中溫集熱器測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 蘇士民 馬迎昌 馬光柏

清華大學(xué)電子工程系 ■ 殷志強(qiáng)

一 引言

2009年，我國太陽能熱水器總產(chǎn)量達(dá)到4200萬m2，保有量為14500m2，分別占世界的78%和54%，中國成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和使用國[1]。但要繼續(xù)加快我國的太陽能熱利用發(fā)展，則要大力發(fā)展中溫集熱器[2]，這一問題基本得到了認(rèn)同。大力發(fā)展中溫集熱器，需要相應(yīng)的集熱器檢測技術(shù)支持。工作在80～250℃的中溫集熱器，需要相應(yīng)的測試系統(tǒng)及測試方法，但目前國內(nèi)集熱器測試最高溫度基本在80℃以內(nèi)，鮮有超過100℃，也鮮有相應(yīng)的廠家研究和提供成熟的測試系統(tǒng)，因此，在中溫集熱器檢測方面，需要進(jìn)行深入研究。

與普通集熱器的測試相比，中溫集熱器的檢測溫度一般要超過100℃，甚至要達(dá)到150℃或更高，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)在溫度控制、溫度穩(wěn)定性、流量穩(wěn)定性、耐溫耐壓等方面的要求都遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高，高溫高壓下系統(tǒng)的溫度和流量的穩(wěn)定性是測試的難點(diǎn)。國內(nèi)未見中溫集熱器測試系統(tǒng)的報(bào)道，而從國外多家檢測機(jī)構(gòu)如Fraunhofer、ITW、ISFH、INETI的檢測報(bào)告看，最高測試溫度一般在90～100℃，部分檢測中心的設(shè)備檢測最高溫度也僅在110℃左右。

山東力諾瑞特新能源有限公司的檢測人員經(jīng)過努力，建立了中溫太陽能集熱器測試系統(tǒng)，使系統(tǒng)的測試溫度達(dá)到了150℃，有力促進(jìn)了中溫集熱器的研發(fā)進(jìn)度。系統(tǒng)申請(qǐng)并獲得了國家發(fā)明專利。公司研發(fā)的幾種中溫集熱器，經(jīng)過專家鑒定達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，使我國太陽能熱利用在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有了產(chǎn)品支持。根據(jù)集熱器測試和中溫集熱器測試實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)中溫集熱器測試系統(tǒng)和測試方法實(shí)現(xiàn)的一些思路，意在為致力于進(jìn)行中溫集熱器研發(fā)和測試的專業(yè)技術(shù)人員提供參考，希望能夠?qū)ξ覈l(fā)展中溫集熱器所需進(jìn)行的集熱器熱性能測試有所幫助。

二 中溫集熱器測試系統(tǒng)工作原理

GB/T4271—2007對(duì)集熱器效率測試的要求如下：

(1) 集熱器采光面的太陽輻照度≥700W/m2，試驗(yàn)期間總輻照度變化≤±50W/m2；

(2) 環(huán)境風(fēng)速≤4m/s；

(3) 試驗(yàn)期間環(huán)境空氣溫度變化≤±1℃；

(4) 流量按集熱器采光面積設(shè)定為0.02kg/(s·m2)，試驗(yàn)期間流量穩(wěn)定在設(shè)定值的±1%；

(5) 同一工況內(nèi)測量參數(shù)允許的偏離范圍見表1。

即：要求檢測系統(tǒng)提供溫度變化在±0.1℃、流量變化在±1%以內(nèi)的進(jìn)口溫度。對(duì)于中溫集熱器測試，該進(jìn)口溫度要達(dá)到150℃±0.1℃。

