1、 本科畢業論文題 目：全玻璃太陽能集熱器熱性能實驗研究學生姓名：學 院：系 別：專 業：班 級：指導教師： 二 一年 四 月 六 日 摘 要太陽能熱利用是可再生能源技術領域商業化程度最高、推廣應用最普遍的技術之一。太陽能熱水器在我國得到了快速發展和推廣應用，而太陽能集熱器是太陽能熱水器接收太陽能量并轉換為熱能的核心部件和技術關鍵，因此研究集熱器熱性能也成為極其重要的工作。本文對國內外太陽集熱器熱性能穩態和動態的測試方法及測試的國家標準進行了概述，詳細介紹了太陽能集熱器測試的實驗系統及儀器，對集熱器性能參數的測試條件、測試步驟和數據處理方法等進行了論述，并針對全玻璃真空管式太陽能集熱器的非穩態效

2、率、時間常數和集熱器入射角修正系數提出了詳細的實驗測試方法及測試步驟。論文對全玻璃真空管集熱器的非穩態效率、太陽輻射隨時間變化的曲線、水箱溫度變化進行了實驗分析，得出了全玻璃真空集熱器的非穩態效率隨時間變化的趨勢，太陽輻射和水箱溫度隨時間變化的趨勢，并做了詳細的分析，為后續研究奠定了實驗基礎。 關鍵詞：太陽集熱器；測試；熱性能；實驗AbstractThe solar energy heat utilization is one of the technologies marketed and used universally, which is the highest in commercia

3、lization 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,

4、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, introdu

5、ced the solar energy collector test's experiment system and the instrument in detail. Meanwhile, the collector test's 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-glas

6、s evacuated tube solar collector's 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 t

7、ime and done a detailed analysis, which laid a experimental foundation for follow-up study.Keywords: solar collector; test; heat properties; experiment目 錄第一章 緒 論11.1 概述11.1.1 能源概述11.1.2 太陽能11.1.3 太陽能熱水系統21.2 太陽集熱器熱性能測試的研究現狀41.3 主要研究內容及目的5第二章 太陽集熱器熱性能測試的理論基礎72.1 熱性能測試方法72.1.1熱性能穩態測試方法72.1.2 熱性能動態測試方法

8、102.2熱性能試驗目的及國家標準132.2 太陽能集熱器的熱性能152.2.1 非穩態效率152.2.2 日平均效率152.3 影響太陽集熱器熱性能的因素15第三章 太陽能集熱器熱性能測試系統173.1 試驗要求173.1.1 集熱器的安裝173.1.2 測量要求173.2 測試系統及設備183.2.1 PC-2-T太陽能輻射標準觀測站介紹183.2.2 TRM-2型太陽能熱水器熱性能測試系統213.2.3 TRM-PD人工太陽模擬發射器223.2.4 TBQ-2總輻射表24第四章 太陽能集熱器的熱性能試驗264.1 集熱器效率試驗264.1.1集熱器效率試驗步驟264.1.2集熱器效率計算

9、274.2集熱器時間常數試驗274.2.1 集熱器時間常數計算274.2.2 集熱器時間常數試驗步驟284.3 集熱器入射角修正系數284.3.1 集熱器入射角修正系數計算294.3.2 集熱器入射角修正系數試驗步驟294.4 試驗數據分析294.4.1 非穩態效率實驗曲線分析294.4.2 水箱溫度隨時間的變化曲線314.4.3 太陽輻射隨時間的變化曲線33結 論34參考文獻36 第一章 緒 論1.1 概述1.1.1 能源概述 不論是從經濟社會走可持續發展之路和保護人類賴以生存的地球生態環境的高度來審視，還是從為世界上20多億無電人口和一些特殊用途解決現實的能源供應出發，發展新能源和可再生能

10、源均具有重大戰略意義。在人類開發利用能源的歷史長河中，以石油、天然氣和煤炭等化石能源為主的時期，僅是一個不太長的階段，它們終將走向枯竭，而被新能源所取代。人類必須未雨綢繆，及早尋求新的替代能源。研究和實踐表明，新能源和可再生能源，資源豐富、分布廣泛、可以再生、不污染環境，是國際社會公認的理想替代能源。根據國際權威單位的預測，到21世紀60年代，即2060年，全球新能源和可再生能源的比例，將會發展到占世界能源構成的50% 以上，成為人類社會未來能源的基石，世界能源舞臺的主角，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潔干凈、污染物排放很少，是與人類賴以生存的地球生態環境相協調的清潔能

11、源。化石能源的大量開發和利用，是造成大氣和其他類型環境污染與生態破壞的主要原因之一。如何在開發和使用能源的同時，保護好人類賴以生存的地球生態環境，已經成為一個全球性的重大問題。目前，世界各國都在紛紛采取提高能源效率和改善能源結構的措施，以解決這一與能源消費密切相關的重大環境問題。即所謂的能源效率革命和清潔能源革命，也就是我們通常所說的節約能源和發展清潔干凈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。目前各種發電方式的碳排放率(g碳/kWh)：常規燃煤發電為304 g /kWh，煤氣化聯合循環發電為270 g /kWh，燃氣聯合循環發電為118 g /kWh，帶燒天然氣備用機組的太

