真空管太陽(yáng)集熱管透射比和吸收比及其均勻性的試驗(yàn)分析

魏鳳

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心,武漢430071;2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館武漢分館,武漢430071;3.國(guó)家太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)中心,武漢430061)

根據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所編制的《2008中國(guó)新能源與可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》,從2003年到2008年間,我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器總保有量一直保持著20%的增長(zhǎng)比例,2008年底總保有量達(dá)到12850萬(wàn)m2(按照太陽(yáng)集熱面積算),年產(chǎn)量達(dá)到2800萬(wàn)m2,其中全玻璃真空管型太陽(yáng)熱水系統(tǒng)所占比例達(dá)到87%以上,是我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的主流產(chǎn)品。作為我國(guó)太陽(yáng)能利用領(lǐng)域內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的真空管太陽(yáng)集熱器技術(shù),其研發(fā)工作一直非常活躍并取得很多成果,不過(guò)研發(fā)工作主要集中在真空管集熱器管內(nèi)流動(dòng)與換熱模擬、動(dòng)態(tài)特性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)的性能測(cè)試分析上[1-4],而對(duì)真空管太陽(yáng)集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率及其基本的理論研究方面還很少。本文將通過(guò)太陽(yáng)集熱管的光學(xué)性能的試驗(yàn)分析,推導(dǎo)研究真空管太陽(yáng)能集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率的理論計(jì)算公式,并對(duì)真空管太陽(yáng)能集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率的影響因素進(jìn)行探討,希望能夠?qū)ξ覈?guó)太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

真空管型太陽(yáng)能集熱器主要由數(shù)支并列的全玻璃太陽(yáng)集熱管和支撐部件(支架)構(gòu)成,如圖1所示。一般的全玻璃太陽(yáng)集熱管由罩玻璃管和內(nèi)層涂層玻璃管兩部分組成。其中,罩玻璃管的制造材料為硼硅玻璃,內(nèi)層玻璃管主體一般為厚度約1mm的硼硅玻璃,但其表面有一層鋁氮或銅氮鍍鋅鉻的化合物涂層。

圖1 真空管型太陽(yáng)集熱器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17049-2005《全玻璃真空太陽(yáng)集熱管》的要求,標(biāo)準(zhǔn)的全玻璃太陽(yáng)集熱管的尺寸規(guī)格有47 mm和58 mm兩種外徑,因此本文的試驗(yàn)對(duì)象也取這兩種外徑的全玻璃真空太陽(yáng)集熱管,集熱管的選擇性吸收涂層為鋁氮和銅氮鍍鋅鉻,樣品編號(hào)及型號(hào)如表1所示。

表1 測(cè)試樣品編號(hào)及型號(hào)特征

2 試驗(yàn)方案

在全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管的罩玻璃管透射比、內(nèi)玻璃管涂層的吸收比的測(cè)定,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2680《建筑玻璃可見(jiàn)光透射比、太陽(yáng)光直接透射比、太陽(yáng)能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測(cè)定》中規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行。

2.1 試驗(yàn)儀器

采用的測(cè)試儀器為Cary 3000型分光光度計(jì),測(cè)試的波長(zhǎng)范圍達(dá)到330～2 500 nm,掃描波長(zhǎng)間距為0.1 nm,顯示的數(shù)值間隔1 nm,可將部分紫外區(qū)到遠(yuǎn)紅外區(qū)所有波長(zhǎng)對(duì)物體的透射率和反射率測(cè)試出來(lái)。同時(shí),該測(cè)試儀器采用了專(zhuān)用操作軟件和微機(jī)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試全程的時(shí)時(shí)監(jiān)控,儀器配備了光學(xué)避震隔離系統(tǒng),可以在測(cè)試中把環(huán)境與光學(xué)系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái),可以避免周?chē)h(huán)境對(duì)儀器性能和測(cè)量結(jié)果的影響。該儀器還具有智能化檢測(cè)器和耦合光路,前者具有實(shí)時(shí)優(yōu)化近紅外區(qū)域的檢測(cè)功能,后者保證了高光通量,在入射光透過(guò)較少的條件下也能測(cè)得很準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)樣品

為了保證試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確,將玻璃管樣品直接制成有一定弧度、長(zhǎng)和寬約2 cm的方形玻璃被測(cè)樣品。為了減少測(cè)試結(jié)果和集熱管實(shí)際工作的誤差,在測(cè)試罩玻璃管透射比時(shí),僅測(cè)試罩玻璃管被測(cè)樣品的凸面透射比。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2680中,根據(jù)物理光學(xué)光能量的計(jì)算公式,推導(dǎo)出玻璃平面上入射太陽(yáng)光的透射率ηt公式為:

式中:Eλ和Eλt分別表示入射光線透射前和透射后的光能量 ;ηλi,t表示波長(zhǎng)為 λi(i=1,2,…,n)的光線透射比,通過(guò)試驗(yàn)從分光光度計(jì)測(cè)得;Eλi表示波長(zhǎng)為λi的光能量,可以從GB/T 2680查到。

同理,涂層表面的入射光反射率ηf公式為:

式中 :Eλf表示為入射光線反射能量;ηλi,f表示波長(zhǎng) λi的光線對(duì)應(yīng)的反射比。根據(jù)光學(xué)基本定律,涂層的吸收率ηa為:

利用式(1),(2)和(3),只要在在測(cè)試中用分光光度計(jì)測(cè)試每一透射光波長(zhǎng)及該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的透射比和反射比,通過(guò)算術(shù)平均就可以計(jì)算被測(cè)樣品涂層的總透射比、反射比和吸收比(及加權(quán)平均值)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)全玻璃真空集熱管吸收比和投射比試驗(yàn)中,選擇并制取了5個(gè)生產(chǎn)單位的13個(gè)真空管樣品的共52個(gè)試驗(yàn)被測(cè)樣品進(jìn)行了分光光度計(jì)測(cè)試;其中26個(gè)罩玻璃管被測(cè)樣品進(jìn)行了透射比測(cè)試,26個(gè)內(nèi)玻璃管進(jìn)行了反射比和吸收比測(cè)試。

3.1 透射比測(cè)試分析

試驗(yàn)對(duì)13個(gè)樣品進(jìn)行了透射比測(cè)定(每個(gè)試樣品分上、下兩個(gè)部位),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中樣品 1#-3#是廠家 A生產(chǎn)的集熱器,管徑為47 mm,4#-11#是廠家B,C和D生產(chǎn)的集熱器,管徑為58 mm的集熱管,4#-11#是廠家E生產(chǎn)的集熱器,涂層相同,但是管徑分別為 47 mm和58 mm。從圖中可看出,兩種管徑的樣品透射比值較為相近,表明被測(cè)樣品的透射比受罩玻璃管管徑或彎曲度影響較小。

3.2 吸收比測(cè)試分析

圖2 13個(gè)樣品的上部、下部和平均透射比

由于內(nèi)玻璃管吸收比不能通過(guò)分光光度計(jì)直接測(cè)試得出,但是可以通過(guò)測(cè)試樣品的反射比然后利用式(3)計(jì)算。

(1)涂層材料的影響 圖3是太陽(yáng)集熱管內(nèi)玻璃管吸收比的試驗(yàn)結(jié)果,其中廠家A的1#和2#集熱器采用了銅氮涂層,3#集熱器采用了鋁氮涂層,可以看到盡管管徑同為47 mm,但1#和2#的吸收比高于3#,同樣可以看到,廠家B,C和D的58 mm管徑集熱器的樣品4#,7#,8#和10#采用銅氮涂層,吸收比高于相同廠家的鋁氮涂層被測(cè)樣品,因此可以認(rèn)為,銅氮涂層的吸收性能好于鋁氮涂層。

(2)管徑的影響 從廠家E的12#和13#的兩個(gè)樣品同樣采用鋁氮涂層,但是12#的管徑為58 mm,13#為47 mm,樣品12#的吸收比明顯要高于13#的吸收比,表明被測(cè)樣品管徑越大吸收比越高。

圖3 13個(gè)樣品的內(nèi)玻璃管上部、下部和平均吸收比

4 均勻性分析

從13個(gè)樣品透射比和吸收比的試驗(yàn)結(jié)果圖2和圖3可以看到,樣品上、下兩部分的透射比和吸收比有的很接近,有的有差別,這表明相同樣品、不同部位的透射比和吸收比存在著差異性,那么樣品的整體吸熱能力和相關(guān)的質(zhì)量評(píng)價(jià)也存在相當(dāng)差異,為了能夠把這種性能上的差異性程度用數(shù)值來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái),本文定義了均勻系數(shù)ε,提出用數(shù)學(xué)表達(dá)式(4)表征集熱管透射比和吸收比性能的均勻度。

式中:η上和η下分別為集熱管上、下兩個(gè)部位的透射比或吸收比的算術(shù)平均值。ε的數(shù)值越小,表明集熱管樣管上、下部位的透射比或吸收比性能越接近,性能一致性較好,差異性較小。