表1 同一工況內(nèi)測量參數(shù)允許的偏離范圍

根據(jù)GB/T4271—2007所提供的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，以水作為傳熱工質(zhì)時(shí)，應(yīng)采用閉式系統(tǒng)；以沸點(diǎn)在150℃以上的油作為傳熱介質(zhì)時(shí)，可考慮用開式系統(tǒng)。從測試的方便性和成本方面考慮，以水作為傳熱工質(zhì)，采用閉式系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中系統(tǒng)的工作原理可簡述為：集熱器出口的熱水經(jīng)一次溫度調(diào)節(jié)后，經(jīng)系統(tǒng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，由流量控制閥控制以恒定流量經(jīng)二次溫度調(diào)節(jié)、以0.1℃變化幅度進(jìn)入集熱器，經(jīng)集熱器升溫后出來再次經(jīng)過一次溫度調(diào)節(jié)，形成循環(huán)。這里一次溫度調(diào)節(jié)應(yīng)包括一次降溫過程和一次升溫過程，即先將熱水溫度降至測試進(jìn)口溫度以下，再經(jīng)過電加熱或其他加熱方式將溫度升高至接近進(jìn)口溫度(最好在1.0℃或0.5℃以內(nèi)，甚至更接近)，這樣更有利于二次溫度調(diào)節(jié)。必要時(shí)，可以增加到三級(jí)溫度調(diào)節(jié)。流量的調(diào)節(jié)，圖1中用流量控制閥，也可以通過旁通閥和球閥的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，或通過變頻泵實(shí)現(xiàn)。

除系統(tǒng)圖中可見的循環(huán)回路外，測試系統(tǒng)還應(yīng)包括以下部分：

制冷系統(tǒng)：主要包括制冷機(jī)組，冷水箱，制冷循環(huán)泵及相應(yīng)的管路閥門。主要作用是降低集熱器出口返回的工質(zhì)溫度。

控制系統(tǒng)：包括溫控器、給溫控器傳輸控制信號(hào)的溫度傳感器、流量控制器或變頻器等，主要作用是控制一級(jí)、二級(jí)溫度調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包括數(shù)據(jù)采集器和各類傳感器，主要有總輻照表、散射輻照表、風(fēng)速儀、環(huán)境溫度傳感器、進(jìn)出口溫度傳感器、流量計(jì)等。

測試臺(tái)架：可以是固定式臺(tái)架或跟蹤太陽的臺(tái)架。對(duì)于中溫集熱器測試，為提高測試的工作效率和檢測精度，建議采用自動(dòng)跟蹤太陽的臺(tái)架。

三 中溫測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

系統(tǒng)形式：設(shè)計(jì)選用的系統(tǒng)形式主要考慮傳熱工質(zhì)的類型，即傳熱工質(zhì)溫度和壓力之間的關(guān)系，同時(shí)要能準(zhǔn)確掌握傳熱工質(zhì)在不同溫度下的比熱。以水作為傳熱工質(zhì)，是最常見、最方便也最經(jīng)濟(jì)的方式，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)為閉式承壓形式，水的沸點(diǎn)和壓力之間的關(guān)系可通過查閱相關(guān)資料獲得[4,5]。如水80℃和150℃時(shí)的飽和蒸氣壓分別為0.0474MPa和0.476MPa，系統(tǒng)壓力相差10倍，控制難度大。

循環(huán)泵：循環(huán)泵的設(shè)計(jì)和選取首先要考慮耐溫和耐壓性能，其次是其揚(yáng)程和流量。熱水型循環(huán)泵的耐壓一般都能滿足要求，耐高溫要求一般要達(dá)到180℃以上，確保一定的安全系數(shù)。泵的質(zhì)量要有保證，在150℃、0.6MPa左右條件下運(yùn)行應(yīng)能確保正常。選取時(shí)可查找國內(nèi)國際知名的熱水循環(huán)泵品牌，確認(rèn)其性能參數(shù)滿足要求。揚(yáng)程和流量則根據(jù)測試能力的多少選定。

流量計(jì)：可選用電磁流量計(jì)或渦輪流量計(jì)。高精度的電磁流量計(jì)價(jià)格較高，但耐用，聚四氟乙烯襯里、分體式的電磁流量計(jì)耐溫可達(dá)到180℃；渦輪流量計(jì)精度高，但耐溫性差，且很難較長時(shí)間保持精度。流量計(jì)的信號(hào)形式可以是標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)，利于采集。

