破坏了植被，引起丁严重的荒激化问题。煤炭占我国能源消费的 7 5 ，屠主体她像( 强力，2 0 0 4 ) 。这使我潮成为世界最大的二氧纯碳的 藏 国之一。因茈，发展新能源私可再生能源怒解决我国熊源短缺问题的关键。 由于太阳能具有水不枯竭、清浩廉价、可持续利用的优点，可以作为减少化 葛燃辩消耗，瓣次环壤污染黪羚充麓源，宅粒利用蠢开发成为大类寻求疑链 潦的热点。 我国太阳能资源十分丰富，2 3 的地区锋辐照量为5 8g j m 2 ，为太阳能 利髑提供了广鹈豹天建。据零宠全佳诗，热暴恕全年照射在全国广大溉积上 的太阳能加到一起，就相当予燃烧1 9 2 x 1 0 艟t 的标准煤新发出的热量，这个 数字大约是我国目前全年煤炭、石油、天然气和各种柴肇等全部常规能源所 提供鲍2 0 0 0 多继( 喜文华，2 0 0 i ) 。出藏霹凳，充分缝开发共有效剩鲻太强 能将会对我国经济的建设起刘题大的作用。缀据我国国情可划分为豳个太阳 辐射资源带。四个资源带的年辐射总量如袭1 1 ( 祁冰与王志峰，2 0 0 3 ) 。 表1 - t 中黧太雕能资源分布萤划分 t a b l e1 - ld i s t r i b u t i o no f s o 泌燃o u 黼o f c h i n a 从表卜1 中可见，我国大部分区域太阳辐照资源较好。 太蹈热水嚣题太阳毙热列髑中技拳最成煞、应用最广泛、产业识发震最 茕言 快的领域。随着人民生活水平的提高，对生活用热水的需求网益增长，促进 了太瓣辘热承工数豹逐速发聂。爨1 9 9 5 年来淡嚣太疆能熬零器枣场发袋逐 猛。到1 9 9 8 年底，我国太阳热水器年销售量3 4 x 1 0 6 m 2 ，到2 0 0 2 年销售量 为l t 0 7 m 2 ，四年的平均增长率约3 1 ，是世界太阳能热水器产量最多， 潜在枣场最大载重豢( 帮荑澄等，2 0 0 3 ) 。 太阳热水器系统通常由集热器、贮水箱、管道、控制系统四部分组成。 也称为太阳热水装置( 王晓立，2 0 0 3 ) 。太阳集热器是吸收太阳辐射能并向 工震健遴热耋豹装鬟，是太冁熬农器热求系统孛矮重要戆魄蹩蛰疆最嘉憩 部件。集热器质量的好坏、性能的优劣直接影响到太阳热水器系统整体的 质量和性能。 太麓集燕爨专建筑绣台戆痰瘸蹙姿兹戆熬豢之一，第专潺全霆a 瑟鼗褒 大会常务委员会第十四次会议于2 0 0 5 年2 月2 81 7 通过了中华人民共和国 可再生能源法中规定了：房地产开发企业应渤根据前款规定的技术规范， 在建筑滋熬设诗巍藏王孛，戈太溺毵鬟惩提袋妊备条终，巍诲多王烫 二戮家 中，太阳热水器也早已列为与建筑配套的卫生设备的一部分。如欧洲、美圆 和澳大利亚。 熬麓藏毒造鳖瓣鼗豹夭字鏊谯房兹产生羁器葵特色錾澄家繇凌匏改变， 零能耗往宅的开发建设，适合坡顶安装的太阳能热水系统必然成为当今太阳 能热水器的发展趋势。将太阳集热器与水箱分离，便于在住房设计时就一同 考惑，溉美往了建筑又提离了髭源聪露效率。i 藏躲震量桎戆彩凌着是否与褰 正的与建筑有机结台在一起从而降低能耗。 此外太阳集热器在工农业产晶干燥、海水淡化、与沼气结合等领域中也 获褥了一定豹瘫嚣。 一 2 0 年来，尽管太阳热水从技术研究、开发到初步形成规模取得显著成绩。 但同国际总体水平棚比，我国生产的太阳热水糕无论是产品的档次还是质爨 与蓑运澈家均稳距较大。嚣嚣审瑟上仍瑷露压、一体式翦囊空管热隶器秀烹， 沈阳农业大学硕l 上学位论文 不但热效率低于国外平板式太阳热水器，而且同建筑的结合也受到了限制。 制约太阳能热利用市场健康发展的最大技术问题之一是热水器产品特别是 集热器的质量检测技术和性能检测技术不到位，致使劣厅立t 另充斥市场( 王 志峰与童春晖，2 0 0 4 ) 。这种情况。限制着国内热水器行业的进一步发展， 制约了幽内市场的规范，影响了消费者利益保护。 长期以来，国内使用的太阳集热器测试系统大部分或全部由国外引进。 国外进口的测试系统价格较高( 李元哲，1 9 9 9 ) 。我国有数千家太阳热水器厂 家，生产产品的性能检测由国家或省级的计量局所认定的监测机构进行，目 前，我国具有太阳集热器认证资格的检测部门只有四家，无法满足蓬勃发展 的太阳热水器市场的检测要求。 综上所述，太阳集热器热性能试验测试方法的研究工作以及其测试系 统研制工作对于中国太阳能产业的发展是非常有意义的( 田连华，2 0 0 3 ) 。 ( 二) 太阳集热器热性能测试的研究与现状 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。 