12、陽能熱發電為47 g /kWh，地熱發電為2.5 g /kWh，光伏發電和風力發電則為0。由上述分析可見，新能源和可再生能源是保護生態環境的清潔能源，采用新能源和可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護生態環境、走經濟社會可持續發展之路的重大措施1。1.1.2 太陽能太陽能是新能源和可再生能源中最引人注目、開發研究最多、應用最廣的清潔能源,可以說,未來全球能源的主流將是太陽能。中國自20世紀70年代以來,太陽能利用有了較大的發展,太陽能利用技術的研究列入國家“六五”、“七五”、“八五”科技攻關計劃,獲得了一批研究成果并進行了不同程度的推廣應用,太陽能工業已初步形成。太陽能利用技術主要指

13、太陽能轉換為熱能、機械能、電能、化學能等技術,其中太陽能-熱能轉換歷史最久遠、開發最普遍。中國的太陽能熱利用有太陽能集熱器、太陽能溫室、太陽能干燥、太陽能制冷等。1.太陽能的優點與常規能源相比較，太陽能有其獨特的優點，概括起來可以歸納為四個方面：數量巨大。每年到達地球表面的太陽輻射能約為130Tt標準煤，即約為目前全世界所消費的各種能量總和的倍。時間長久。根據天文學的研究結果，太陽系還可繼續存在年之久。普照大地。輻射能無需開采和運輸，開發和利用都極為方便。清潔安全。2.太陽能的缺點太陽能缺點概括起來為三個方面：分散性。太陽輻射的能流密度低。間斷性和不穩定性。由于受到晝夜、季節、氣候、地理緯度和

14、海拔高度等影響，太陽輻射是間斷而不穩定的。效率低而成本高2。1.1.3 太陽能熱水系統太陽能熱水是太陽熱利用中技術最成熟應用最廣泛、產業化發展最快的領域。目前我國的太陽能熱水系統擁有量已占世界總量的四分之一。我國的太陽能熱水技術主要是開發家用太陽能熱水器，分為悶曬式和循環式兩大類，其中循環式家用太陽能熱水器有平板集熱器和真空管集熱器兩類。我國現有上千個太陽熱水器企業，并逐步與ISO國際標準接軌，把產品推向國際市場2。太陽熱水器產業發展基本狀況:1.產業規模繼續擴大，生產能力快速提高。我國太陽熱水器產業在20世紀90年代得到迅速發展，生產量由1991年50萬增長到2001年的820萬，年平均增長

15、30%以上。其近年總產量和保有量見表1-1和表1-2。表1-1 1998-2001年太陽熱水器總產量（萬）年份產量（萬）比上年增長（%）1998340199948041200061027200182034表1-2 太陽熱水器總保有量（萬）年份19911998199920002001保有量15015002000260032002.企業規模、數量不斷擴大。據不完全統計，目前全國太陽熱水器生產廠家已逾千家，還有不少企業欲加入太陽熱水器產業行列。以山東皇明公司、清華陽光公司為代表，年產量超過10萬，產值億元以上的510家具有國際競爭力和自主知識產權的大型骨干企業主導我國太陽熱水器市場，市場占有率達20

16、%。一些中等企業2001年的產銷量也急驟增長，呈現出快速發展勢頭。3.體系初步形成。太陽熱水器已初步形成原材料加工、產品開發與加工制造、工程設計與營銷服務的產業體系，為社會提供了17萬個就業機會。全玻璃真空集熱管目前仍是太陽熱水器重要部件，到2001年全國集熱管生產線已達389條（不含云南），年生產8000萬支（見表1-3），創產值12億元，與2000年比較有了大幅度增長。4.技術不斷進步。通過企業不懈努力，加之宏觀管理的強化，太陽熱水器產品質量和技術水平有了明顯的提高。2002年5月中國農村能源行業協會組織國內專家對國內71家主要太陽熱水器企業的產品進行了技術審核和認定。專家一致認為這些產品

17、質量和性能全部符合國家標準。一些產品，如清華陽光真空管太陽熱水器，桑普平板太陽熱水器，山東皇明三高管太陽熱水器等已達到國際先進水平。表1-3 1999-2001年真空集熱管生產線與生產能力總量年份生產線數量（條）生產能力（萬支）1999200330020003025400200138980005.加快走向國際市場。2000年我國太陽熱水器出口額為640萬美元，據不完全統計，2001年出口總額約1000萬美元，出口額上升56%。出口產品主要是全玻璃真空集熱管、熱管式真空集熱管和真空管熱水器， 平板式太陽熱水器亦有一定量的出口， 主要銷往歐洲、東南亞、非洲等30多個國家和地區。中國太陽熱水器價格低

