全玻璃太阳能集热器热性能实验研究.doc

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：学 院：系 别：专 业：班 级：指导教师： 二 一年 四 月 六 日 合肥工业大学本科毕业论文摘 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AbstractThe solar energy heat utilization is one of the technologies marketed and used universally, which is the highest in commercialization degree in renewable energy source area. The solar water heaters have the fast development and get the promoted application in our country. The solar energy collector is the core and the technical key of solar water heater which receives the solar energy and transforms into the heat energy, therefore researching collector thermal properties is a very important work.This article has described the testing methods for the thermal performances of solar collector under steady-state and quasi-dynamic conditions between our country and the world and the test of the national standards, introduced the solar energy collector tests experiment system and the instrument in detail. Meanwhile, the collector tests condition, step and the method of handling data also have been introduced .And this paper proposed the detailed experiment test method and the test step regarding of all-glass evacuated tube solar collectors unsteady-state efficiency, the time-constant and the collector incidence angle correction coefficient .Papers obtained the trend of non-steady-state efficiency of the all-glass vacuum collector over time and, tend of solar radiation and water temperature over time and done a detailed analysis, which laid a experimental foundation for follow-up study.Keywords: solar collector; test; heat properties; experiment目 录第一章 绪 论11.1 概述11.1.1 能源概述11.1.2 太阳能11.1.3 太阳能热水系统21.2 太阳集热器热性能测试的研究现状41.3 主要研究内容及目的5第二章 太阳集热器热性能测试的理论基础72.1 热性能测试方法72.1.1热性能稳态测试方法72.1.2 热性能动态测试方法102.2热性能试验目的及国家标准132.2 太阳能集热器的热性能152.2.1 非稳态效率152.2.2 日平均效率152.3 影响太阳集热器热性能的因素15第三章 太阳能集热器热性能测试系统173.1 试验要求173.1.1 集热器的安装173.1.2 测量要求173.2 测试系统及设备183.2.1 PC-2-T太阳能辐射标准观测站介绍183.2.2 TRM-2型太阳能热水器热性能测试系统213.2.3 TRM-PD人工太阳模拟发射器223.2.4 TBQ-2总辐射表24第四章 太阳能集热器的热性能试验264.1 集热器效率试验264.1.1集热器效率试验步骤264.1.2集热器效率计算274.2集热器时间常数试验274.2.1 集热器时间常数计算274.2.2 集热器时间常数试验步骤284.3 集热器入射角修正系数284.3.1 集热器入射角修正系数计算294.3.2 集热器入射角修正系数试验步骤294.4 试验数据分析294.4.1 非稳态效率实验曲线分析294.4.2 水箱温度随时间的变化曲线314.4.3 太阳辐射随时间的变化曲线33结 论34参考文献36 合肥工业大学本科毕业论文第一章 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304 g /kWh，煤气化联合循环发电为270 g /kWh，燃气联合循环发电为118 g /kWh，带烧天然气备用机组的太阳能热发电为47 g /kWh，地热发电为2.5 g /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1-1 1998-2001年太阳热水器总产量（万）年份产量（万）比上年增长（%）1998340199948041200061027200182034表1-2 太阳热水器总保有量（万）年份19911998199920002001保有量15015002000260032002.