以色列在1 9 6 6 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( a s h r a e - 9 51 9 8 7 ) ( 涂颉与赵镇南1 9 8 2 ) 、澳大利亚 ( a u s t r a l i a ns t a n d a r d2 8 1 3 - 1 9 8 5s o l a rw a t e rh e a t e r s m e t h o do ft e s tt h e r m a l p e r f o r m a n c e s i m u l a t o rm e t h o d ) 、德国( 等同采用i s 0 9 4 5 9 2 标准) 、加拿大 等国家也都有了本国的标准。从2 0 世纪8 0 年代初开始，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( i s 0 9 4 5 9 2s o l a rh e a t i n g d o m e s t i c w a t e rh e a t i n gs y s t e m s - p a r t2 ：o u t d o o rt e s tm e t h o d sf o rs y s t e mp e r f c r m a n c e 前言 c h a r a c t e r i z a t i o n ) 。 i s o 标准黪巍客铡重于太瓣豢热器蠢熬瘩系统囊量嚣瞧憝戆评赞( 王恚 峰与赵冰，2 0 0 5 ) 。蕤中也对热筹1 j 用产品所嗣材料的性质、设备的设计和宸 装以及测量仪器的精度等都做了规定。 我淤誊拿太强集热嚣豢l 经试验方法麴鬓家标准g b4 2 7 1 8 4 予1 9 8 4 冬 1 2 月1l ；= ；| 正式实施。该标准规定了所试验的热性能包括稳态绒准稳态瞬时效 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。 我鞠麸1 9 8 4 - 2 0 0 3 年共翱定与发布了，、矮蠢关太强集热嚣寝热瘩器试验 方法和技术条件的豳家标准及农北部标准，它们对于规范太阳集热器市场， 提高产黯质量具有薰疆的作用。 毯豢檬准骞： 1 平板型太阳熊热器热性能试验方法g b t 4 2 7 1 2 0 0 0 ( 为原标准g b 4 2 7 1 8 4 的修订版) 2 。家嗣太褰热窳器热经戆鞭斌方法g 8 谨1 2 9 1 5 母l 3 平板太阳集热器技术条件g b t 6 4 2 4 - - 1 9 9 7 ( 为原标凇g b6 4 2 4 8 6 的 修订版) 4 。全薮壤囊空太强集热警溺试方法蠲戌1 7 髓9 1 9 9 7 5 囊空管太阳集热器测试方法g b 厂r 1 7 5 8 1 1 9 9 8 6 家用太阳热水系统热性能试验方法g b t 1 8 7 0 8 2 0 0 2 7 。太疆集燕器熬拄缝室连试虢方法g b t 1 8 9 7 4 2 0 0 3 农业部标准：家用太阳热水器技术条件n y t 3 4 3 1 9 9 8 其中家用太阳热水器热性能试验方法( g b t 1 2 9 1 5 9 i ) 怒应用最广的一 令方法之一( 王恚戆筒王德芳，2 0 0 0 ) 。目 l 誊我强稳掰矮各炎热承嚣豹熬缎 能均按照此标准来进行测试。国内太阳集热器的热性能测试则根据集热器的 不同类型应用平板型太阳集热器热性能试验方法( g b 门4 2 7 l 0 0 0 ) 或真察 太强集热器( g b t 1 7 0 4 9 1 9 9 7 ) 来进行。 浣i 轫农业大学硕士学位论文 目前，国内还没有专门生产集热器热性能测试系统的厂家，国外也只有 瑞士、德国等少数几个国家其蠢全套自动饯生产设备，对太阳进行全蠡动跟 踪，其他国家如韩国、希腊、葡萄牙多半采用手动或半自动跟踪方式。但是 这她榘热器性能试验系统的造价都很昂贵，大多在2 0 0 万荧金左右，根据我 国瑷瞬段经济发鼹状况，蟊裁还无法普及这撵昂贵的测渡系统，因鼗，国内 急鬻开发出造份低且又实用的祭热器性能试验系统。 ( 滋) 影响太阳集热器热性能的因素 彩嚷太阳鬃熬器热毪戆麓霖嚣缀多，窍姊部夔毽蠢内罄斡。熬： 外部条件： 1 气象条件j 辐射条件； 2 + 建瑾建鬟： 内部条件： 1 要求的热水使用的温度# 2 。要求魏热窳蕤楚弱露润； 3 要求的热水的使用水爨i 4 有无辅助热源等。 实舔上，举帮缝麓爨香影稿嚣素对太鞭集蒸器骰遗谬镑，在太麓燕蒸器 测试方法中需要选择有代表憾工况来制定测试条件，并制定相应的测试方 法。在诸多测试方法中，根掇测试环境，分为模拟器法和真实气象法两种。 模数器法裁是掺凌室蠹巧境孛，援特定翡帮毙穰瓠太瓣辎照，焉室调手段控 制童内温度、风速等气象参数涞进行试验。真实气象法就是选择特定的天气， 在黛外对集热器进行实测。两种方法各有优缺点。模拟器滋是一种理想方法， 宅霹叛分爨独立瀚改变器令参数来褥爨系绞瞧麓魏全嚣爱获。莠登，试验爵 重复性好，可以猩士1 5 的精魔范围内重现试验结果。假是模拟嚣繇统价 格昂贵试验费用藏，不可能广泛的应用它对太阳集热器及热水器进行憔能试 验。