18、廉， 質量不斷提高， 在國際市場上有較強的競爭力。隨著全球環境問題日益突出和環保措施的實施，我國太陽熱水器走向國際市場的環境和空間會逐步擴大。我國太陽熱水器產業規模之所以不斷擴大，主要有以下幾個因素：我國常規能源短缺，太陽能資源豐富，利用條件優越。傳統能源價格上漲為太陽熱水器創造了市場機會。經濟發展，城鎮居民家庭收入的提高。太陽熱水器與建筑相結合的指導戰略，提高了建筑行業利用太陽能的積極性。環保意識增強利于清潔無污染的太陽熱水器產業發展。目前太陽能熱水器是太陽能市場中最主要的產品。我國的太陽能熱水器擁有量已占世界總量的四分之一。太陽能熱水器從最初的悶曬式，到第二代平板集熱器，再至第三代全玻璃真

19、空管式集熱器， 至目前最先進的熱管真空集熱管太陽能熱水器，太陽能熱水器的利用率逐代提高3。1.2 太陽集熱器熱性能測試的研究現狀太陽熱水器要想成為有競爭力的節能產品，重要的一條是必須能有效而可靠地工作。所謂“有效”是指具有良好的熱性能，最大限度地把太陽輻射能轉換成水的熱能。所謂“可靠”是指具有優良的質量，經得起風吹、日曬和雨淋等惡劣氣候條件的考驗，年復一年地正常運行。為此，世界各國先后制定多項標準作為全面評價集熱器各項指標及性能的依據4。以色列在1966年針對太陽集熱器和太陽能貯存裝置(如貯水箱等)核心部件制定了標準和規范，是世界上最早對太陽熱水器熱性能提出標準的國家。隨后美國(ASHRAE-

20、95 1987)、澳大利(Australian Standard 2813-1985 Solar Water Heaters-Method of test thermal performance-Simulator Method)、德國(等同采用IS09459-2標準)、加拿大等國家也都有了本國的標準。從20世紀80年代初開始，國際上開始了對透明隔熱材料的研究和測試。國際標準化組織也制定家用太陽能熱水系統熱性能測試方法太陽加熱-家用熱水系統-第二部分：僅太陽能系統的熱性能測試（ISO/DIS 9459-2:94）。國際標準化組織太陽能技術委員會（ISO/TC 180）先后頒布了太陽集熱器測試方

21、法 第一部分：裝玻璃蓋板的帶有壓差的集熱器的熱性能（ISO9806-1:1994）、太陽集熱器測試方法 第二部分：合格測試程序（ISO9806-2:1995）和太陽集熱器測試方法 第三部分：無玻璃蓋板的帶有壓差的集熱器的熱性能（ISO9806-3:1995）等幾部標準，詳細規定了太陽集熱器的測試條件和方法。歐洲是世界上太陽集熱器技術水平和普及化程度都較高的地區。至今為止，歐洲標準化委員會太陽能技術委員會（TC312/CEN）已經制定并發布了太陽熱水系統及部件太陽集熱器第二部分：測試方法（EN12975-2：2001）和太陽熱水系統及部件工廠制造的系統第二部分測試方法（EN12976-2:200

22、1）等多部標準。2001年4月，歐洲標準化委員會太陽能技術委員會（TC312/CEN）在制定的標準EN 12975-2:2001中，規定了在太陽集熱器測試中，既可以使用眾所周知的穩態測試方法，也可以使用另一種新的太陽集熱器測試方法動態測試方法。在動態測試方法的條件中，對風速和太陽總日輻射度等參數的約束也放寬很多。這些都極大地增加了太陽集熱器的有效測試時間，有效的利用了設備，降低了測試的成本和費用。ISO標準的內容側重于太陽集熱器和熱水系統質量和性能的評價。其中也對熱利用產品所用材料的性質、設備的設計和安裝以及測量儀器的精度等都做了規定。我國首個太陽集熱器熱性能試驗方法的國家標準GB/T4271

23、-84于1984年12月1日正式實施。該標準規定了所試驗的熱性能包括穩態或準穩態瞬時效率、時間常數、入射角修正系數和壓力降等，隨后不斷的補充完善5。1.3 主要研究內容及目的 太陽能是新能源和可再生能源中最引人注目、開發研究最多、應用最廣的清潔能源,可以說,未來全球能源的主流將是太陽能。全玻璃真空管太陽能集熱器也受到重視，但是全玻璃真空管太陽能集熱器還有缺點和不足，通過實驗對全玻璃真空管太陽能集熱器性能參數進行測定，分析全玻璃真空管太陽能集熱器的熱性能，為分析和比較玻璃真空管技術和熱管技術相結合制成玻璃真空管熱管式太陽能集熱器二者的熱性能做基礎。第二章 太陽集熱器熱性能測試的理論基礎2.1 熱

24、性能測試方法2.1.1熱性能穩態測試方法 在國際標準太陽集熱器測試方法 第一部分：裝玻璃蓋板的帶有壓差的集熱器的熱性能（ISO9806-1:1994）和歐洲標準太陽熱水系統及部件太陽集熱器第二部分：測試方法（EN12975-2：2001）中，都推薦使用太陽集熱器穩態測試方法。而且在我國的國家標準真空管太陽集熱器（GB/T17581-1998）和平板型太陽集熱器熱性能試驗方法（GB/T4271-2000）中，基本上是參照了以上的兩部標準，規定了在太陽集熱器的測試中使用穩態測試方法。穩態測試方法至今為止得到了絕大多數人的認同和認可。世界上很多的技術標準或規定都采用了該方法。如ISO9806-1，3