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510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1-3 1999-2001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）1999200330020003025400200138980005.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-95 1987)、澳大利(Australian Standard 2813-1985 Solar Water Heaters-Method of test thermal performance-Simulator Method)、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/DIS 9459-2:94）。国际标准化组织太阳能技术委员会（ISO/TC 180）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EN 12975-2:2001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。5合肥工业大学本科毕业论文第二章 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- 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（200m）；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03m/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/s5m/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/s5m/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24m /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（ EN 12975-2:2001）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ISO 9806-1、3和ASHRAE 93-77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的差别：表2-2 动态测试和稳态测试的试验条件要求参数稳态动态条件偏差范围条件偏差范围太阳总辐照度G80050300G1100散射辐射的比例20%环境温度1K环境风速31集热器进口温度测试要求温度0.1K测试要求温度1K工质流量0.021%0.021%表示对此项条件无特殊要求。从表2-2中可以看出：1.动态测试对太阳辐照度限制大大放宽。稳态测试中要求太阳总辐照度G应大于800（在欧洲该值为700），而在动态测试中只要求大于300即可。并且没有偏差范围的限制，这就大大增加了有效测试时间，降低了测试难度。2.如果集热器试验台没有设计可人工控制环境风速的设施，测试条件会更为苛刻：只能在自然风满足31条件下的数据才能有效。而在动态测试方法中就不存在这个问题，太阳集热器热性能的动态测试方法对环境风速没有特殊要求。3.稳态测试中，对集热器工质进口温度的要求十分严格，必须控制在0.1K的范围内。在实际的测试过程中，集热器工质进口温度的控制是技术难度较高的一项，需要设置复杂的控温设备。若有一个温度数据偏离，就会导致一组测试数据无效。但在动态测试中对此项要求大大降低，只要求集热器工质进口温度控制在1K即可。因此，将供水箱中的水制备到需要的温度，直接供水，不需要控温设备即可满足要求。4.不论稳态测试还是动态测试，对集热器工质流量的要求是一样的。这是因为两种测试方法的基本数学模型是一样的，都要保证有一定的量的工质流量来确定集热器得到的有效热量。2.1.2.2 动态测试步骤动态测试步骤与稳态测试步骤大体相同，但是也有很多的不同点，简单叙述如下：1.应在上述动态测试要求的试验条件都满足的情况下，进行太阳集热器的热性能试验测试。2.应在集热器的正常工作温度范围内，至少取四个间隔均匀的工质进口温度。最低点温度的选取应与环境温度之差在3K以内。3.对于每个工质进口温度，至少取四个独立的稳态数据点，总共给出20个稳态数据点。稳态数据点的测试时间周期应包括至少15分钟的预备期和至少15分钟的稳态测量期。4.对于每个工质进口温度，至少取四个独立的稳态数据点。每个独立的数据点都要进行以下数据的测量：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（此值可由测量日晷投影，计算得出）；f) 集热器环境空气速度；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。总共给出20组数据。5.测试可在45天内完成，考虑到室外测试需要依靠天气等因素，实际需要的时间根据测试地点的天气状况而定。在晴天和有云的天气条件下按照要求分别进行第一工况的测试：在晴天或有云的天气条件下进行第二、三、四工况的测试。具体测试情况的描述如下：典型日1测试集热器效率曲线的截距，取集热器低温工况的运行温度，满足测试条件并且在晴朗的天气下进行。