第7章 太陽(yáng)能集熱器及檢測(cè)方法

2023/3/91太陽(yáng)能應(yīng)用

檢測(cè)與控制技術(shù)平板型集熱器第7章太陽(yáng)能集熱器及檢測(cè)方法7.1太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)7.3真空管集熱器7.27.4太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法7.57.1平板型集熱器

平板型太陽(yáng)能集熱器由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格價(jià)廉和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在全世界已獲得了廣泛的應(yīng)用。普通平板型太陽(yáng)能集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成。當(dāng)太陽(yáng)照射到集熱器時(shí)，集熱器板上水道中的水被加熱而發(fā)生膨脹、變輕、產(chǎn)生“水往高處流”的現(xiàn)象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現(xiàn)象。系統(tǒng)中水流的循環(huán)運(yùn)動(dòng)完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環(huán)，即只要有太陽(yáng)照射，就能實(shí)現(xiàn)這種循環(huán)。水在集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部。再經(jīng)上循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。如此循環(huán)，使整個(gè)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(jié)構(gòu)

典型的平板集熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。1—吸熱體；2—透明蓋板；3—隔熱體；4—?dú)んwa、b分別表示外形平面尺寸的長(zhǎng)和寬圖7-1平板集熱器基本結(jié)構(gòu)7.1平板型集熱器7.1.2平板集熱器熱性能參數(shù)1．平板集熱器能量平衡方程

平板型集熱器實(shí)際上是一個(gè)熱交換器，其吸熱體內(nèi)的液體能與太陽(yáng)輻射進(jìn)行能量傳遞，而獲得有用的能量收益。同時(shí)，集熱器本身對(duì)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(gè)能量平衡方程來(lái)描述，該方程表示吸熱板所吸收的輻射太陽(yáng)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(shí)間內(nèi)吸熱板吸收到的太陽(yáng)輻射能量；Qu為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用輸出能量；QL為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的熱損失；Qs為單位時(shí)間內(nèi)集熱器儲(chǔ)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(shù)

平板集熱器的總熱損失系數(shù)是指集熱器中吸熱體對(duì)環(huán)境空氣的平均傳熱系數(shù)，表達(dá)式為 UL=Ut+Ub+Uc

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

全玻璃真空管式太陽(yáng)能集熱器是在平板型太陽(yáng)能集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型太陽(yáng)能集熱裝置。全玻璃真空管式太陽(yáng)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(shù)，消除了氣體的對(duì)流與傳導(dǎo)熱損，并應(yīng)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(yáng)能集熱器既可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運(yùn)行，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。它的結(jié)構(gòu)像一個(gè)拉長(zhǎng)變細(xì)的暖水瓶膽，由兩根同軸圓玻璃管組成，內(nèi)、外玻璃管間抽成真空，太陽(yáng)選擇性吸收表面（涂層）沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。全玻璃真空太陽(yáng)集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內(nèi)、外玻璃管環(huán)形熔封在一起，真空管集熱器內(nèi)裝有吸氣劑。7.2真空管集熱器7.2.1真空太陽(yáng)集熱管結(jié)構(gòu)

全玻璃真空太陽(yáng)集熱管的發(fā)明已有幾十年的歷史，近幾年得到了迅速推廣、普及并且達(dá)到一定工業(yè)化程度。其主要組成有：全玻璃真空管太陽(yáng)集熱器、支架、水箱、上下管及附件等。全玻璃真空太陽(yáng)集熱管構(gòu)造如圖7-3所示，它像一個(gè)拉長(zhǎng)的暖水瓶瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成。內(nèi)、外圓管間抽成真空，太陽(yáng)選擇性吸收表面沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。7.2真空管集熱器1—內(nèi)玻璃管；2—太陽(yáng)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(yáng)集熱管結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移因子；Ieff為集熱管吸收的輻射量；UL為集熱器總熱損系數(shù)；tfi為集熱器流體進(jìn)口溫度；ta為環(huán)境空氣溫度。7.2真空管集熱器2．真空管集熱器光學(xué)效率

真空管集熱器光學(xué)效率為

（7-7）7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

普通的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由集熱器、儲(chǔ)水箱和提供冷水和熱水的管道等組成。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)按其工質(zhì)流動(dòng)方式分類，一般可分為循環(huán)型、直流型和悶曬型3種。其中循環(huán)型又分為自然循環(huán)型和強(qiáng)迫循環(huán)型兩種形式。7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)7.3.1自然循環(huán)熱水系統(tǒng)自然循環(huán)系統(tǒng)是利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差所形成的自然對(duì)流進(jìn)行循環(huán)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。1．熱虹吸式自然循環(huán)熱虹吸式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖7-4所示。1—集熱器；2—上循環(huán)管；3—水箱；4—浮球閥；5—通氣管；

6—熱水閥；7—冷水閥；8—進(jìn)水閥；9—泄水閥；10—下循環(huán)管圖7-4熱虹吸式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)2．定溫放水式自然循環(huán)

定溫放水式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。1—循環(huán)水箱；2—補(bǔ)給水箱；3—電磁閥；4—蓄水箱；5—繼電器；6—觸點(diǎn)式溫度計(jì)圖7-5定溫放水式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)7.3.2強(qiáng)迫循環(huán)熱水系統(tǒng)