25、、ASHRAE93-77和EN12975等都推薦使用這種方法。這種方法也得到了全世界很多著名實驗室和權威認證機構的驗證和認可。穩態測試方法是一個成熟的太陽集熱器測試方法5。2.1.1.1試驗條件以液體作為傳熱工質的真空管太陽集熱器熱性能試驗裝置的結構示意圖如圖2-1 所示。圖2- 工質為液體的真空管太陽集熱器試驗裝置1工質觀察口；2流量計；3彎頭或混流瓶；4環境溫度計；5進口溫度測點；6風速儀；7總日射表；8真空管太陽集熱器；9出露溫度測點；10排氣閥；11渠岸頭或混流器；12換熱器；13旁路閥；14泵；15恒壓水箱；16流量控制閥；17過濾器（200m）；18調溫水箱在試驗前應對集熱器進行外

26、觀檢查，并記錄損壞程度。還應徹底清潔集熱器采光口的蓋板。如果集熱器部件上有水汽，應使用80左右的傳熱工質在集熱器中循環一段時間，以便烘干隔熱材料和集熱器外殼。如果進行該項處理，應在試驗報告中加以說明。必要時，應使用排氣閥或使工質在管道中高速循環，以排出集熱器管道中聚積的氣體?？梢酝ㄟ^回路中的透明管來觀察工質中是否混有氣體或雜質，若有應排凈，以免影響工質在管路中流動的穩定。有些集熱器的推薦流量可能靠近層流和紊流之間的過渡區，這種情況會造成內部傳熱系統的不穩定和所測試的集熱器的熱效率變化。因此，為復現集熱器熱性能，應提高所推薦的流量。處在過渡區時，首先應將流量設為高值（紊流區）然后再逐漸減小到設定

27、值。這樣就可以在測試中避免從層流過渡到紊流的現象。集熱器穩態測試方法要求測試在集熱器臺架上進行。該臺架要求不能影響集熱器的采光，也不能影響集熱器的正常散熱。集熱器臺架的最底邊距測試臺所處地面不得低于0.5 米，以防止地面附近企穩對集熱器的影響。不得使測試臺架周圍有上升或下降的氣流對集熱器產生影響。為了對室外測試的結果進行分析，可以假定來自集熱器前方整個半球方向上的散射輻射為各向同性。因此，為了盡量減少由于該項近似考慮所導致的誤差，在測試期間不得有從周圍物體或表面反射到集熱器上明顯的太陽輻射。集熱器所面對的天空視域內應避免大面積的玻璃面、金屬面和水面;也不應在該半球域內有明顯的遮擋，集熱器前方半

28、球域內的遮擋不應大于5%，應盡量避免該半球域內有可能大于15度視角的建筑或大型的遮擋物。系統附近物體的表面溫度應盡可能接近環境溫度。例如，在系統附近不應有煙囪、冷卻塔或熱氣排風扇等。部分集熱器的性能在風速為03m/s時易受影響。為使測量結果有最大的可再現性，對風速敏感的集熱器應安裝在空氣速度為3m/s5m/s的位置上，應保證空氣能夠自然通過集熱器采光口的上方、背面和側面。人工風力發生器也應盡可能達到上述風速。當在距離蓋板表面50mm處的集熱器平面上測量時，空氣流動的平均速率在3m/s5m/s之間。在整個集熱器采光面上各點的空氣速率偏離平均值不得超過±25。集熱器采光面上任一點的速度保

29、持穩定，且從人工風力發生器出來的空氣溫度應不超過環境空氣溫度的±1。不應有諸如沿建筑物墻面上升的暖空氣流過系統。在屋頂上進行試驗的系統應遠離房頂邊緣至少2m。設計成與房頂構成一體的集熱器，應使其背面防風，但此種情況應隨同試驗結果一并報告。在回路中使用的管道材料應耐腐蝕并能承受95的運行溫度。管道應盡量短，特別是溫度調節器冷水出口到貯熱水箱進口之間的管道應減到最短，以減小環境對水溫的影響。這段管道應加保溫并包覆耐老化的反射材料，保證熱量損失率小于0.2W/K。溫度傳感器到水箱（包括入口和出口）之間的管路應保溫并包覆耐老化的反射材料，并將溫度傳感器包覆在內，以保證在管路上由于熱量的獲取或

30、損失而導致的溫差不超過0.01K，工質混合裝置（如彎頭）應安裝在溫度傳感器的前端。利用恒壓水箱、泵和流量控制閥等調節控制工質流量，并保證流量穩定性在±1%以內。在真空管太陽集熱器出口處和其他可能積聚空氣的地方應設置放氣閥。在試驗期間，集熱器采光面上的總日射輻照度應不小于800W /集熱器采光口上的直接射入射角應在垂直入射時入射角修正系數值±2%的角度范圍之內。集熱器周圍環境的平均風速應在24m /s之間。工質流量應根據集熱器總面積設定在0.02kg/s左右。在每個試驗周期內，流量應穩定在設定值的±1%以內。不同試驗周期的流量變化應不超過設定值的10%。由于儀器準確