溫度傳感器：精度和響應(yīng)時(shí)間是溫度傳感器選用的關(guān)鍵。溫度精度要求達(dá)到0.1℃，鉑電阻溫度傳感器能很好地滿足要求。響應(yīng)時(shí)間會(huì)影響到測試結(jié)果，應(yīng)選用響應(yīng)時(shí)間盡可能短的傳感器類型，如鉑電阻傳感器，其不銹鋼套管直徑應(yīng)在4mm以內(nèi)，越小響應(yīng)越快。

輻照表：國內(nèi)的輻照表已達(dá)到很高的技術(shù)水平，一般可滿足要求。需注意輻照表的非線性誤差和溫度靈敏度誤差應(yīng)盡可能小。

閥門：系統(tǒng)中需要用到的閥門一般有排氣閥、流量控制閥、壓力安全閥、電動(dòng)閥、球閥、閘閥等，所有閥門耐溫都應(yīng)達(dá)到180℃以上，且高溫下耐壓達(dá)到1.5MPa或2.0MPa以上，才能確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

管路：系統(tǒng)中各管路應(yīng)選用金屬管路，包括循環(huán)回路、制冷回路和與集熱器連接的管路。固定的管路可選用銅管、不銹鋼管或無縫鋼管等。與集熱器連接的管路可選用不銹鋼軟管。管路設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)考慮活結(jié)的使用，方便系統(tǒng)改進(jìn)。管路連接所用管件也應(yīng)考慮耐溫和密封問題，如活結(jié)所用墊片應(yīng)為聚四氟乙烯樹脂或石棉材料。

保溫材料：保溫材料的選用也很關(guān)鍵，主要需滿足耐溫要求，應(yīng)達(dá)到180℃以上。可選用巖棉、玻璃棉或亞羅弗等材料，但要考慮安裝的方便性和美觀性。

穩(wěn)壓裝置：系統(tǒng)在升溫過程中壓力會(huì)升高，需要安裝膨脹罐或膨脹箱進(jìn)行穩(wěn)壓。膨脹罐的選取需考慮容積匹配和耐溫問題，安裝位置可選擇在回路中溫度低的地方，且接口朝上，連接在朝下的管路上。

控溫裝置：一般可采用兩級(jí)控溫方式，必要時(shí)考慮三級(jí)控溫。溫控器的控制精度要高，否則難以滿足溫度精度要求。如使用電加熱，根據(jù)系統(tǒng)回路中介質(zhì)容量的大小選取合適的電加熱。電加熱的功率主要影響升溫時(shí)間，可參考5kW/臺(tái)集熱器的功率選取。另一種控溫方式為通過控制電加熱電流的大小控制其發(fā)熱功率，達(dá)到控制溫度的目的。

排氣裝置：閉式系統(tǒng)正常運(yùn)行最重要的一個(gè)要求是無殘留氣體，否則將影響溫度、流量波動(dòng)，并形成氣蝕對(duì)泵及其他部件產(chǎn)生致命影響。排氣的方法可通過外接循環(huán)泵循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)，通過閥門的開關(guān)控制水的流向，把閉式回路中的介質(zhì)循環(huán)到外接裝置中，實(shí)現(xiàn)排氣。同時(shí)，在必要的地方安裝排氣閥實(shí)時(shí)排出試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氣體。

測試臺(tái)架：測試臺(tái)架的設(shè)計(jì)和安裝首先應(yīng)滿足GB/T4271—2007的要求。如前所述，測試可以是固定式臺(tái)架或跟蹤太陽的臺(tái)架，臺(tái)架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度并能抵御大風(fēng)。對(duì)于中溫集熱器測試，為提高測試的工作效率和檢測精度，建議采用自動(dòng)跟蹤太陽的臺(tái)架，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臺(tái)架精度沒有要求，因此實(shí)現(xiàn)難度也不大。

四 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

中溫集熱器測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要從測試方便性考慮，同時(shí)能夠?qū)z測過程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，以適時(shí)采取相應(yīng)動(dòng)作，提高檢測精度和效率。

