塑料太陽能平板集熱器試驗研究

李久鋒，陳觀生，張國慶

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

塑料太陽能平板集熱器試驗研究

李久鋒，陳觀生，張國慶

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

針對蓄熱型太陽能熱水器對升溫速率要求不高的特點，提出并研制了一種新型塑料太陽能平板集熱器.在間歇性強制循環(huán)條件下，對該集熱器進行性能測試，獲得了瞬時效率曲線.在試驗條件下，該集熱器的日平均效率為51%～55%，水箱溫度為45.8～50.2 ℃，可以為塑料平板集熱器的實際應(yīng)用提供依據(jù).

太陽能； 塑料； 集熱器； 平均效率

平板太陽能集熱器具有產(chǎn)熱水量大、使用壽命長、安裝方便等優(yōu)點，一直在太陽能熱水利用領(lǐng)域占有一席之地.隨著太陽能建筑一體化的推廣，平板集熱器所占的市場份額將會更大.目前對太陽能平板集熱器的研究，主要集中在太陽能選擇性吸收涂層的制備、集熱器的優(yōu)化設(shè)計和熱性能測試等方面[1-5].

傳統(tǒng)太陽能集熱器通常使用銅、鋁等金屬材料，存在造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難等問題，而塑料能夠耐一定高溫且生產(chǎn)自動化程度高、低耗能、安裝方便，雖然塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，但在較低的熱流密度(太陽輻射)及升溫速率下，塑料可以成為太陽能集熱管道中低端產(chǎn)品的替代材料.塑料材料用于集熱器的研究目前主要集中在國外，研究側(cè)重于集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和集熱器材料的選擇[6-15].

為獲得塑料太陽能平板集熱器的實際運行參數(shù)，本文研制了一種塑料太陽能平板集熱器并對其進行實驗測試.

1 塑料太陽能平板集熱器的結(jié)構(gòu)

塑料太陽能平板集熱器如圖1所示.

圖1 塑料集熱器結(jié)構(gòu)簡圖

集熱器主要由4部分組成：(1) 玻璃蓋板，采用的是4.0 mm布紋鋼化玻璃，表面平滑光亮，無破損，無明顯劃傷、氣泡、皺紋,透光率大于91.6%.(2) 集熱板板芯，選用PE-RT地暖管材和MPP地暖板，組成管板復(fù)合結(jié)構(gòu)的集熱器板芯.PE-RT地暖管材作為集熱器水流通道，MPP地暖板作為吸熱板.(3) 殼體，材料為普通鋁合金，利用鋁的優(yōu)良塑性按結(jié)構(gòu)要求擠壓出型材，經(jīng)過拼插、黏合、鉚接等簡單工序制作而成.(4) 保溫層，底部為純鋁箔的超細(xì)保溫棉，厚度為30 mm,密度為32 kg/m3，側(cè)部為聚氨酯鋁箔，密度為48 kg/m3.

2 塑料太陽能平板集熱器的試驗

搭建試驗平臺，對塑料太陽能平板集熱器進行實驗測試.

如圖2所示，測試系統(tǒng)主要由塑料平板集熱器、水箱、管道、水泵、輻射采集儀以及16通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.集熱器安裝在臺架上，測試地點為廣東佛山，傾斜角為30°，集熱器采光面積為1.8 m2.集熱水箱的容積為140 L，集熱器的進、出口溫度采用1級Pt100鉑電阻溫度計測量，并做保溫處理且集熱器按定流量運行.

圖2 集熱器測試系統(tǒng)圖

夏季，對該集熱器進行了3種不同條件的測試:2013年07月11日，設(shè)定泵運行時間為3 min，間隔時間為10 min;2013年07月12日，設(shè)定泵運行時間為3 min，間隔時間為5 min;2013年07月13日，設(shè)定泵運行時間為5 min，間隔時間為5 min.分別對水箱、集熱板以及環(huán)境溫度進行測量，其中水箱及集熱板的熱電偶分別布置在各自的上、中、下位置，簡稱為集上、集中、集下、箱上、箱中、箱底.圖3為水箱和集熱板溫度及輻射強度隨時間的變化關(guān)系曲線.