31、度的問題，小于1.5K的工質溫差測量結果可不予記錄。2.1.1.2 穩態測試步驟為了測定集熱器的效率特性，集熱器試驗應在晴朗天氣所有的上述條件都得到滿足的條件下，進行太陽集熱器熱性能的測試。對于數據點的選取，應在集熱器工作溫度范圍內至少取四個間隔均勻的工質進口溫度。為了獲得，其中一個進口溫度應使平均工質溫度與環境空氣溫度之差在3K之內(如果傳熱工質為水，一般最高溫度為70)。中間的兩個工質進口溫度均勻地取在上述低溫與高溫之間。對每個工質進口溫度，至少取四個獨立的穩態數據點，總共給出16個穩態數據點。穩態數據點的測試周期應包括至少15分鐘的預備期和至少15分鐘的穩態測量期。對于每個工質進口溫度，

32、要取四個獨立的數據點。每個數據點都應進行以下測量： a) 集熱器總面積、吸熱體面積和采光面積；b) 工質容量；c) 集熱器采光口上的總日射輻照度；d) 集熱器采光口上的漫射日射輻照度；e) 直接日射入射角；f) 環境空氣速度；g) 環境空氣溫度；h) 集熱器進口工質溫度；i) 集熱器出口工質溫度；j) 工質流量。穩態數據點的試驗周期應包括至少15min的預備期和至少15min的穩態測量期。在任何情況下，穩態試驗周期應大于集熱器有效熱容量C與工質熱流量，之比的4倍。如果試驗參數偏離它們在試驗周期內的平均值若不超過表2-1規定的范圍，則可認為在給定試驗周期內集熱器處于穩態工況5。表2-1 試驗周期

33、內測量參數的允許偏離范圍參數平均值允許范圍日輻射強度環境空氣溫度工質質量流量%集熱器進口工質溫度 應對測量結果進行處理，從而產生一組滿足穩態運行測試的條件的數據點。2.1.2 熱性能動態測試方法2001年4月，頒布實施的歐洲標準太陽熱水系統及部件太陽集熱器第二部分：測試方法（ EN 12975-2:2001）中，除了對液體工質太陽集熱器的耐久性、可靠性和安全性的測試方法做出規定外，還給出了太陽集熱器熱性能測試的兩種方法：一種是在ISO 9806-1、3和ASHRAE 93-77所描述過的眾所周知的穩態測試方法；另一種測試方法就是比穩態測試方法具有較寬測試條件的太陽集熱器熱性能動態測試方法。由于

34、穩態測試方法在測試過程中，對天氣、氣候等因素的限制條件很嚴格，給世界操作過程帶來一定難度，特別是在一些地區的一些季節里，滿足太陽總輻射度等必要條件的有效測試時間特別少，有時一連數天根本就找不到有效的測試條件。所以世界上的相關太陽能光熱研究機構和科技工作者一直致力于研究太陽集熱器熱性能的動態測試方法。2.1.2.1 動態測試的使用條件動態測試與被廣泛接受的穩態測試的試驗條件有很大的相似之處，但是也有不少的差別。下表給出了動態測試與穩態測試方法對使用條件要求的差別：表2-2 動態測試和穩態測試的試驗條件要求參數穩態動態條件偏差范圍條件偏差范圍太陽總輻照度G>80050300<G<

35、1100×散射輻射的比例<20%×××環境溫度×1K××環境風速31×××集熱器進口溫度測試要求溫度0.1K測試要求溫度1K工質流量0.021%0.021%×表示對此項條件無特殊要求。從表2-2中可以看出：1.動態測試對太陽輻照度限制大大放寬。穩態測試中要求太陽總輻照度G應大于800（在歐洲該值為700），而在動態測試中只要求大于300即可。并且沒有偏差范圍的限制，這就大大增加了有效測試時間，降低了測試難度。2.如果集熱器試驗臺沒有設計可人工控制環境風速的設施，測試條件會更為苛刻

36、：只能在自然風滿足31條件下的數據才能有效。而在動態測試方法中就不存在這個問題，太陽集熱器熱性能的動態測試方法對環境風速沒有特殊要求。3.穩態測試中，對集熱器工質進口溫度的要求十分嚴格，必須控制在0.1K的范圍內。在實際的測試過程中，集熱器工質進口溫度的控制是技術難度較高的一項，需要設置復雜的控溫設備。若有一個溫度數據偏離，就會導致一組測試數據無效。但在動態測試中對此項要求大大降低，只要求集熱器工質進口溫度控制在1K即可。因此，將供水箱中的水制備到需要的溫度，直接供水，不需要控溫設備即可滿足要求。4.不論穩態測試還是動態測試，對集熱器工質流量的要求是一樣的。這是因為兩種測試方法的基本數學模型是

37、一樣的，都要保證有一定的量的工質流量來確定集熱器得到的有效熱量。2.1.2.2 動態測試步驟動態測試步驟與穩態測試步驟大體相同，但是也有很多的不同點，簡單敘述如下：1.應在上述動態測試要求的試驗條件都滿足的情況下，進行太陽集熱器的熱性能試驗測試。2.應在集熱器的正常工作溫度范圍內，至少取四個間隔均勻的工質進口溫度。最低點溫度的選取應與環境溫度之差在3K以內。3.對于每個工質進口溫度，至少取四個獨立的穩態數據點，總共給出20個穩態數據點。穩態數據點的測試時間周期應包括至少15分鐘的預備期和至少15分鐘的穩態測量期。4.對于每個工質進口溫度，至少取四個獨立的穩態數據點。每個獨立的數據點都要進行以下

