聚光法檢測太陽能熱水器熱性能研究

安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 ■ 朱雙四

中國科技大學(xué) ■ 鄭愛芬 楊義紅

1 研究背景

1.1 “節(jié)能減排，發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展戰(zhàn)略極大地促進(jìn)了太陽能熱水系統(tǒng)的發(fā)展

黨的“十八大”提出了建設(shè)“美麗中國”的偉大藍(lán)圖和“節(jié)能減排，發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展戰(zhàn)略。太陽能熱水系統(tǒng)作為低碳環(huán)保產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展。據(jù)《2013年中國太陽能熱利用行業(yè)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2013年是我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵一年，在中央穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)改革方針的指導(dǎo)下做出了不斐的成績。工程市場仍保持50%以上的增速在發(fā)展。

據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2013年全玻璃真空管總銷量為5706萬m2，與2012年基本持平。平板集熱器產(chǎn)品增長明顯，2013年產(chǎn)量為650萬m2，與2012年同比增長27.3%。2013年我國太陽能集熱器總銷量約為6600萬m2，與2012年6390萬m2同比增長3.3%，總產(chǎn)值超過千億，做到穩(wěn)中有升。保有量為31000萬m2，同比增長20.3%，比2003年增長了60倍。

2013年熱水器產(chǎn)品出口為3.22億美元，與2012年同比增長7.3%。

1.2 行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)暴露出一些質(zhì)量問題

由于市場前景廣闊，投資回報(bào)率高，太陽能熱利用行業(yè)近年來得到廣泛的普及與發(fā)展。但是，目前國內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)企業(yè)中真正擁有自主研發(fā)能力和規(guī)?；a(chǎn)能力的企業(yè)為數(shù)不多，很多小作坊企業(yè)生產(chǎn)工藝落后、質(zhì)量管理混亂、產(chǎn)品性能不過關(guān)，存在偷工減料、粗制濫造現(xiàn)象。一些質(zhì)量低劣、存有較大質(zhì)量安全隱患的太陽能熱水系統(tǒng)憑借低廉的價(jià)格在市場銷售，給消費(fèi)者帶來了安全隱患甚至是安全事故，阻礙中國太陽能熱利用行業(yè)的進(jìn)一步快速發(fā)展，這從一定程度上對全國各地的檢測部門也是一種督促，迫使檢測部門進(jìn)一步提高檢驗(yàn)?zāi)芰?。在檢測設(shè)備研發(fā)、檢測技術(shù)設(shè)備改造等方面加大力度，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及檢測需求，應(yīng)及時(shí)對技術(shù)、產(chǎn)品的更新提出新的評判和驗(yàn)證方法標(biāo)準(zhǔn)，同步更新檢測設(shè)備。

1.3 太陽能產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法要求

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[1]要求熱性能測試至少有1天的全天8 h輻照總量大于16 MJ/m2。然而，全年中日太陽輻照量大于16 MJ/m2的天數(shù)較少(見圖1)，該試驗(yàn)條件一定程度上限制檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢測天數(shù)，導(dǎo)致各質(zhì)檢部門檢測天數(shù)不足，無法對家用太陽熱水系統(tǒng)類產(chǎn)品進(jìn)行及時(shí)有效檢測。

圖1 部分地區(qū)輻照量[2]

2 研究內(nèi)容

2.1 太陽模擬器測試

已有的方式利用太陽能模擬器進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，少數(shù)較大太陽能企業(yè)和科研院所斥巨資建立室內(nèi)檢測實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)室中配置了太陽模擬器。

太陽模擬器的不足為：1) 長時(shí)間使用，輻照不均勻度超15%(見圖2)；2) 實(shí)際光譜中紅外光占比遠(yuǎn)超過自然光；3) 燈管壽命短，耗電量巨大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用極高；4) 太陽模擬器與自然光的光譜匹配誤差較高，A級不超過25%，B級不超過35%[3]；5) 室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境，尤其天空輻射與空氣紊流差異極大。

圖2 太陽模擬光源的半邊輻照分布測試圖

2.2 聚光法測試模型(見圖3)

