高效太陽能集熱器的應(yīng)用

高效太陽能集熱器的應(yīng)用

0太陽能空調(diào)在中國的應(yīng)用近年來，中國的太陽能加熱迅速發(fā)展。到1998年底，已經(jīng)使用了近2000萬米的太陽能加熱。1997年，中國的太陽加熱年產(chǎn)量接近350萬輛，包括45%的平板熱和30%的真空管熱。太陽熱水器的應(yīng)用主要是提供生活熱水,但在夏天由于太陽輻射強、氣溫高,太陽熱水器產(chǎn)熱水量大、溫度高,所產(chǎn)的高溫?zé)崴貌煌?。這種情況在南方每年大約有6～8個月時間,在北方也有4～6個月。利用這些用不完的熱水來實現(xiàn)制冷空調(diào)是一個更加理想的方案。為了證明太陽能空調(diào)應(yīng)用的可行性,我們在廣東省江門市建成了我國首座大型實用性太陽能空調(diào)系統(tǒng),并于1998年6月投入運行。該系統(tǒng)以500m2平板太陽能集熱器為600m2的辦公樓提供空調(diào)。江門太陽能空調(diào)系統(tǒng)取得成功,不僅證明了利用太陽熱水器實現(xiàn)制冷空調(diào)的可行性,技術(shù)上使普通的太陽熱水系統(tǒng)與太陽能空調(diào)系統(tǒng)“接軌”,同時還開辟了太陽熱水器一個更新、更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。性能良好的太陽能集熱器是太陽能空調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備之一。目前成熟的太陽能集熱器主要有平板集熱器、全玻璃真空管集熱器和熱管式真空管集熱器。平板集熱器以其簡單價廉和安裝方便在全世界都獲得廣泛的應(yīng)用,在我國南方也占主導(dǎo)地位。但平板集熱器在高溫段熱效率偏低,表面熱損大,用于太陽能空調(diào)還不夠理想。為此,我們研究、設(shè)計了一種高效平板集熱器方案,成本只比普通的平板集熱器略高一點,把它應(yīng)用到江門太陽能空調(diào)系統(tǒng)中。結(jié)果證明,這種高效的平板集熱器完全能滿足太陽能制冷空調(diào)的要求。1高效平板集熱器提高平板集熱器效率一方面要減小熱損,另一方面要增加得熱。平板集熱器熱損的主要因素包括表面對流和輻射熱損、底部和周邊的熱損。普通平板集熱器由玻璃蓋板、吸熱板芯、鋁合金邊框、泡沫板(或巖棉)保溫層等組成。改進的高效平板集熱器采取了一些技術(shù)措施,由低鐵玻璃蓋板、聚碳酸脂(PC)透明隔熱板、陽極化選擇性涂層銅鋁復(fù)合板芯、鋁合金邊框、泡沫板+鋁箔玻璃棉加厚保溫層組成(如圖1所示)。集熱器與吸熱板芯的尺寸按標(biāo)準制造(GB6424-86)。聚碳酸脂透明隔熱板覆蓋在集熱板上,距離僅約10mm,透明隔熱板還帶有間距為10mm的小肋片,形成了許多小空間,通過抑制空氣自然對流從而減小表面的熱損失。底部保溫層厚度約50mm,也比普通的平板集熱器厚一些。1.1pc板材料特點平板集熱器熱損的主要部分是表面對流熱損。我們在吸熱板芯和玻璃蓋板之間,增加一塊聚碳酸脂(PC)透明蓋板,透明蓋板與吸熱板的距離僅約10mm,透明隔熱板還帶有間距10mm的小肋片(見圖1),形成了許多小空間,用以抑制空氣自然對流。PC板為市售進口的雙層10mm結(jié)構(gòu),把它剖開成兩張,單層的透射比為0.9左右。該材料能耐較高溫度(變形溫度130℃)、耐老化(在日光下8年),在玻璃板下更沒有問題。試驗證明,這一措施對提高平板集熱器效率起了關(guān)鍵性作用。