強(qiáng)迫循環(huán)熱水系統(tǒng)是利用機(jī)械設(shè)備等外部動(dòng)力迫使傳熱工質(zhì)通過(guò)集熱器（或換熱器）進(jìn)行循環(huán)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)通常采用溫差控制、光電控制及定時(shí)器控制等方式。這種系統(tǒng)通常利用水泵迫使水在集熱器與儲(chǔ)水箱之間循環(huán)，其結(jié)構(gòu)示意如圖7-6所示。7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(qiáng)迫循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)7.3.3直流式系統(tǒng)直流式系統(tǒng)是傳熱工質(zhì)一次流過(guò)集熱器加熱后，便進(jìn)入儲(chǔ)水箱用熱水處的非循環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為開式、一次流動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(lái)水管；9—控制器；10—水泵圖7-7直流式熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.4太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試

測(cè)試集熱器的主要目的如下。①確切地評(píng)價(jià)集熱器的性能，鑒別集熱器質(zhì)量的優(yōu)劣。②為提高集熱器的性能、降低其成本提供依據(jù)。③提供性能測(cè)試數(shù)據(jù)，作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。7.4.1平板型集熱器的測(cè)試

為了全面地評(píng)價(jià)集熱器的質(zhì)量，應(yīng)對(duì)它進(jìn)行多種測(cè)試。根據(jù)新的國(guó)標(biāo)要求，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行性能、空曬、悶曬、內(nèi)通水熱沖擊、外淋水熱沖擊、淋雨、強(qiáng)度、剛度、耐壓、涂層太陽(yáng)吸收比、防雹、外觀、涂層等一系列試驗(yàn)。7.4太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試7.4.2真空管集熱器的測(cè)試1．真空管集熱器技術(shù)要求（1）空曬性能（2）悶曬太陽(yáng)輻照量（3）平均熱損系數(shù)（4）真空性能（5）耐熱沖擊7.4太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試2.試驗(yàn)方法（1）空曬性能參數(shù)測(cè)定（2）悶曬太陽(yáng)輻照量測(cè)定（3）平均熱損系數(shù)測(cè)定（4）真空性能試驗(yàn)（5）耐熱沖擊試驗(yàn)7.5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法7.5.1測(cè)試系統(tǒng)1．試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝

系統(tǒng)盡可能安裝在制造商提供的安裝支架上。試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝不能阻擋集熱器的采光面，安裝支架不應(yīng)影響集熱器或儲(chǔ)熱水箱的保溫。

一般情況，儲(chǔ)熱水箱均應(yīng)按照制造商安裝說(shuō)明書中所允許的最低位置。對(duì)于分離式熱水系統(tǒng)，集熱器與儲(chǔ)水箱間的連接管道的總長(zhǎng)度應(yīng)為15m。管道的直徑和保溫應(yīng)與安裝指南一致。2．集熱器的安裝

集熱器應(yīng)安裝在面向赤道傾角為緯度±10°內(nèi)的固定位置。集熱器安裝地點(diǎn)應(yīng)滿足在試驗(yàn)期間沒(méi)有陰影投射到集熱器上。集熱器所在的位置應(yīng)在試驗(yàn)期間從周圍的建筑或物體表面沒(méi)有明顯的太陽(yáng)光反射到集熱器上，且在視野內(nèi)沒(méi)有明顯的障礙物。7.5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法3．液體流動(dòng)系統(tǒng)

液體流動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)回路如圖7-9所示。圖7-9系統(tǒng)日性能的試驗(yàn)裝置示意圖7.5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法7.5.2測(cè)量要求1．溫度測(cè)量（1）環(huán)境溫度

使用遮陽(yáng)而通風(fēng)的采樣器件在高于地面1m處且距離集熱器和系統(tǒng)組件不得小于1.5m但不超過(guò)10m處的百葉箱內(nèi)測(cè)量環(huán)境空氣溫度。其準(zhǔn)確度為±0.5℃。（2）進(jìn)水溫度

如果在儲(chǔ)熱水箱入口處串接一個(gè)溫度控制器，則由于試驗(yàn)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(guò)控制對(duì)熱水池和冷水池的混水來(lái)調(diào)節(jié)溫度，兩個(gè)水池都保持恒定的溫度。當(dāng)流量為400～600L/h時(shí)，在試驗(yàn)開始至結(jié)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(nèi)。其準(zhǔn)確度為±0.2℃。7.5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法2．流體流量測(cè)量

液體流量的測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±1.0%。3．質(zhì)量測(cè)量

質(zhì)量測(cè)量的準(zhǔn)確度為±1.0%。4．計(jì)時(shí)

計(jì)時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.2%。5．周圍空氣速率

對(duì)每個(gè)試驗(yàn)期，使用風(fēng)速測(cè)量?jī)x及附帶的讀取儀表測(cè)量周圍空氣速率，準(zhǔn)確度為±0.5m/s。7.5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試方法2．流體流量測(cè)量

液體流量的測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±1.0%。3．質(zhì)量測(cè)量

質(zhì)量測(cè)量的準(zhǔn)確度為