2023/3/91太陽能應用

檢測與控制技術平板型集熱器第7章太陽能集熱器及檢測方法7.1太陽能熱水系統7.3真空管集熱器7.27.4太陽能集熱器性能測試太陽能熱水系統測試方法7.57.1平板型集熱器

平板型太陽能集熱器由于其具有結構簡單、價格價廉和安裝方便等優點，在全世界已獲得了廣泛的應用。普通平板型太陽能集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成。當太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱而發生膨脹、變輕、產生“水往高處流”的現象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現象。系統中水流的循環運動完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環，即只要有太陽照射，就能實現這種循環。水在集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部。再經上循環管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環管流入集熱器底部。如此循環，使整個水箱中的水溫升高。7.1平板型集熱器7.1.1平板集熱器的結構

典型的平板集熱器的基本結構如圖7-1所示。1—吸熱體；2—透明蓋板；3—隔熱體；4—殼體a、b分別表示外形平面尺寸的長和寬圖7-1平板集熱器基本結構7.1平板型集熱器7.1.2平板集熱器熱性能參數1．平板集熱器能量平衡方程

平板型集熱器實際上是一個熱交換器，其吸熱體內的液體能與太陽輻射進行能量傳遞，而獲得有用的能量收益。同時，集熱器本身對外界仍存在著散熱損失，如圖7-2所示。圖7-2平板集熱器能量平衡圖7.1平板型集熱器

平板式集熱器的性能可以用一個能量平衡方程來描述，該方程表示吸熱板所吸收的輻射太陽能所分配成的各種有用收益和各種損失，其能量平衡方程如下

Qa=Qu+QL+Qs

（7-1）式中，Qa為單位時間內吸熱板吸收到的太陽輻射能量；Qu為單位時間內集熱器的有用輸出能量；QL為單位時間內集熱器的熱損失；Qs為單位時間內集熱器儲存的能量。7.1平板型集熱器2．平板集熱器的總熱損失系數

平板集熱器的總熱損失系數是指集熱器中吸熱體對環境空氣的平均傳熱系數，表達式為 UL=Ut+Ub+Uc

（7-2）式中，UL為集熱器總熱損失系數；Ut為集熱器頂部熱損失系數；Ub為集熱器底部熱損失系數；Uc為集熱器側面熱損失系數；單位為W/（m2·℃）。7.2真空管集熱器

全玻璃真空管式太陽能集熱器是在平板型太陽能集熱器的基礎上發展的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管式太陽能集熱器的核心部件是玻璃真空集熱管，它采用了真空技術，消除了氣體的對流與傳導熱損，并應用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低。這樣，真空管式太陽能集熱器既可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區的冬季及低日照與天氣多變地區運行，擴大了應用領域。它的結構像一個拉長變細的暖水瓶膽，由兩根同軸圓玻璃管組成，內、外玻璃管間抽成真空，太陽選擇性吸收表面（涂層）沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽能轉化為熱能，加熱內玻璃管內的傳熱流體。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內、外玻璃管環形熔封在一起，真空管集熱器內裝有吸氣劑。7.2真空管集熱器7.2.1真空太陽集熱管結構

全玻璃真空太陽集熱管的發明已有幾十年的歷史，近幾年得到了迅速推廣、普及并且達到一定工業化程度。其主要組成有：全玻璃真空管太陽集熱器、支架、水箱、上下管及附件等。全玻璃真空太陽集熱管構造如圖7-3所示，它像一個拉長的暖水瓶瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成。內、外圓管間抽成真空，太陽選擇性吸收表面沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽光能轉換為熱能，加熱內玻璃管內的傳熱流體。7.2真空管集熱器1—內玻璃管；2—太陽選擇性吸收涂層；3—罩玻璃管；

4—真空夾層；5—支承件；6—吸氣劑；7—吸氣鏡面圖7-3全玻璃真空太陽集熱管結構7.2真空管集熱器7.2.2真空管集熱器性能1．真空管集熱器效率真空管集熱器效率由下式給出

（7-6）式中，D為吸收管外徑；B為集熱管中心線間距；Isb為集熱器板單位面積的直射輻射量；Isd為集熱器板單位面積的散射輻射量；FR為集熱器熱轉移因子；Ieff為集熱管吸收的輻射量；UL為集熱器總熱損系數；tfi為集熱器流體進口溫度；ta為環境空氣溫度。7.2真空管集熱器2．真空管集熱器光學效率

真空管集熱器光學效率為

（7-7）7.3太陽能熱水系統

普通的太陽能熱水系統主要由集熱器、儲水箱和提供冷水和熱水的管道等組成。太陽能熱水系統按其工質流動方式分類，一般可分為循環型、直流型和悶曬型3種。其中循環型又分為自然循環型和強迫循環型兩種形式。7.3太陽能熱水系統7.3.1自然循環熱水系統自然循環系統是利用傳熱工質內部的溫度梯度產生的密度差所形成的自然對流進行循環的太陽能熱水系統。1．熱虹吸式自然循環熱虹吸式自然循環太陽能熱水系統的結構示意如圖7-4所示。1—集熱器；2—上循環管；3—水箱；4—浮球閥；5—通氣管；