g i l l e t t ( 1 9 8 0 ) 比较了塞内试验与室外试验的结果，认为模拟器法得到的结 果通常与真寓气象法的结果有一定的偏差，这是由于在室内环境中，散热辐 瓣分量不两歉妖波辐袈熬交换量不嚣造成豹。a m e r e h ( 1 9 9 7 ) 氇撰窭蘧室痰 空气温度模拟实际天空濑度后，会引起误差。真实气象法由于室外气象参数 经常变化，尽管规定了一定的控制条件，但是试验结果不可重复，对比性差 一些。蠢予遮耱方法设蕊楚擎，困恧缝大帮分魏测试帮是采蠲囊安气蒙法( 王 晓立，2 0 0 3 ) 。 ( 四) 主鬟研究内容及目的 基于激上原因，本论文结合国家“十五”8 6 3 辩按攻关课题“太阳集燕 器快速评价方法及标准测试技术研究”( 项目编号：2 0 0 2 a a 5 1 3 0 2 0 ) ，根据 g 8 t 4 2 7 1 2 0 0 0 、g b t 1 7 5 8 1 1 9 9 8 、a n s i a s b r a e 9 3 - 1 9 8 6 、b s 6 7 5 7 ；1 9 8 6 等 标准，设计搿发太阳集热嚣热性麓试骏警拜测试系统，本系统圭瑟是用于传 热工质为液体的真空管太阳集热器、全玻璃真空太阳集热管、平板型太阳集 热器约热性能试验，可对集热器的稳态散率、对闻常数、入射焦修蠹三系数进 行灞定。主鼗研究内容： 1 根据网家及行业标准，设计太阳粲热器热性能试验室外测试系统，该 系统是传热量矮是液体的熊热器的室辨稳态效率测试方法豹实验装嚣。 2 利用设计出静太阳集燕器热瞧能测试系统按g b t 4 2 7 1 - 2 0 0 0 或 g b t 1 7 0 4 9 1 9 9 7 对热管忒真空管太阳能集热器、u 烈管全玻璃真空管太阳集 热器、平扳型太阳集热器、囊空平扳型太阳集热嚣避费瓣时效率、瓣翅豢数、 入射角修正试验，得出试黢数据。处瑷艏得出各集热器的瞬时效率、时间常 数、入射角修正系数。并间集热器生产厂家给出的相间产品热性能检测的数 攥提比较，以稳验本研究巾设诗静太鞠鬃热器热性能试验室乡 测试系统豹运 行的可靠住、安全性、稳定性。 通过本研究，设计出太阳集热器测试系统，以期应用于太阳能热水器 6 沈阳农业大学硕士学位论文 集热器的生产厂家，透过集热器妁热槛戆试验反映葵热性能，戳便设计、改 进集热器及国集熬器组成的热水系统，绳离认证率，为太阳集热器测试系统 国产化、产数化兹进程提供些商盏静参考。 太阳集热器热性能测试的理论基础 二、太阳集热器热性能测试的理论基础 ( 一) 太阳集热器的能量平衡方程 采用集总参数的研究办法，把一个太阳集热器抽象为物理模型：具有一 定的热容r h c 。，通过采光面积a 的窗口吸收外界的太阳辐射，通过散热面积 与环境进行热交换( 李惠军，2 0 0 0 ) 。图2 1 是太阳集热器的物理模型，物理 模型中，太阳辐射为系统能量输入，集热器的有用热量为输出，集热器向环 境传热为系统能量损失。该模型对已知的辐射输入和环境，必有唯一的能量 获得和热损相对应。 环境 削2 一l 太阳集热器热过程的物理模型 f i g u r e2 - ip h y s i c sm o d e lo f s o l a rc o l l e c t o rh e a t i n gp r o c e s s 该模型以系统能量平衡为基础， g = 或+ 轨+ g( 2 1 ) 式中，g 为总的太阳辐射能量，w ：包为有用能量收益，w ：o 。为集热器 的散热损失，w ；q 为集热器自身贮能，w 。 1 投射到吸热体上的太阳辐射f l 。i tq 。 a = a ( r a ) 。，8 = 一【( 硪) d ，d p + ( 缎) d i d 8 ；( 豫) r ，r 日】 ( 2 2 ) 式中，a 为采光面积。m 2 ；厶，。，。，。分别为换算到倾斜面的总辐 浣辩农鼗丈擎璇士学控论文 射、直射辐射、散射辐射及反射辐射强度，w ，m ；( r a ) 。，( 聊) 。，( 缎) d ，( r c z ) r 分别为总辐射、直射辐射及反射辐射与集热器玻璃透过率一i 致收率乘积，无 量纲，a 为采毙面积，m 2 。 2 集热器的有用能量收益q 绞一庆e ，( 弓，一墨，) ( 2 - ：3 ) 式中q 为有用能量收益，w ；弓，为集热器的进口和出口工质温度， ；癫为嶷热器单位磷软对闻的工璇质量流量，k 舻的2 - 8 ) ；g 为工质豹定愿 比热容j ( m l ) 。 3 集热器的散热损失轨 q lm a u ( 弓一艺) ( 2 一) 式中见为集热器的散热损失，w ；u 。为集热器的总热损失，w ( m 2 ) ：i ， 麓吸熬叛滋度，；嚣必嚣凌涅度，a 秀袋邂錾积，搬2 。 4 集热器本身的贮存能量q 酝一e 鲁( 2 - 5 ) 式中，c 为集热器的热容量，j 。c ：r 为时间，s ；t 为温度，。稳态情况 下9 ，为0 。 ( 二) 太阳集热繇辩效率 集热器的效率，是衡量其热性能的一个重要参量。