圖3 水箱和集熱板溫度及輻射強度隨時間的變化關(guān)系曲線

由圖3(a)可知，水箱的初始溫度為28.7 ℃，隨著太陽輻射強度的增強，集熱板溫度和水箱溫度逐漸上升，當(dāng)14∶00～15∶00時，太陽輻射強度逐漸減弱，此時集熱板溫度也隨之下降，而水箱溫度上升趨勢變慢，溫度逐漸趨于穩(wěn)定，最終水箱溫度為48.1 ℃.由圖3(b)可知，水箱的初始溫度為32.7 ℃，當(dāng)日太陽輻射比較穩(wěn)定，平均輻射強度為600 W/m2，水箱沒有分層現(xiàn)象，最終水箱的溫度為50.2 ℃.由圖3(c)可知，水箱的初始溫度為30.1 ℃，由于太陽輻射強度不穩(wěn)定，集熱板上部溫度出現(xiàn)波峰和波谷，水箱上部溫度上升幅度較慢，當(dāng)14∶00之后，太陽輻射逐漸下降，最終水箱的溫度為45.8 ℃.

從圖3(a)、(b)、(c)的曲線圖可知，因為有泵的運行，水箱內(nèi)部的水進行上下流動，水箱沒有分層現(xiàn)象，但泵的運行時間和間隔時間，對水箱溫度變化影響不大,而太陽輻射強度才是水箱溫度變化的主要影響因素.

3 塑料太陽能平板集熱器性能分析

以載熱流體的進口溫度表示的平板太陽能集熱器熱平衡方程為

Qu=AaFR[I(τα)e-UL(Ti-Ta),

(1)

式中,Qu為集熱器有用功率，W；Aa為集熱器采光面積，m2；FR為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子；I為采光面太陽輻射強度，W/m2；(τα)e為有效透過吸收率；UL為集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·K)；Ti為載熱流體進口溫度,℃；Ta為環(huán)境溫度，℃.

瞬時集熱效率為集熱器有用功率與集熱器采光面積接受的太陽輻照度之比：

(2)

(3)

式中，η為集熱器瞬時效率；ηo-Ti=Ta時的效率；T*為歸一化溫差，(K·m2)/W;U為以T*為參考的集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·K).

利用7月11日測得的溫度和輻射強度參數(shù)，結(jié)合式(1)、(2)、(3)計算出集熱器瞬時效率離散點的值，擬合集熱器瞬時效率曲線，如圖4所示.

擬合得到的集熱器瞬時效率方程為

η=0.57-17.01(Ti-Ta)/I.

從該瞬時效率方程及圖4特征曲線可以看出，集熱器的瞬時最大效率為0.57，集熱器熱損失系數(shù)為17.01W/(m2·K).瞬時效率離散點主要集中在橫坐標(biāo)0.002～0.020的范圍，這是由于集熱器進口溫度和環(huán)境溫度溫差在2～18 ℃之間，并且在13∶30時，集熱器進出口水溫相同，水箱溫度不再上升，此時(Ti-Ta)/I=0.035，瞬時效率為0.

為了綜合評價集熱器的性能，選取5 d實驗測試獲得的集熱器水箱水溫和累積輻射量數(shù)據(jù)，計算集熱器的日平均效率.測試時間為10∶30～15∶30.

圖4 集熱器瞬時效率曲線

集熱器的日平均效率計算公式為

式中，V為水箱體積，m3；te為實驗開始時水箱溫度，℃；ts為實驗終止時水箱內(nèi)溫度，℃；Aα為集熱器采光面積，；H為累計的輻射強度，MJ/m2;ρ為水的密度，kg/m3；cp為水的比熱容，J/(kg·K).

由圖5可知，7月12日的平均效率為55%，7月14日的平均效率為51%，而當(dāng)天的日平均輻射強度分別為600W/m2、390W/m2，可見，集熱器的日平均效率主要受太陽輻射強度的影響.

圖5 集熱器日平均效率

4 結(jié)果討論

在間歇性強制循環(huán)條件下，對塑料太陽能平板集熱器進行試驗測試，得到以下結(jié)論：

(1) 揭示了塑料平板太陽能集熱器水箱水溫和集熱板溫度以及太陽輻射強度隨時間變化的關(guān)系,即集熱板溫度與太陽輻射強度變化一致，水箱溫度滯后于集熱板溫度變化，水箱溫度為45.8～50.2℃.