38、數據的測量：a) 集熱器總面積、吸熱體面積和采光面積；b) 工質容量；c) 集熱器采光口上的總日射輻照度；d) 集熱器采光口上的漫射日射輻照度；e) 直接日射入射角（此值可由測量日晷投影，計算得出）；f) 集熱器環境空氣速度；g) 環境空氣溫度；h) 集熱器進口工質溫度；i) 集熱器出口工質溫度；j) 工質流量?？偣步o出20組數據。5.測試可在45天內完成，考慮到室外測試需要依靠天氣等因素，實際需要的時間根據測試地點的天氣狀況而定。在晴天和有云的天氣條件下按照要求分別進行第一工況的測試：在晴天或有云的天氣條件下進行第二、三、四工況的測試。具體測試情況的描述如下：典型日1測試集熱器效率曲線的截距

39、，取集熱器低溫工況的運行溫度，滿足測試條件并且在晴朗的天氣下進行。典型日2測試集熱器效率曲線的截距，取集熱器低溫工況的運行溫度，滿足測試條件并且在有云（包括多云）的天氣下進行。典型日3在以下條件測試：取集熱器中溫工況的運行溫度，多云或晴天的天氣狀況。典型日4在以下條件測試：取集熱器高溫工況的運行溫度，多云或晴天的天氣狀況。并且規定了集熱器高溫工況的運行溫度：家用熱水的集熱器為+60； 用于區域供熱的集熱器為+70；加熱游泳用水的集熱器為+15；用于加熱烘干作用的集熱器為+90。不同測試天的相互順序不時關鍵，關鍵是測試點的實際天氣情況應符合規定5。2.2熱性能試驗目的及國家標準運用太陽集熱器熱性

40、能試驗系統依據GB/T42712000和GB/T175812005中規定，對全玻璃真空管太陽集熱器進行測試,得出熱性能并進行分析。找出全玻璃真空管太陽能集熱器的缺點和不足并提出方案進行解決。為分析和比較玻璃真空管技術和熱管技術相結合制成玻璃真空管熱管式太陽能集熱器二者的熱性能做基礎。太陽集熱器熱性能試驗包括:（1）室外穩態效率試驗；（2）集熱器時間常數試驗；（3）入射角修正系數試驗。我國從 1984-2005年共制定與發布了九項項有關太陽集熱器和熱水器試驗方法和技術條件的國家標準及農業部標準，它們對于規范太陽集熱器市場，提高產品質量具有重要的作用。國家標準有:1 平板型太陽集熱器熱性能試驗方法

41、（GB/T4271-2000）：該標準規定了平板型太陽集熱器穩態和準穩態熱性能的試驗方法及計算程序。試驗方法包括在室外自然太陽輻照下的試驗和在室內模擬太陽輻照下的試驗。適用于帶壓力降、有玻璃蓋板、傳熱工質為液體的平板型太陽集熱器，不適用于儲熱器與集熱器為一體的儲熱式太陽集熱器，也不適用于未裝有玻璃蓋板的和跟蹤聚焦的太陽集熱器6。2 家用太陽熱水器熱性能測試方法（GB/T12915-1991）：規定了家用太陽熱水器在室外太陽輻照下的熱性能試驗方法，試驗的熱性能為:平均日效率、平均熱損系數和非穩態效率方程。適用于非聚光、無輔助熱源的自然循環式和悶曬式家用太陽熱水器，熱管式、真空管式、相變式、雙回路

42、式和直流式等家用太陽熱水器亦應參照使用7。3 平板太陽集熱器技術條件（GB/T6424-1997）：規定了平板型太陽集熱器的定義、分類與命名、技術要求、試驗方法、檢驗規則以及標志、包裝等技術條件。適用于利用太陽輻射加熱且傳熱工質為液體的平板型太陽集熱器。不適用于悶曬式熱水器、熱管式和真空管式集熱器8。4 全玻璃真空太陽集熱管測試方法（GB/T17049-2005）：規定了全玻璃真空太陽集熱管產品的定義、分類、技術要求、檢測方法、檢驗規則以及標志、包裝、運輸和貯存。適用于接收太陽輻射并轉換成熱能的全玻璃真空太陽集熱管9。5 真空管太陽集熱器（GB/T17581-1998）：規定了真空管太陽集熱器

43、的定義、產品分類、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。適用于利用太陽輻射加熱，傳熱工質為液體的非聚光型全玻璃真空管太陽集熱器、玻璃-金屬結構真空管太陽集熱器和熱管式真空管太陽集熱器10。6 家用太陽熱水系統熱性能試驗方法（GB/T18708-2002）：規定了家用太陽熱水系統在沒有輔助加熱時的熱性能測試步驟。適用于貯熱水箱容積在0.6m3以下，僅用太陽能的家用熱水系統。不適用于同時進行輔助加熱的太陽熱水系統的試驗11。7 太陽集熱器熱性能室內試驗方法（GB/T18974-2003）：規定了太陽集熱器穩態和準穩態熱性能在室內模擬太陽輻射下的試驗方法。適用于帶壓力降、有透明蓋板、