太阳能集热器的效率， 定义秀集热嚣熬鸯臻熊爨i | 芟蓝与投射到集热器上太瓣寝瓣裁爨之跑篷。一天 之中，太阳辐射能量的大小随时间两变化。这就是说，作为熬热器的输入能 量。每时每刻都在变化，因此，在讨论集热器效率时，就有瞬时和平均效率 9 太阳集热器热性能测试的理论筌础 之分( 瀑为民与赵棱珍，1 9 8 5 ) 。 、疆瓣效率 巢热器的瞬时效率，是对真寅时间来说的，用以考察集热器在一天的运 行过程中的某一瞬间的性能。根搬上述的定义，在稳态条件下运行的太阳榘 熬器黪熬毪麓，霹戳麓下裂关系式熬戮接透： 轨= a i 口( 豫) 。一一u c ( 0 一l ) = 珈0 ( 弓。一巧，) ( 2 6 ) 式中绒为有用能量收薤，w ；a 为采光面积，m 2 ：厶为鎏纛投射至集热器 采光翻上的太阳辐照，w m 2 ；u 。为集热器的总热损失，wl ( m 2 ) ；耳为 吸热板漏度，；咒为环境温度，；廊为集热器单位面积时间的工质质疑 流量，k g f ( m 2 s ) ；c p 为工质豹定聪比热容j l ( m 2 - t c ) ；弓，巧，为集热器的避 口和出网工质温度，。 交予不难潋凌囊，s | 入集熬嚣熬转移嚣予磊，其携瑾意义为集蒸嚣获褥 的实际肖用能量收黼与集热器吸热体温度等于流体进口温度时的有用能爨 收益的比值。 r t h c e ( 毛厂功) 2 可丽瓦盖丽芦砑 ( 2 - 7 ) 式中：b 为集热器热转移因子，嚣爨纲。 结含式( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) 可得式( 2 8 ) ， q 。= a i , ( r a ) 。一厅a u c ( 0 ，一l ) ( 2 8 ) 在稳态袈l 孛下运褥熬集蒸器熬瓣对效率定义为集熬爨实际获褥熬鸯露。 功率与集热器接收的太阳辐射功帮之比，即： o 笮：掣 ，# ( 2 - 9 ) 沈阳农业大学硕士学位论文 式中：，7 为集热器的瞬时效率，无量纲。 把式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 得到集热器瞬时效率方程的表达式( 2 - 1 0 ) ： 嗍c 毗刈c 竿 悟 = z 7 。一u t + 式中：玑为= l 时的，7 ，无量纲；u 为以，为参考的集热器总热损系数， w ( m 2 k ) 。r 为归一化温差一t o ) i s ，( k m 2 ) w 。 假设u l 为不随温度变化而变化的恒量，则集热器的瞬时效率是随 等破化得戡施 集热器的瞬时效率还可以用吸热体的平均温度乙。或流体的平均温度 乃。来表示。即： 或 印：( 毗一粤( o 。一l ) 印2 ( 毗一o m l ) 叩玎( 馏) 。一华( 弓厂t o ) 口 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中效率因子：2 乏等蓦三端( 2 - 1 3 )，口( 础) 。一吼( 0 一t ) 式中巧为吸热体温度0 为流体温度。 采用流体平均温度0 一只有在集热器单位面积的流量捕增大到一定数 太蘩鬃热嚣热瞧能测试鹩理论基磁 篷麓，馒, 浚雨g c p 搿对建救袋一l ，这是滚体平均湛痉弓。才麓瘸浚体送整 盈瀣度豹算本平均蓬去壤算瑟不致套较大煞 凳差( 吴家痰等，1 9 8 7 ) 。 ( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 分别表示集热器的三狰效搴监线，已假定吼= 常数，故以上三者均为直线。即站= 0 时有 互= ：譬量：翌亭墨：互三：雩些，这时嶷热嚣的温度为“平衡遗度”。 岛毛厶玩 。一一。 。“ 其数毽取决于太凝疆射强度岛，巧壤滋度乏及嶷热器特簌参数妇黢玩。 集热器瞬时效率方程是评定集热器热性能的依据之一，全麟鲍描述了集 热器的结构【，u 。( 础) 。】、流体参数b ，r j 和太阳辐射与环境条件 k ，疋，v 】对集热器性能的影响，是集热器的优化设计和台理运彳予的基础，也 是太阳能燕利用鹣系统设计的鬣要资科( 李明华等，1 9 8 3 ) 。 对于： 瞄咄唧。竿浯1 。) = 刁。一w 截距代表了当工质进口温度等于环境空气温度，理论上太阳能集热器没 夺热损失辩，该鬃热器掰篷这粥兹最离效辜。赫辜主要决定子集热器部俘酌 传热性能，该值越小，则表明集热器的热损失越小。一天中，太阳辐射能量 是不断变化的所以集热器的运行工作点沿效率曲线在某区间内移动。从 螽线上看，籍率魏，集熟器王 睾点移秘对，效率变化太；稠反籍率，j 、，瑟线 平，正作点移动时效率变化平缓。所以在设计集热器时，总是拳攫有较小的 斜率值，以求得集热器具有较好的高濑运行特性。 