上面在隨機(jī)選取了同一根集熱管的罩玻璃管和內(nèi)玻璃管上、下兩個(gè)部位進(jìn)行制樣的基礎(chǔ)上,測(cè)試和分析了它們的透射比和吸收比,那么用式(4)對(duì)這些樣品的透射比和吸收比性能的均勻性進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示。

表2 集熱管透射性能和吸收性能均勻系數(shù)(%)

從表2中可以看到,13個(gè)樣品的透射比均勻系數(shù)εt值最大為 1.77%,其中11個(gè)樣品εt值不高于1%,因此可以認(rèn)為這些集熱管的透射比性能非常均勻性,一致性較好,樣品性能差異性較小。從表2中還可以看到,在13個(gè)樣品的吸收比均勻系數(shù)εa中,有11個(gè)εa小于5%,其中僅7個(gè)樣品的吸收比均勻性系數(shù)小于1%,表明為樣品的吸收性均勻性不如透射比 εt;而 3#和13#的 εa值高達(dá) 11.28%和11.11%,表現(xiàn)出樣品3#和13#的不同部位吸收比性能?chē)?yán)重不一致性,分析主要是因?yàn)闃悠分苽渲绣兡p傷較大造成的。

由于樣品的透射比樣片材質(zhì)為主要含硼硅元素的玻璃,制片中也較好地保持其表面光潔度和光滑性,同時(shí)玻璃樣片也是在密封的空氣條件下進(jìn)行的,幾乎不受空氣和環(huán)境的影響,因此εt結(jié)果能夠較好地真實(shí)反映出樣品透射性能的均勻程度;而樣品吸收比剛好相反,可能受空氣條件(主要是真空度)和制樣條件的影響,這是因?yàn)樘?yáng)吸收涂層在空氣中易氧化,必需在真空條件下才能正常工作,因此在測(cè)試吸收比的時(shí)候,必須在樣片制備好后盡快測(cè)試,同時(shí)涂層在制備過(guò)程中也易受到空氣中塵埃污染、人為誤差如振動(dòng)、接觸導(dǎo)致涂層污染的影響,故太陽(yáng)涂層吸收比測(cè)試受真空度、空氣條件和人為誤差較大,當(dāng)然在每個(gè)樣片的制備和測(cè)試中都會(huì)碰到相同因素的影響,那么在公式(4)的分子中,樣片的這種影響因素造成的誤差可以相互抵消,因此εa在一定程度上較好的反映了樣品吸收性能的一致性?？傮w言之,樣品涂層吸收性能的均勻性不如集熱管透射性能好,主要是因?yàn)橥繉游毡葴y(cè)試中易受真空度、空氣條件和人為誤差的影響,因此吸收涂層的質(zhì)量還有待于進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

5 結(jié)論

本文對(duì)一些典型的全玻璃真空管型太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品的集熱管進(jìn)行了透射比和吸收比測(cè)試,并提出了集熱管透射比和吸收比均勻系數(shù)的概念,進(jìn)行了對(duì)比分析,可得出下列結(jié)論。

(1)不論是對(duì)于47 mm還是58 mm型號(hào)的集熱管,銅氮涂層的平均吸收比顯然高于鋁氮涂層,表明銅氮涂層對(duì)光線吸收好于鋁氮涂層;但在相同涂層下,管徑58 mm太陽(yáng)集熱管吸收比優(yōu)于47 mm的集熱管。

(2)管徑58 mm的罩玻璃管平均透射比和47 mm的比較接近,可能因?yàn)樗鼈兊墓軓较嗖畈淮蟆?/p>

(3)罩玻璃管的透射比和內(nèi)玻璃管均勻系數(shù)的試驗(yàn)分析結(jié)果表明,透射比均勻性系數(shù)能很好的反映出樣品的透射性能,吸收比均勻性系數(shù)在一定程度上較好的反映了樣品的吸收性能;樣品的透射比性能均勻性好于樣品的吸收比均勻性,主要因?yàn)槲胀繉右资苷婵斩?、空氣條件和人為誤差的影響,因此吸收涂層的制作和質(zhì)量還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

[1]王志峰.全玻璃真空管空氣集熱器管內(nèi)流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001,22(1):35-39.

[2]趙玉蘭,張紅,戰(zhàn)東東,等.CPC熱管式真空管集熱器的集熱效率研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28(9):1022-1025.

[3]張華,張靜敏,黃慧蘭,等.太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)集熱器熱物理模型及分析[J].可再生能源,2007,25(2):7-9.

[4]楊慶,丁鈞,周朝暉,等.考慮熱負(fù)荷的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角的確定[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28(3):309-313.