如果測試系統(tǒng)采用最常用的Agilent數(shù)據(jù)采集器，如34970A，可使用其自帶的Agilent BenchLink Data Logger -Ⅲ軟件。軟件中提供了采集的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔、存貯方式等設(shè)置項(xiàng)，還可根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)測參數(shù)的曲線，實(shí)時(shí)觀測各參數(shù)變化情況。如可觀察進(jìn)口溫度變化是否超過±0.1℃，流量變化是否超過±1%，輻照是否達(dá)到700W/m2以上等。但該軟件一個(gè)重要的不足是沒有數(shù)據(jù)處理功能，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，且界面友好性不強(qiáng)。因此有必要設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)軟件可采用組態(tài)軟件，VC++、VB等實(shí)現(xiàn)。軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

硬件驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，且能根據(jù)需要設(shè)置采集參數(shù)類型和時(shí)間，以及傳感器的參數(shù)設(shè)置，如電壓信號(hào)、電流信號(hào)、電阻信號(hào)、脈沖信號(hào)等。

數(shù)據(jù)采集：采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。采集頻率可根據(jù)需要調(diào)整，如1s～1h任意設(shè)置， 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式可按要求設(shè)定，如csv格式的Excel表。

過程監(jiān)控：測試過程中實(shí)時(shí)顯示各數(shù)據(jù)參數(shù)，以曲線的形式顯示，以監(jiān)控檢測過程是否正常，軟件界面應(yīng)友好，易操作，如使用組態(tài)軟件，可顯示動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果。

數(shù)據(jù)計(jì)算：能夠按照特定的公式計(jì)算測試數(shù)據(jù)，得到集熱器的瞬時(shí)效率，并實(shí)時(shí)顯示。最終測試結(jié)果可進(jìn)行擬合，得到集熱器測試的一次或二次方程，繪制集熱器的效率曲線。

智能篩選和報(bào)警：在監(jiān)控過程中篩選和判斷滿足檢測條件的數(shù)據(jù)，并提示檢測人員，以適時(shí)調(diào)整檢測工況，對(duì)于超出偏差范圍的數(shù)據(jù)，及時(shí)報(bào)警以便檢測人員進(jìn)行調(diào)整。

五 結(jié)語

中溫太陽能集熱器的檢測，在我國乃至世界上的開展都非常少。甚至是普通太陽能集熱器的檢測，在我國開展的單位也較少，特別是太陽能企業(yè)。在檢測系統(tǒng)硬件方面，國外如SPF、ITW、Fraunhofer、TUV等機(jī)構(gòu)均擁有先進(jìn)的檢測設(shè)備；國內(nèi)則沒有專業(yè)的專門研發(fā)生產(chǎn)集熱器測試系統(tǒng)的廠家，提供先進(jìn)的成套成熟系統(tǒng)。因此，要開展中溫太陽能集熱器檢測，首先需要相關(guān)行業(yè)或企業(yè)提供先進(jìn)成熟的檢測系統(tǒng)。為此，在山東力諾瑞特新能源有限公司在完成中溫集熱器檢測的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，供相關(guān)技術(shù)人員、特別是集熱器檢測系統(tǒng)制造企業(yè)或?qū)I(yè)隊(duì)伍參考，為我國開展中溫太陽能集熱器檢測、研發(fā)中溫太陽能集熱器提供必要支持。這樣，太陽能熱利用在工業(yè)用熱等中溫領(lǐng)域的應(yīng)用才能更快實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，太陽能檢測技術(shù)還應(yīng)逐步深入到中溫應(yīng)用系統(tǒng)檢測領(lǐng)域，為集熱器的實(shí)際應(yīng)用積累數(shù)據(jù)，為中溫應(yīng)用系統(tǒng)的成熟發(fā)展提供幫助。同時(shí)，國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)也將對(duì)中溫集熱器測試和研發(fā)起到有力的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

[1]霍志臣, 羅振濤.中國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].太陽能,2010, (10): 12－16.

[2]殷志強(qiáng).探討太陽能熱利用發(fā)展[J].太陽能, 2009, (6): 6－9.

[3]GB/T4271-2007，太陽能集熱器熱性能試驗(yàn)方法[S].

[4]《實(shí)用化學(xué)手冊(cè)》編寫組.實(shí)用化學(xué)手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社, 2001.

[5]http://210.41.240.233/chemisrty/chembiao/cutable9-2.htm.