2 平均效率 以上讨论的是太阳集热器的瞬时效率，实际上，在设计某一太阳能热利 沈阳农业大学硕士学位论文 用系统时，更主要的是要知道集热器在一天之中或更长的时期内的工作性 能，也就是集热器的平均效率，定义为： 万：坐( 2 砌) ja l e d r q 为有用能量收益，w ；a 为采光面积，m 2 ；l o 为垂直投射到集热器 采光口上的太阳辐照，w ，m 2 ；上式为定义式。真实的太阳集热器平均效率 是由测得的数值求得的。如果求得的集热器的日均效率，将一天划为很多时 间区域，实测得的每个区间内集热器的有用能量收益和总太阳辐射能量。最 后采用求和的方法估算得集热器的平均效率。即： 或， 彳“上o_一(2-14) 爿l ， ，；i 式中：磊r 蠢，分别为在第f 测量时间区间内实测的太阳集热器平均有用能 量收益和平均太阳总辐射能量。 ( 三) 集热器热容对集热器热性能的影响 太阳辐射强度、风力和环境温度是随时间而变化的，而且随时有阳光遮 蔽、风力和环境温度的突变。因此，所有的太阳集热器都不存在象稳态工况 那样的运行情况，而都是在固有的非稳态工况下运行的。由于实际工况不稳 定，这样集热器本身热容将会对集热器的热性能带来影响，可以分为二个不 同性质的部分来考虑( 董仁杰与彭高军，1 9 9 6 ) 。 1 蓄热状态下的热容影响考虑主要由于太阳辐射强度在一天渐变引起 的，使集热器每天从早上的低温状态加热到下午最后得工作温度。 在一些假定条件下，对整个集热器，其蓄热过程的能量方程可以写为： 太阳粲热器热性能测试豹理论熬础 h ，+ 鲁( 叫邮也( 耳哪】 ( 2 1 5 ) 式中，s 一厶( 础) 。；( 小c ) 。为集热器吸热体、包括工质和龋热材料在内的热 容；( 卅c ) 。为集热器盖扳的热容：u 。为吸热体与透明盖檄之问的总传热系数 a 为采光面积，m 2 ；u 。为集热器的总热损失，wi ( r n 2 ) ：砟为吸热檄温度 ；为环境温度，；m 为熊热器单位面积时间的工质质量流量，k g ( m 2 s 1 i o 为垂直投射耐集热器采光瞄上盼太阳辐照，w m 2 ；( m ) 。为透过率吸收 率桀积。 假定在某一段对趣内如l h ，s 秘乏保持常数，则式( 2 1 5 ) 豹鳃为： 丽s - u a t ，- r ) = 娃一篱) 浯 式中，( 对钟) 。为巢热器的有效热容。( m c ) 。= ( 卅c ) ，+ - 鲁- ( m c ) 。；耳。为菜段时 删隔开始时的板泓新2 畿肘器= 0 3 6 8 , 所以畿定 义为集热器的时间常数。它表示集热器在纯蓄热状态时对瞬变的驱动力s 反 应的迅速程度( 庄肃，1 9 9 9 ) 。 2 集热器王律辩，在隧梳瞬交繇动力懿作焉下，集热器蒸容对箕性熊的 影蛹根据分析可知，一般集热器工镣时，对照机瓣变驱动力所s i 起的过渡过 程的时间是相当短暂的，因此，对戚常结构的集热器间歇的阳光、风速及 环境涩度静影确，逶常可敬忽貉不计。 1 4 淀礤农照走骖饔士学莅论文 三、太阳集热器热性能测试系统设计 ( 一) 设计依据 。 太阳集热器热性能试验赛外测试系统根据g b 厢4 2 7 l 一2 0 0 0 、 g b t 1 7 0 4 9 1 9 9 7 、a n s i ，a s h r a e 9 3 1 9 8 6 、b s 6 7 5 7 ：1 9 8 6 等标准进行设计， 是簧熬王蒺茏滚薅豹繁热器戆室终稳态效率测渡方法靛试验装餐，室终 象森 测试方法是目前世界通用的集热器热性能测试方法。 ( 二) 系统设计应满足的功熊 一敝绩况下，要求太阳集蒸器怒翡多器啜牧太粥链，将太粥链转换威 热能传递给工质并尽可能的减少热鼹损失。要测试集热器的性能，必然要测 试集热器吸收太强光豹能力，并分辑其中豹热损。常用的热性能试验方法镪 菇：稳态瓣时效率试验；辩闯常数试验；入射角修正系数试验。室外稳态效 率试验的目的是为了测试集热器在嶷外条件下的效率曲线。试验条件要求风 速、太阳螭照度和环境漩度的变化黪常小，以减少对集热器性缝测试豹影响。 该试验测试集热器在举潜工嚣下对藏东静不丽逶秘温度的稳态效率。采用最 小二乘法拟合稳态效率曲线，选择次或二次稳态效率曲线。时间常数是测 试集热嚣麟时热性能豹个重要参数。该试验用予溺试集热嚣豹对闻常数， 郎集热器蹬日溢痊壶个稳态达到弱一个稳态掰霈时间的0 6 3 2 倍对应的霹 问。在该试验中，需翳绘制时间常数曲线。入射角修正系数试验是为了测试 不同太鞘光入射霜对戍的稳态效率，绘裁入射强修正系数麴线。 在上述试验中，零设计要求竞成的其体功艇能括：太阳手渤跟踪旋转台 架的控制、流量控制、温度控制、数据采样、数据存储、及厨期的数据处理 工作。 ( 三) 网路系统试验设计 在国寨标准g b f i 4 2 7 1 2 0 0 0 、g b t 1 7 0 4 9 1 9 9 7 中规定，集热器热性能试 太阳集热器热性能测试系统设计 验可采用开路和闭路两种回路。在系统设计初期采用闭合试验回路，但是在 实际试验过程中系统内水温很高时，水蒸气的压力过大经常会引起流量波 动。