44、傳熱工質為液體的平板型太陽集熱器，也適合于真空管太陽集熱器。不適用于聚光型集熱器、儲熱器與集熱器為一體的儲熱式太陽集熱器，也不適用于跟蹤的和無蓋板太陽集熱器12。8 家用太陽熱水系統技術條件（GB/T19141-2003）：規定了家用太陽熱水系統的定義、分類與命名、技術要求、試驗方法、文件編制、檢驗規則以及標志、包裝、運輸、貯存等技術條件。適用于貯熱水箱容積在0.6m3 以下的家用太陽熱水系統13。農業部標準:家用太陽熱水器技術條件NY/T343-1998。其中家用太陽熱水器熱性能試驗方法(GB/T12915-91)是應用最廣的一個方法之一。目前我國所用各類熱水器的熱性能均按照此標準來進行測試

45、。國內太陽集熱器的熱性能測試則根據集熱器的不同類型應用平板型太陽集熱器熱性能試驗方法(GB/T4271-2000)或真空太陽集熱器(GB/T17049-1997)來進行。2.2 太陽能集熱器的熱性能2.2.1 非穩態效率非穩態效率是集熱系統熱轉換效率在不同時刻的體現，非穩態效率方程則是非穩態效率隨貯水溫度、環境溫度和太陽能輻射等狀態量變化的關系。 （2-1）式中：非穩態效率，無因次； 水箱中水的質量；集熱器的采光面積；水的比熱；，為測試時間間隔的初、末貯水水溫，是測試時間間隔的初、末太陽輻射量，W。2.2.2 日平均效率 集熱器熱性能測試中的一個重要的熱性能指標集熱器的日平均效率，其公式為14

46、： （2-2）式中，、初始水箱均溫和終了水箱均溫，；A采光面積，；H一日內采光面得到的的曝輻量，W。2.3 影響太陽集熱器熱性能的因素 影響太陽集熱器熱性能的原因很多，有外部的也有內部的。如：外部條件 ：1.氣象條件和輻射條件；2.地理位置；內部條件 ：l.要求的熱水使用的溫度；2.要求的熱水的使用時間；3.要求的熱水的使用水量；4.有無輔助熱源等；5.與集熱器本身也有關。實際上，不可能就所有影響因素對太陽集熱器做出評價，在太陽集熱器測試方法中需要選擇有代表性工況來制定測試條件，并制定相應的測試方法。在諸多測試方法中，根據測試環境，分為模擬器法和真實氣象法兩種。模擬器法就是指在室內環境中，用特

47、定的燈光模擬太陽輻照，用空調手段控制室內溫度、風速等氣象參數來進行試驗。真實氣象法就是選擇特定的天氣，在室外對集熱器進行實測。兩種方法各有優缺點。模擬器法是一種理想方法，它可以分別獨立的改變各個參數來得到系統性能的全面反映。并且，試驗可重復性好，可以在1.5%的精度范圍內重現試驗結果。但是，模擬器系統價格昂貴試驗費用高，不可能廣泛的應用它對太陽集熱器及熱水器進行性能試驗。Gillett(1980)比較了室內試驗與室外試驗的結果，認為模擬器法得到的結果通常與真實氣象法的結果有一定的偏差，這是由于在室內環境中，散熱輻射分量不同及長波輻射熱交換量不同造成的。AMERE.H(1997)也指出用室內空氣

48、溫度模擬實際天空溫度后，會引起誤差。真實氣象法由于室外氣象參數經常變化，盡管規定了一定的控制條件，但是試驗結果不可重復，對比性差一些。由于這種方法設備簡單，因而絕大部分的測試都是采用真實氣象法4。第三章 太陽能集熱器熱性能測試系統3.1 試驗要求3.1.1 集熱器的安裝集熱器試驗臺架不應遮擋集熱器的采光面，不應明顯影響集熱器背面和側面的隔熱保溫。臺架應采用開放式結構，集熱器前后的空氣可自由流動。集熱器的最低邊離地面不應小于0.5m。為了使試驗結果在國際上具有可比性，安裝集熱器時應使采光面與水平面的傾角為:當地緯度，但不應小于30。集熱器也可以根據生產廠家的要求和實際安裝的傾角進行試驗。應通過手

49、動或自動的方法使集熱器跟蹤太陽的方位角。在試驗期間，不應有任何陰影投射在集熱器上。在試驗期間，不應有從周圍物體表面反射到集熱器上明顯的太陽輻射，在使用太陽輻射模擬器時，可將試驗室內的所有表面都涂成深色，以盡量減少反射輻射?？拷療崞鞯奈矬w表面溫度應盡量與環境空氣溫度一致，以避免周圍物體熱輻射對集熱器的影響。在室內試驗時，集熱器應與周圍冷、熱物體的表面相隔離6。3.1.2 測量要求根據GB/T 4271-2000的規定，使用一級總日射表測量太陽總輻射。應按國家規定進行校準。 溫度測量儀器以及與它們相關的讀取儀表的精度和準確度應在表3-1給出的限度之內，響應時間須小于5s。表3-1 溫度測量儀器的