圖3 聚光法測試平臺(tái)模型

采取平面反射與跟蹤太陽光方式，試驗(yàn)平臺(tái)通過反射聚光配合東西方向單軸跟蹤來增加平臺(tái)太陽輻照量，可根據(jù)需要選擇是否使用反射面，保證輻照均勻度及光譜與自然光一致(平面鏡反射率為95%～98%)。自然光狀態(tài)下日累積太陽輻照量達(dá)到12～16 MJ/m2時(shí)，平臺(tái)能通過聚光使輻照量達(dá)到16 MJ/m2以上，測試在室外進(jìn)行，保證環(huán)境與自然環(huán)境一致。采用可調(diào)平面反射聚光與一維跟蹤的方式，裝置易操作，成本較低。平面聚光器保證了聚光后的輻照均勻度與自然光一致；單軸跟蹤保證了平臺(tái)運(yùn)行的平穩(wěn)性，降低了跟蹤復(fù)雜程度，可使集熱器在檢測周期內(nèi)傾角保持固定不變。

聚光法測試的特點(diǎn)：1) 平面鏡反射的光斑可覆蓋集熱器的整個(gè)集熱面；2) 平臺(tái)經(jīng)過初次調(diào)試后，便可自動(dòng)運(yùn)行，具有較高自動(dòng)化程度和運(yùn)行平穩(wěn)性；3) 只需將測試樣品擺放角度輸入軟件，反射鏡即可自動(dòng)調(diào)整俯仰角跟蹤聚光；4) 可根據(jù)不同地區(qū)的日照角度設(shè)置平臺(tái)水平跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)路徑；5) 平臺(tái)日常維護(hù)工作較簡單，只需注意反射鏡面的清潔，以及運(yùn)行一定周期后平臺(tái)的校零。

3 研究結(jié)果

3.1 輻照均勻度性能測試

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，平臺(tái)輻照光斑均勻度偏差在3% 內(nèi) (見表 1)。

3.2 平臺(tái)輻照量及聚光倍率性能測試

經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，平臺(tái)太陽輻照滿足需要：環(huán)境太陽輻照量在12～16 MJ/m2時(shí)，平臺(tái)輻照量達(dá)16 MJ/m2以上(見圖4)。平臺(tái)輻照量及聚光倍率性能測試，根據(jù)日輻照量在10.2～18.5 MJ/m2的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到聚光測試平臺(tái)的聚光比為1.4537，如圖5所示。

表1 輻照均勻度測試部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖4 聚光測試平臺(tái)輻照量對比

圖5 聚光測試平臺(tái)擬合聚光比

3.3 平板與常規(guī)熱性能測試的對比

3.3.1 同一型號規(guī)格的兩個(gè)產(chǎn)品

同一型號規(guī)格的兩個(gè)產(chǎn)品在同一天測試，分別在平臺(tái)上測試和常規(guī)測試熱性能，測試結(jié)果如圖6所示，數(shù)據(jù)來源于2014年3月15日。

圖6 同一型號規(guī)格的兩個(gè)產(chǎn)品同一天測試比較

平臺(tái)試驗(yàn)測得日平均效率為0.441；常規(guī)試驗(yàn)測得日平均效率為0.440；二者偏差為0.2%。

3.3.2 同一臺(tái)熱水器

同一臺(tái)熱水器分別放在平臺(tái)上和自然光狀態(tài)下的試驗(yàn)對比，結(jié)果如圖7所示。數(shù)據(jù)分別來源于2014年3月17日(常規(guī)試驗(yàn))和 2014年3月15日(平臺(tái)試驗(yàn))。平臺(tái)試驗(yàn)測得的日平均效率為0.441；常規(guī)試驗(yàn)測得的日平均效率為0.442；二者偏差為0.2%。

圖7 同一臺(tái)熱水器在平臺(tái)上和自然光試驗(yàn)對比

4 聚光法測試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)和創(chuàng)新點(diǎn)

1) 自然光狀態(tài)下，日累積輻照量在12～16 MJ/m2時(shí)，平臺(tái)可通過跟蹤聚光，將累積輻照量提高到16 MJ/m2以上，擬合聚光比為1.45。

2) 平臺(tái)的輻照均勻度滿足試驗(yàn)要求，輻照度偏差可控制在±3%內(nèi)。

3) 平臺(tái)測試和自然狀態(tài)下測試結(jié)果具有較高一致性(測試結(jié)果偏差為0.2%)。

4) 平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，運(yùn)行較穩(wěn)定，維護(hù)成本較低。測試平臺(tái)滿足了項(xiàng)目最初設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)，初期研究告一段落。為進(jìn)一步提高平臺(tái)的可靠性和實(shí)用性，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究和大量的數(shù)據(jù)積累。

[1] GB/T 19141-2011,家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2] GB/T 50801-2013,可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GB/T 12637-1990,太陽模擬器通用規(guī)范[S].