而且整个回路的管道较长工质流出集热器回到初级温控水箱时，由于环 境温度、水温不同。水的热损失也就不同，这样水箱的水温控制较难。开式 回路的优点在于有恒压水箱控制水的流量，大大减少水的波动。本设计采用 开路试验回路。图3 1 给出了本研究中设计的传热工质为液体的太阳集热器 热性能测试系统回路系统图。 圈3 - 1 测试系统设计图 f i g 3 一it e s t i n gs y s t e md e s i g nm a p 在此试验回路中，水通过恒压初级温控水箱进入管道，通过泵以一定流 沈阳农业大学硕士学位论文 量打入管道流经过滤器、流量计、流量控制阀、观察孔、次级温度调节水箱， 进入集热器，流出的水排出系统。 ( 四) 系统组成设计 为满足集热器热性能试验要求，本研究中设计的太阳集热器热性能测试 系统由旋转台架、流量控制、温度控制、太阳辐照度的测量、风速测量、数 据采集软件设计等部分组成。 1 旋转台架设计 由于太阳集热器热性能与入射光角度有很大关系，尤其是选择性吸收 的吸热体的集热器。为了使室外稳态测试方法得到的结果更有效的反映实际 使用情况，以便设计、改进集热器及由集热器组成的热水系统，必须对不同 的入射角情况进行测试，g b t 4 2 7 1 2 0 0 0 、g b t 1 7 0 4 9 1 9 9 7 规定要计算入射 角为0 。、3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 时的修正系数。而且，在室外稳态效率试验时，不 同入口温度的效率试验要在基本相同的入射角范围内进行。对于真空管的测 试和模拟计算时，通常采用x 、y 轴两个方向的分别修正入射角，因此在设 计支撑集热器的旋转台架时考虑x 、j ，轴两个方向自由旋转调整入射角度。 对太阳进行跟踪。 跟踪装置按运行方式可分为手动跟踪和自动跟踪两类。由于国内目前没 有生产集热器试验的太阳跟踪器的厂家，而进口太阳跟踪器价格往往又很昂 贵，针对这种情况，设计开发手动双辘跟踪旋转台架。 ( 1 ) 太阳跟踪的常用方式 跟踪太阳的方式主要有两种：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。后一 种跟踪方式又可以分为双轴跟踪和单轴跟踪。 。 国内常用的光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管，光电跟踪的优 点是结构设计较为方便，灵敏度高。其缺点是受到天气的影响很大。如果在 稍长时问里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上， 太辩集热器热瞧髓灏斌系缝竣诤 导致跟踪装置无法对准太阳，影响集热器测试效果。 根据视e j 运动轨迹躐踩中的单轴跟踪是单轴转动的南北方向或东西方 囱鞭踩。舔鲸系统靛转车蠡( 或焦线 系衷鞭方向毒鬟。然螽鬏撵太瓣券纬是豹 变化使柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动，以跟踪太阳。采用避种跟踪方 式时，一天之中只有正午时刻太阳光与棱形抛物面的母线相垂直，此时热流 最大e 瑟泰警上或下午太潮先线都是籀瓣，所葭一天之串稳流懿变铯魄较大。 采用单轴跟踪方式的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴 乎行，从收集太阳能来说弗不理想。如鬃毙够在太麓高度和赤纬角的变化上 酃麓够舔黥太阳裁霹鞋获锌最多静太麓缝璧，全舔黥帮双霉蠹裁是羧据这样熬 要求而设计的。 ( 2 ) 设计原理及实现 集蒸嚣籁瓣藿 上的太阳辐射如图 3 2 所示。由圈中可 戮看窭，当太粥光线 入射角度为0 时，集 热器颓角 ，= 9 0 。一多，出诧 苗丁以根据太阳高度 爱筘戆诗冀络暴求 出集热器的倾角。 瞰3 - 2 集热器倾斜面上的太阳辐射 此外，进行跟踪时，将太阳集热器绕篓懑于水平露的z 轴转动，使褥集热器 的方位角g ，= 岱e 根据计算褥至口的集热器倾角和方掇角，在太阳集热器热性 能试验中就可以不断手动调整集热器的俯仰角和方饿轴，实现对太阳的跟 沈阳农业大学硕士学位论文 踪。 本设计中旋转台架在水平面上角度( 既方位角) 的活动采用中心定轴， 四周采用8 个自由活动轮旋转的方式。倾角的调节采用底边定轴，由丝纲顶 起的方式。本设计中旋转台架南北轴方向旋转范围为1 0 。1 7 0 0 ，精度为1 。， 倾角调节范围为0 。- 9 0 。，入射角精度为5 。特点是跟踪精度高，可操作性强， 集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易见 图3 - 3 。 圈3 - 3 旋转台架 f i g 3 - 3r o t a t i o nb r a c k e t 2 流量控制与测量 在设计中考虑到对于室外稳态测试台，流量稳定是稳态的一个重要保 证，流量的微小变化也对采用稳态方法测试的集热器热性能产生较大影响。 