50、準確度和精度參數儀器準確度儀器精度環境空氣溫度±0.5±0.2冷水入口溫度±0.2±0.1水箱內的溫度±0.2±0.1通過熱水系統的溫差（冷水入口到熱水出口）±0.1K±0.1K液體流量的測量準確度應等于或小于測量值的±1.0，該測量值的單位為kg/h或Lh。當試驗系統用泵循環時，流量計應安裝在集熱器回路中測量流量的準確度為±5處。質量測量的準確度應為在±1。計時測量的準確度應為±0.2。對每個試驗期，使用風速測量儀及附帶的讀取儀表測量周圍空氣的速率，準確度應達±0

51、.5m/s。使用的模擬或數字記錄儀的準確度應等于或小于滿量程的±0.5。其時間常數應等于或短于1s。信號的峰值指示應在滿量程的50100之間。使用的數字技術和電子積分器的準確度應等于或小于測量值的1.0。記錄儀的輸入阻抗應大于傳感器阻抗的1000倍或10M，二者取其高值。在任何情況下，儀器或儀表系統的最小分度都不應超過規定精度的兩倍。例如，如果規定的精度是±0.1，則最小分度不應超過0.26。3.2 測試系統及設備 3.2.1 PC-2-T太陽能輻射標準觀測站介紹如圖3-1所示為錦州市322研究所研制PC-2-T太陽能輻射標準觀測站，觀測站四周沒有遮掩，整個觀測站由9部分組

52、成(如表3-2所示)。表3-2 PC-2-T太陽能輻射標準觀測站序號名稱型號數量單位1太陽輻射記錄儀PC-21臺2總輻射表TBQ-21臺3散射輻射表TBD-11套4自動跟蹤直射輻射表TBS-2-21臺5凈輻射表TBB-11臺6反射輻射表TBQ-21臺7輻射觀測臺架PC-2-TJ1套8太陽輻射站觀測軟件(光盤)PC-21張9輻射表電纜(100米/條)5條圖3-1 PC-2-T型太陽能輻射標準觀測站實測圖3.2.1.1 TBQ-2總輻射表水平表面上，在2立體角內所接收到的太陽直接輻射和散射太陽輻射之和稱為總輻射(短波)?？傒椛涫禽椛溆^測最基本的項目，總輻射用總輻射表(亦稱天空輻射表)測量。TBQ-

53、2總輻射表技術參數如表3-3所示： 表3-3 TBQ-2總輻射表技術參數序號技術指標技術參數1通道數第1路2光譜范圍2803000nm3靈敏度714Vw.m-24響應時間30秒(99%)5顯示分辨率1W6精度<5%7測試范圍04000W/m28信號輸出020mV3.2.1.2 TBS-2-2自動跟蹤直射輻射表3-4 TBS-2-2自動跟蹤直射輻射表技術參數序號技術指標技術參數1通道數第3路2光譜范圍2803000nm3靈敏度714Vw.m-24響應時間30秒(99%)5顯示分辨率1W6精度±2%7測試范圍04000W/m28跟蹤精度24小時小于±1°測量垂直

54、太陽表面(視角約0.5°)的輻射和太陽周圍很窄的環形天空的散射輻射稱為太陽直接輻射。太陽直接輻射是用太陽直接輻射表(簡稱直接輻射表或直射表)測量。TBS-2-2自動跟蹤直射輻射技術參數(如表3-4)所示。3.2.1.3 PC-2型太陽輻射記錄儀PC-2型太陽輻射記錄儀是新一代的太陽輻射記錄儀，它與通用的PC電腦配合使用，外接各種輻射傳感器，自動觀測記錄太陽的總輻射、散射、直輻射、反射、凈輻射等各種輻射數據，能顯示各種輻射瞬時值、小時累計量及最大值、日累計量及最大值，具有測試精度高、人工干預少等特點。其技術參數如表3-5所示：表3-5 PC2型太陽輻射記錄儀技術參數 序號技術指標技術參

55、數1輸入通道數5路2輸入范圍±25mV3準 確 度0.5%4儀器分辨率±1V5顯示精度1W6工作溫度10+70圖3-2 PC2型太陽輻射記錄儀系統組成圖3.2.2 TRM-2型太陽能熱水器熱性能測試系統1產品測試范圍(1)家用太陽能熱水器；(2)太陽能集熱工程；(3)太陽能集熱器(真空管等)；(4)太陽能產品(太陽灶，太陽能空調)；(5)太陽能建筑(太陽房)；2產品運行環境(1)環境溫度 -4060；(2)相對濕度 90%；(3)適用電源 220V(±10%)，50HZ(±2%)，或無電源地區(內配充電電池DC12V)；3TRM2型太陽熱水器測試系統技術指標及特點表3-6 TRM2型太陽熱水器測試系統技術指標及特點太陽輻射1通道數：標準5通道（總輻射）同時測量5種不同太陽能熱水器2測量范圍