典型日2测试集热器效率曲线的截距，取集热器低温工况的运行温度，满足测试条件并且在有云（包括多云）的天气下进行。典型日3在以下条件测试：取集热器中温工况的运行温度，多云或晴天的天气状况。典型日4在以下条件测试：取集热器高温工况的运行温度，多云或晴天的天气状况。并且规定了集热器高温工况的运行温度：家用热水的集热器为+60； 用于区域供热的集热器为+70；加热游泳用水的集热器为+15；用于加热烘干作用的集热器为+90。不同测试天的相互顺序不时关键，关键是测试点的实际天气情况应符合规定5。2.2热性能试验目的及国家标准运用太阳集热器热性能试验系统依据GB/T42712000和GB/T175812005中规定，对全玻璃真空管太阳集热器进行测试,得出热性能并进行分析。找出全玻璃真空管太阳能集热器的缺点和不足并提出方案进行解决。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。太阳集热器热性能试验包括:（1）室外稳态效率试验；（2）集热器时间常数试验；（3）入射角修正系数试验。我国从 1984-2005年共制定与发布了九项项有关太阳集热器和热水器试验方法和技术条件的国家标准及农业部标准，它们对于规范太阳集热器市场，提高产品质量具有重要的作用。国家标准有:1 平板型太阳集热器热性能试验方法（GB/T4271-2000）：该标准规定了平板型太阳集热器稳态和准稳态热性能的试验方法及计算程序。试验方法包括在室外自然太阳辐照下的试验和在室内模拟太阳辐照下的试验。适用于带压力降、有玻璃盖板、传热工质为液体的平板型太阳集热器，不适用于储热器与集热器为一体的储热式太阳集热器，也不适用于未装有玻璃盖板的和跟踪聚焦的太阳集热器6。2 家用太阳热水器热性能测试方法（GB/T12915-1991）：规定了家用太阳热水器在室外太阳辐照下的热性能试验方法，试验的热性能为:平均日效率、平均热损系数和非稳态效率方程。适用于非聚光、无辅助热源的自然循环式和闷晒式家用太阳热水器，热管式、真空管式、相变式、双回路式和直流式等家用太阳热水器亦应参照使用7。3 平板太阳集热器技术条件（GB/T6424-1997）：规定了平板型太阳集热器的定义、分类与命名、技术要求、试验方法、检验规则以及标志、包装等技术条件。适用于利用太阳辐射加热且传热工质为液体的平板型太阳集热器。不适用于闷晒式热水器、热管式和真空管式集热器8。4 全玻璃真空太阳集热管测试方法（GB/T17049-2005）：规定了全玻璃真空太阳集热管产品的定义、分类、技术要求、检测方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存。适用于接收太阳辐射并转换成热能的全玻璃真空太阳集热管9。5 真空管太阳集热器（GB/T17581-1998）：规定了真空管太阳集热器的定义、产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。适用于利用太阳辐射加热，传热工质为液体的非聚光型全玻璃真空管太阳集热器、玻璃-金属结构真空管太阳集热器和热管式真空管太阳集热器10。6 家用太阳热水系统热性能试验方法（GB/T18708-2002）：规定了家用太阳热水系统在没有辅助加热时的热性能测试步骤。适用于贮热水箱容积在0.6m3以下，仅用太阳能的家用热水系统。不适用于同时进行辅助加热的太阳热水系统的试验11。7 太阳集热器热性能室内试验方法（GB/T18974-2003）：规定了太阳集热器稳态和准稳态热性能在室内模拟太阳辐射下的试验方法。适用于带压力降、有透明盖板、传热工质为液体的平板型太阳集热器，也适合于真空管太阳集热器。不适用于聚光型集热器、储热器与集热器为一体的储热式太阳集热器，也不适用于跟踪的和无盖板太阳集热器12。8 家用太阳热水系统技术条件（GB/T19141-2003）：规定了家用太阳热水系统的定义、分类与命名、技术要求、试验方法、文件编制、检验规则以及标志、包装、运输、贮存等技术条件。适用于贮热水箱容积在0.6m3 以下的家用太阳热水系统13。农业部标准:家用太阳热水器技术条件NY/T343-1998。其中家用太阳热水器热性能试验方法(GB/T12915-91)是应用最广的一个方法之一。目前我国所用各类热水器的热性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(GB/T4271-2000)或真空太阳集热器(GB/T17049-1997)来进行。2.2 太阳能集热器的热性能2.2.1 非稳态效率非稳态效率是集热系统热转换效率在不同时刻的体现，非稳态效率方程则是非稳态效率随贮水温度、环境温度和太阳能辐射等状态量变化的关系。 （2-1）式中：非稳态效率，无因次； 水箱中水的质量；集热器的采光面积；水的比热；，为测试时间间隔的初、末贮水水温，是测试时间间隔的初、末太阳辐射量，W。2.2.2 日平均效率 集热器热性能测试中的一个重要的热性能指标集热器的日平均效率，其公式为14： （2-2）式中，、初始水箱均温和终了水箱均温，；A采光面积，；H一日内采光面得到的的曝辐量，W。2.3 影响太阳集热器热性能的因素 影响太阳集热器热性能的原因很多，有外部的也有内部的。如：外部条件 ：1.气象条件和辐射条件；2.地理位置；内部条件 ：l.要求的热水使用的温度；2.要求的热水的使用时间；3.要求的热水的使用水量；4.有无辅助热源等；5.与集热器本身也有关。实际上，不可能就所有影响因素对太阳集热器做出评价，在太阳集热器测试方法中需要选择有代表性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，根据测试环境，分为模拟器法和真实气象法两种。模拟器法就是指在室内环境中，用特定的灯光模拟太阳辐照，用空调手段控制室内温度、风速等气象参数来进行试验。真实气象法就是选择特定的天气，在室外对集热器进行实测。两种方法各有优缺点。