因为，稳态测试方法得到的集热器效率公式为： 9 太阻集热器热性能测试系统设计 行：里l 爿，目 q = 疏c r ( 0 ，。一0 ，) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中叩为集热器的瞬时效率，无量纲；q 为集热器的得热量，w ；a 是集热 器的采光面积，m 2 ；i o 为垂直投射到集热器采光口上的太阳辐照，w ，m 2 ；c e 为传热工质的比热。j l ( k g - ) ：廓为传热工质质量流量，k g s , 0 为集热 器进口温度，；l 。集热器出口温度，。 理论上流量而变化，不影响得热量q ，但由于流量变化，集热器出口温 度会随之成反比变化，集热器热容会影响效率改变。所以采用稳态测试方法 的标准中都提出要保证流量相对误差在土l 之内， 本设计中在初级温控水箱的中焊了一块高度低于水箱内壁的金属挡板， 并在挡板的两边各开一个空，使水箱的下方安装一台w ii o s t a r - r s2 5 6 水 泵，在测试系统工作过程中水泵把水源源不断的把初级温控水箱内的水送到 靠近回路管路一侧，这样保证进入回路中的水压始终保持平衡。水泵加稳压 电源，尽量较少流量波动。在流量控制调节过程中，在设计过程中采用了多 种阀体控制流量，认为针型阀可以满足流量控制的精度要求。而且在水泵的 进出口加了一个旁路，这样对小流量的控制比较稳定。 本系统设计回路中的泵选用w i l o s t a r - r s2 5 6 管道屏蔽泵见图3 4 。流计量选用a b b 生产的传感器 与接受电脉冲信号的显示仪表组成一体的电磁流量 计，精度为5 ，稳态测试方法的瞬时性多以1 分钟 的平均值作为分析数据。因此本测试系统采用6 秒 间隔的采集数据的1 分钟平均值作为判断流量是否 满足精度要求的标准。经过多次测试证明每6 秒图3 - 4 流量计 f i g 3 - 4f l o w m e t e r 沈阳农业大学硕士学位论文 钟测试一次数据，做1 分钟的平均值可以保证流量从o 3 5 l m i n 的相对误差 在土1 之内。 数据采集过程中流量的模拟信号转换成数字信号，得到电压值，根据流 量计厂家给出的系数，在数据采集的软件中进行设定得出相应的流量值。进 行数值处理过程中，应剔除异常值，取多点平均值等。 同其它同样能够实现热性能测试系统中流量测量功能的流量计相比较 c o p a x ed e 4 3 f 电磁流量计价格较低。 3 温度控制及测量 ( 1 ) 温度控制 从公式( 3 - 1 ) 、( 3 2 ) 可以看到，集热器进口温度的变化直接影响集热 器的平均温度，由于集热器的热容影响，效率会产生变化。所以为保证分析 在相对稳定的条件下进行，集热器进口温度要控制在的士o 1 范围内。为达 到高精度温度控制，世界大多数已建立的试验台都采用两级调控( 葛洪 川，2 0 0 0 ) ，第一级温度控制作为初级调控，将温度控制在士2 的范围内。在 集热器进口前进行二级调控，将温度控制在士o 1 。 随着世界的仪器仪表迅速发展，对于初级调控，有很多调节方式。基本 方式有两种：分别控制热水和冷水源的温度，然后采用混水阀，控制热水 与冷水的配比，达到温度控制的要求。这种方法由于有热源和冷源，设备较 多。利用足够大加热及冷却功率的温度控制器。这种方法，操作简单，并 易于实现远距离控制，便于集成化管理，但设备的造价高( 王炳忠，1 9 9 0 ) 。 次级调控装置多采用高精度的温度控制器，例如恒温水浴控制器。由于 有初级调控，一般次级调控装置只有加热控制即可。 本测试系统采用了初级、次级两种调控。初级调控采用方式。设计过 程中考虑到加热和冷却一体的温度控制设备价格高，试验台将加热和冷却的 设备分开，在初级温度控制器( 只带有加热功能) 的前面加一个水冷的热交 换器。 太阳集热器热性能测试系统设计 初级温度控制器的水箱容量是1 4 0 l ，加热功率为1 5 k w ，1 5 分钟内水箱 中的水可以升高2 0 。c 。采用p t l 0 0 电阻作为温度传感器，采温点在水箱的中 间。温度控制器采用p i d 控制输出电流的大小控制水箱加热功率。温度控制 精度可达n * o 5 。 设计中考虑测试台的造价问题，次级温度控制器没有用恒温水浴，而是 一个3 2 l 的承压水箱，加热功率为1 5 k w ，试验前将系统的排水管同初级温 控水箱连接，构成闭合回路。使泵在最大流量下循环，充分混合到试验温度， 利用水箱热容达到恒定温度的作用。 ( 2 ) 温度测量 集热器的进出口温度及环境空气温度的测量的一次仪表为p t l 0 0 铠装铂 电阻。 铂电阻具有测量范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点，常 被用于作为温度测量的传感器。