(2) 分析了塑料平板太陽能集熱器的瞬時效率，即在該種集熱器的試驗工況下，得到歸一化溫度曲線，為以后該種集熱器集熱性能評價提供參考.

(3) 雖然塑料平板太陽能集熱器水箱溫度低于60 ℃，但該集熱器日平均效率為52%～55%,而且在間歇運行工況下水箱溫度并沒有明顯的分層現(xiàn)象，能夠到達普通平板集熱器的要求.

[1] 劉仙仙.太陽能平板集熱器集熱性能實驗研究與模擬分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,2012.

[2] 高騰.平板太陽能集熱器的傳熱分析及設(shè)計優(yōu)化[D].天津:天津大學(xué)機械工程學(xué)院,2011.

[3] Kundu B.Analytic method for thermal performance and optimization of an absorber plate fin having variable thermal conductivity and overall loss coefficient[J].Applied Energy,2010,87(7):2243-2255.

[4] 涂頡,趙鎮(zhèn)南.平板集熱器熱性能的試驗研究[J].太陽能學(xué)報,1983,4(1):87-98.

Tu J, Zhao Z N.Experimental study of flat-plate collectorthermal performance[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,1983,4(1):87-98.

[5] 徐益峰,王興安.平板太陽能集熱器熱性能的非穩(wěn)態(tài)測試方法[J].太陽能學(xué)報,1986,7(4):430-436.

Xu Y F,Wang X A.Test methods of flat solar collector transient thermal performance[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,1986,7(4):430-436.

[6] Janjai S, Esper A.Modelling the performance of a large area plastic solar collector[J].Renewable Energy ,2000,21:363-367.

[7] Rommel M,Graf W,Wellens C.Corrosion-free collectors with Selectively coated plastic absorbers[J].Desalination,1997,109(2):149-155.

[8] Martinopoulos G,Missirlis D,Tsilingiridis G,et al.CFD model-ing of a polymer solar collector[J].Renewable Eenergy,2010,35(7):1499-1508.

[9] Jannot Y,Coulibaly Y. Radiative heat transfer in a solar air heater covered with a plastic film[J].Solar Energy,1997,60(1):35-40.

[10] Siqueira D A.Analysis and performance of a low-cost solar heater[J]. Renewable Energy,2011,36(9):2538-2546.

[11] Njomo D. Techno-economic analysis of a plastic cover solar air heater[J].Energy Conversion and Management,1995,36(10):1023-1029.

[12] Tsilingiris P T．Towards making solar water heating technology feasible the polymer solar collector approach[J].Energy Conversion and Management,1999,40(12):1237-1250.

[13] Tsilingiris P T．Heat transfer analysis of low thermal conductivity Solar energy absorbers[J].Applied Thermal Engineering,2000,20(14)：1297-1314.

[14] Tsilingiris P T．Back absorbing parallel plate polymer absorbers in solar collector design[J]．Energy Conversion and Management, 2002,43(1)：135-150.

[15] Kundu B.Analytic method for thermal performance and optimization of an absorber plate fin having variable thermal conductivity and loss coefficient[J].Applied Energy，2010,87:2243-2255.

The Experimental Study of Plastic Plate Solar Collector

Li Jiu-feng, Chen Guan-sheng, Zhang Guo-qing

(School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

According to the undemanding heating rate of heat-storage solar water heater, a new type of plastic plate solar collector was designed. Under the condition of intermittent forced circulation, test on the performance of this collector was carried out and instantaneous efficiency curves were obtained. As a result, the average daily collector efficiency is 51%～55% and the temperature of tank is 45.8 ～50.2 ℃, which serve as a reference for the application of plastic plate solar collector.

solar energy； plastic； collector； average efficiency

2014- 02- 24

廣東省動力電池及太陽能轉(zhuǎn)換與儲存材料工程技術(shù)研究開發(fā)中心資助項目(2012b070800015)；廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項資助項目(2013J4100010)

李久鋒(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向為太陽能集熱技術(shù).

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.026

TK512+.4

A

1007-7162(2015)03- 0137- 04