模拟器法是一种理想方法，它可以分别独立的改变各个参数来得到系统性能的全面反映。并且，试验可重复性好，可以在1.5%的精度范围内重现试验结果。但是，模拟器系统价格昂贵试验费用高，不可能广泛的应用它对太阳集热器及热水器进行性能试验。Gillett(1980)比较了室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实气象法的结果有一定的偏差，这是由于在室内环境中，散热辐射分量不同及长波辐射热交换量不同造成的。AMERE.H(1997)也指出用室内空气温度模拟实际天空温度后，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。由于这种方法设备简单，因而绝大部分的测试都是采用真实气象法4。第三章 太阳能集热器热性能测试系统3.1 试验要求3.1.1 集热器的安装集热器试验台架不应遮挡集热器的采光面，不应明显影响集热器背面和侧面的隔热保温。台架应采用开放式结构，集热器前后的空气可自由流动。集热器的最低边离地面不应小于0.5m。为了使试验结果在国际上具有可比性，安装集热器时应使采光面与水平面的倾角为:当地纬度，但不应小于30。集热器也可以根据生产厂家的要求和实际安装的倾角进行试验。应通过手动或自动的方法使集热器跟踪太阳的方位角。在试验期间，不应有任何阴影投射在集热器上。在试验期间，不应有从周围物体表面反射到集热器上明显的太阳辐射，在使用太阳辐射模拟器时，可将试验室内的所有表面都涂成深色，以尽量减少反射辐射。靠近集热器的物体表面温度应尽量与环境空气温度一致，以避免周围物体热辐射对集热器的影响。在室内试验时，集热器应与周围冷、热物体的表面相隔离6。3.1.2 测量要求根据GB/T 4271-2000的规定，使用一级总日射表测量太阳总辐射。应按国家规定进行校准。 温度测量仪器以及与它们相关的读取仪表的精度和准确度应在表3-1给出的限度之内，响应时间须小于5s。表3-1 温度测量仪器的准确度和精度参数仪器准确度仪器精度环境空气温度0.50.2冷水入口温度0.20.1水箱内的温度0.20.1通过热水系统的温差（冷水入口到热水出口）0.1K0.1K液体流量的测量准确度应等于或小于测量值的1.0，该测量值的单位为kg/h或Lh。当试验系统用泵循环时，流量计应安装在集热器回路中测量流量的准确度为5处。质量测量的准确度应为在1。计时测量的准确度应为0.2。对每个试验期，使用风速测量仪及附带的读取仪表测量周围空气的速率，准确度应达0.5m/s。使用的模拟或数字记录仪的准确度应等于或小于满量程的0.5。其时间常数应等于或短于1s。信号的峰值指示应在满量程的50100之间。使用的数字技术和电子积分器的准确度应等于或小于测量值的1.0。记录仪的输入阻抗应大于传感器阻抗的1000倍或10M，二者取其高值。在任何情况下，仪器或仪表系统的最小分度都不应超过规定精度的两倍。例如，如果规定的精度是0.1，则最小分度不应超过0.26。3.2 测试系统及设备 3.2.1 PC-2-T太阳能辐射标准观测站介绍如图3-1所示为锦州市322研究所研制PC-2-T太阳能辐射标准观测站，观测站四周没有遮掩，整个观测站由9部分组成(如表3-2所示)。表3-2 PC-2-T太阳能辐射标准观测站序号名称型号数量单位1太阳辐射记录仪PC-21台2总辐射表TBQ-21台3散射辐射表TBD-11套4自动跟踪直射辐射表TBS-2-21台5净辐射表TBB-11台6反射辐射表TBQ-21台7辐射观测台架PC-2-TJ1套8太阳辐射站观测软件(光盘)PC-21张9辐射表电缆(100米/条)5条图3-1 PC-2-T型太阳能辐射标准观测站实测图3.2.1.1 TBQ-2总辐射表水平表面上，在2立体角内所接收到的太阳直接辐射和散射太阳辐射之和称为总辐射(短波)。总辐射是辐射观测最基本的项目，总辐射用总辐射表(亦称天空辐射表)测量。TBQ-2总辐射表技术参数如表3-3所示： 表3-3 TBQ-2总辐射表技术参数序号技术指标技术参数1通道数第1路2光谱范围2803000nm3灵敏度714Vw.m-24响应时间30秒(99%)5显示分辨率1W6精度5%7测试范围04000W/m28信号输出020mV3.2.1.2 TBS-2-2自动跟踪直射辐射表3-4 TBS-2-2自动跟踪直射辐射表技术参数序号技术指标技术参数1通道数第3路2光谱范围2803000nm3灵敏度714Vw.m-24响应时间30秒(99%)5显示分辨率1W6精度2%7测试范围04000W/m28跟踪精度24小时小于1测量垂直太阳表面(视角约0.5)的辐射和太阳周围很窄的环形天空的散射辐射称为太阳直接辐射。太阳直接辐射是用太阳直接辐射表(简称直接辐射表或直射表)测量。TBS-2-2自动跟踪直射辐射技术参数(如表3-4)所示。3.2.1.3 PC-2型太阳辐射记录仪PC-2型太阳辐射记录仪是新一代的太阳辐射记录仪，它与通用的PC电脑配合使用，外接各种辐射传感器，自动观测记录太阳的总辐射、散射、直辐射、反射、净辐射等各种辐射数据，能显示各种辐射瞬时值、小时累计量及最大值、日累计量及最大值，具有测试精度高、人工干预少等特点。其技术参数如表3-5所示：表3-5 PC2型太阳辐射记录仪技术参数 序号技术指标技术参数1输入通道数5路2输入范围25mV3准 确 度0.5%4仪器分辨率1V5显示精度1W6工作温度10+70图3-2 PC2型太阳辐射记录仪系统组成图3.2.2 TRM-2型太阳能热水器热性能测试系统1产品测试范围(1)家用太阳能热水器；(2)太阳能集热工程；(3)太阳能集热器(真空管等)；(4)太阳能产品(太阳灶，太阳能空调)；(5)太阳能建筑(太阳房)；2产品运行环境(1)环境温度 -4060；(2)相对湿度 90%；(3)适用电源 220V(10%)，50HZ(2%)，或无电源地区(内配充电电池DC12V)；3TRM2型太阳热水器测试系统技术指标及特