6—熱水閥；7—冷水閥；8—進水閥；9—泄水閥；10—下循環管圖7-4熱虹吸式自然循環太陽能熱水系統的結構示意圖7.3太陽能熱水系統2．定溫放水式自然循環

定溫放水式自然循環太陽能熱水系統的結構如圖7-5所示。1—循環水箱；2—補給水箱；3—電磁閥；4—蓄水箱；5—繼電器；6—觸點式溫度計圖7-5定溫放水式自然循環太陽能熱水系統結構圖7.3太陽能熱水系統7.3.2強迫循環熱水系統

強迫循環熱水系統是利用機械設備等外部動力迫使傳熱工質通過集熱器（或換熱器）進行循環的太陽能熱水系統。強迫循環系統通常采用溫差控制、光電控制及定時器控制等方式。這種系統通常利用水泵迫使水在集熱器與儲水箱之間循環，其結構示意如圖7-6所示。7.3太陽能熱水系統1—水泵；2、3—溫度傳感器；4—蓄水箱；

5—熱水管；6—冷水管；7—控制器；8—逆止閥圖7-6強迫循環太陽能熱水系統結構7.3太陽能熱水系統7.3.3直流式系統直流式系統是傳熱工質一次流過集熱器加熱后，便進入儲水箱用熱水處的非循環太陽熱水系統。這種系統為開式、一次流動系統，其結構如圖7-7所示。1—集熱器；2—溫度傳感器；3—上升管；4—通氣溢流管；

5—熱水管；6—蓄水箱；7—副水箱；8—自來水管；9—控制器；10—水泵圖7-7直流式熱水系統結構圖7.4太陽能集熱器性能測試

測試集熱器的主要目的如下。①確切地評價集熱器的性能，鑒別集熱器質量的優劣。②為提高集熱器的性能、降低其成本提供依據。③提供性能測試數據，作為太陽能熱水系統設計的基礎。7.4.1平板型集熱器的測試

為了全面地評價集熱器的質量，應對它進行多種測試。根據新的國標要求，應對其進行性能、空曬、悶曬、內通水熱沖擊、外淋水熱沖擊、淋雨、強度、剛度、耐壓、涂層太陽吸收比、防雹、外觀、涂層等一系列試驗。7.4太陽能集熱器性能測試7.4.2真空管集熱器的測試1．真空管集熱器技術要求（1）空曬性能（2）悶曬太陽輻照量（3）平均熱損系數（4）真空性能（5）耐熱沖擊7.4太陽能集熱器性能測試2.試驗方法（1）空曬性能參數測定（2）悶曬太陽輻照量測定（3）平均熱損系數測定（4）真空性能試驗（5）耐熱沖擊試驗7.5太陽能熱水系統測試方法7.5.1測試系統1．試驗系統的安裝

系統盡可能安裝在制造商提供的安裝支架上。試驗系統的安裝不能阻擋集熱器的采光面，安裝支架不應影響集熱器或儲熱水箱的保溫。

一般情況，儲熱水箱均應按照制造商安裝說明書中所允許的最低位置。對于分離式熱水系統，集熱器與儲水箱間的連接管道的總長度應為15m。管道的直徑和保溫應與安裝指南一致。2．集熱器的安裝

集熱器應安裝在面向赤道傾角為緯度±10°內的固定位置。集熱器安裝地點應滿足在試驗期間沒有陰影投射到集熱器上。集熱器所在的位置應在試驗期間從周圍的建筑或物體表面沒有明顯的太陽光反射到集熱器上，且在視野內沒有明顯的障礙物。7.5太陽能熱水系統測試方法3．液體流動系統

液體流動系統試驗回路如圖7-9所示。圖7-9系統日性能的試驗裝置示意圖7.5太陽能熱水系統測試方法7.5.2測量要求1．溫度測量（1）環境溫度

使用遮陽而通風的采樣器件在高于地面1m處且距離集熱器和系統組件不得小于1.5m但不超過10m處的百葉箱內測量環境空氣溫度。其準確度為±0.5℃。（2）進水溫度

如果在儲熱水箱入口處串接一個溫度控制器，則由于試驗期間流量較高，要求其功率較大以便保持溫度。作為替換方法，也可以通過控制對熱水池和冷水池的混水來調節溫度，兩個水池都保持恒定的溫度。當流量為400～600L/h時，在試驗開始至結束期間溫度控制器或混水閥要將入口流體的溫度漂移控制在0.2℃以內。其準確度為±0.2℃。7.5太陽能熱水系統測試方法2．流體流量測量

液體流量的測量準確度應為±1.0%。3．質量測量

質量測量的準確度為±1.0%。4．計時

計時測量準確度為±0.2%。5．周圍空氣速率

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速率，準確度為±0.5m/s。7.5太陽能熱水系統測試方法2．流體流量測量

液體流量的測量準確度應為±1.0%。3．質量測量

質量測量的準確度為