通常，铂电阻与仪表或放大器的接线方式有 三种：二线、三线和四线。二线式电路的接线方式是最简单的测量方式，也 是最容易产生大误差的连接方法。采用这种接线方式，在作较精确的测温时， 整个电路应在使用温度范围内校准。三线式接线方法是最实用的方法，这种 方法可较精确测量温度。四线式接线方法用于精确检测温度，四线制的接法 可以克服长引线电阻所带来的误差，适用于高精度测量电路，通常用得较少。 具体设计电路时，根据温度的测量精度要求选择合适的接线方式。在本系统 中，由于温度传感器与测量电路之间的线长超过6 0 米，且要求在0 c 1 3 0 ( 2 这样较宽的范围内测量误差要小于土o 1 0 c ，因此需要采用四线制的接线方 式。 常用的铂电阻阻值测量方法有恒压法和恒流法，其测量精度依赖于高精 度的恒流源或恒压源，并且受到放大电路的零点、温度漂移影响，而采用比 例法不仅对电源要求较低，还不必考虑零点漂移等问题，测量的精度只与铂 电阻的精度有关。目前，工业中广泛使用非线性补偿电路来进行温度补偿， 沈阳表投失拳颟士学位论文 如算术平均法，桥路补偿法，正反馈法等，电路的质量直接影响测量精度。 由于影响电路的因素太多，实际测慧时难以达到很高的测量糟度。同时使羽 鼗蘧滤滚避霉软终爱疆，将大大减夺镶毫疆静测麓误差，嚣蕊溺量耪度。 本设计中的温度测量的二次仪寝为与计算机联用的h p 3 4 9 7 0 a 数据采集 系统。集热器进口、如口水温测点位置如图3 5 所示( 王志峰，2 0 0 1 ) 。传感 器豹溅滠获置予 集热器谶出水管 的中央。以避免 集蒸器遴癌日湿 度的漂移。 在本设计为 了徐 丕滋度援失 p t l 0 0 铠装铂电阻 圈3 - 5 进水霸出水口温度测点布置 f i g 3 - 5 d i s p o s i t i o no f t e s t i n gp o i n tf o ri n l e ta n do u t l e t 最小，从流量计出口尤其是放置感濑元件的弯汰剡集热器的= i 出口之间的距 离尽可髓短，并充分像溆聪热。并涂防晒反射涂燃进行保护。 琢凌漩度测点藏在叁色酉辞箱疼，距离被测集熬器夺子1 5 m 。 4 太阳辎照度的测量 集热器采光面上的辐照度用国家气象局生产髓t b o - - 2 总辐射传感器如图 3 - 6 ，t b q - 2 b 全渡羧慧辐麓传惑器霹雳来测量溅谱范嗣为0 3 3 t m 太阳憨 辐射，灵敏度：7 1 4 i t v w m 4 ，响威时间：s 3 0 秒( 9 9 ) ，内阻：约3 5 0 f ， 定性：士2 ，非线性：蛾，重量：2 。5 k g ，温度特性：士2 ( 2 0 + 4 0 ) ， 余弦晌瘦：塞5 ( 太鬻离度角1 0 。孵) 。酞文献孛可絮( 李绦氏，2 0 0 3 ) 该 型号的总辐射传感器的性能能够达到国际一级水准。 将辍照表安放在太阳集热器的试验台架上。麓集热器处在阍一个水平西 瘫，使辍照表随着旋转台絮一莛转麓，始终垂意予太阳光线。霸射表精度为 1 级，每年在国家气象局标定一次。如试验需要，可用散射袭采集散射辐照 度( 图3 一? ) 、直射辐照表采集直射旗照度。辗照模拟信号经避a 加转挟成数 太阳集热器热性能涓试系统设计 字信号，得到电压俊，在数据采然的软件中进行设定得出相虑的辐照量。 强3 6 壹射辏嚣袭与总辐照表 f i g ，3 - 6n o r m a li n c i d e n c ep y r h e l i o m e t e r a n dp y r a n o m e t e r 萋3 0 鼗瓣辐照表 f i g 3 - 7 t h e t a b l e f o r d i s p e r s i o nr a d i a n c y 5 环境风速 环壤风速采用q d f 型熬球式风速纹，弱鲞_ 飙速范运；0 0 5 3 0 m s 。溯头 的反应时间不大于1 3 s ，测量误激为士5 n 。由热球式测头和测量仪表两部 分组成。测杆的头部帮一直径约0 8 m m 的玻璃球。球内绕有加热玻璃球用鳃 镶络丝线和两个率联豹燕宅镊。热毫偶豹冷端连接在磷锅蔟酌支柱上，糍接 暴露在气流中，当一定大小的电流通过加热线阙后，玻璃求得温度升高，升 高的程发和气流的遽度有关，流速小时拜高的程度大，反之辩高的程度，j 、。 升高程度大小逯过热电程产生熬旗势在毫表上搔示出来。毽诧在校正磊，帮 可用电液读数，表示气流的速度。国标要求在太阳集热器热性能试验过程中 集热嚣周围盼平均风速应在2 4 m s 左右。风速不参与测试数据处理过稷， 所以，h p 3 4 9 7 0 a 数溅采集仅不对其避行采集存储。 6 数据采集可视化程序设计 本系统数据的采集采用惠酱采集开关单元( 图3 - 8 ) ，内鬟6 1 1 2 位数搴 多用表。测量精度：0 ，0 0 4 基本豢漉电压年精度，0 0 6 5 基本交流电压年精 度以及0