1.2太陽熱水的效率市場上的普通平板玻璃含鐵量一般較高,透過率只有0.75～0.78,遠低于發(fā)達國家的水平,從而限制了太陽熱水器的效率。經(jīng)過調(diào)查,決定采用深圳一家玻璃廠的產(chǎn)品,該廠的1000×2000×4mm的低鐵浮法平板玻璃透過率為0.84～0.86(廠家提供資料)。1.3選擇性涂層/熱壓涂層平板集熱器工作在較高溫度時輻射熱損顯著增大。采用選擇性涂層可以有效地減小輻射熱損,提高效率。相對來說,陽極氧化著色膜比選擇性涂料具有更好的選擇性和可靠性,在隨后的空曬實驗中證實了這一點。1.4保溫層和保溫層普通的平板集熱器一般在底部采用約30mm的單層巖棉(玻璃棉)或20mm泡沫板加少許玻璃棉作為保溫層。在工作溫度較高時,用手能明顯感覺到集熱器底部發(fā)熱。我們在泡沫板與集熱板之間加上一層厚20mm的鋁箔玻璃棉,有效地減小了底部的熱損。2集熱器試驗結(jié)果為了確定高效平板集熱器方案,比較幾種技術(shù)措施、特別是增加聚碳酸脂透明隔熱板對集熱器性能的影響,我們首先進行空曬對比實驗?？諘駱O端溫度的高低能定性地反映集熱器的高溫段熱性能和效率曲線的斜率。總共做了5種集熱器進行試驗(見表1),分別是:“Ⅰ型”普通的選擇性涂料銅鋁復(fù)合板集熱器;“Ⅱ型”是在Ⅰ型的基礎(chǔ)上加厚底部保溫層,比較加厚底部保溫層的作用;“Ⅲ型”是在Ⅱ型的基礎(chǔ)上加一塊聚碳酸脂(PC)透明隔熱板;“Ⅳ型”和“Ⅴ型”則分別把Ⅱ和Ⅲ的涂料吸熱板芯換成陽極氧化著色膜板芯。2.1型集熱器的工作性能1996年12月11日,進行了第一次空曬對比實驗,比較集熱器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種類型集熱器性能。當(dāng)日以晴天為主,間或少云。對比試驗是在同樣的條件下進行的,因此太陽輻射量的大小并不重要。試驗結(jié)果見圖2。1996年12月12日天氣晴好,繼續(xù)前一天的實驗,比較集熱器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種類型集熱器性能。結(jié)果如圖3。從兩天的試驗結(jié)果可以看出,平板集熱器加厚底部保溫層(Ⅱ型)比普通的“Ⅰ型”空曬溫度要高5～10℃;而在Ⅱ型的基礎(chǔ)上,再加一片聚碳酸脂(PC)透明隔熱板,形成Ⅲ型,其最高空曬溫度比Ⅱ型又提高25～28℃,比Ⅰ型高出30～33℃?？梢娫黾泳厶妓嶂?PC)透明隔熱板對提高平板集熱器的效率有顯著作用。為了比較選擇性涂料與陽極化著色膜在高溫段的工作性能,我們組裝了“Ⅳ型”集熱器,即加厚保溫層,但采用陽極化著色銅鋁復(fù)合板芯與Ⅱ型比較。同時又與雖采用選擇性涂料板芯,但加了聚碳酸脂(PC)透明隔熱板的Ⅲ型比較。1996年12月20日,天氣較好,對比試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出陽極氧化著色板芯(Ⅳ型)比選擇性涂料板芯(Ⅱ型)的空曬溫度要高出許多,在中午附近要高20～25℃,說明陽極氧化著色板芯(Ⅳ型)比選擇性涂料板芯(Ⅱ型)在高溫段有明顯的優(yōu)勢。但加上一片透明PC蓋板的Ⅲ型又比Ⅳ型要好一些,在中午附近高出3～5℃,可見聚碳酸脂(PC)透明隔熱板的作用非常顯著,說明對流熱損的影響比輻射熱損大。Ⅳ型集熱器加一片聚碳酸脂(PC)透明隔熱板定為Ⅴ型。Ⅴ型再與Ⅱ型和Ⅲ型集熱器比較,試驗結(jié)果見圖5和圖6:從圖5和圖6可以看出,Ⅴ型集熱器比Ⅲ型集熱器空曬最高溫度又提高了4～8℃。至此,空曬對比實驗可以總結(jié)如下:加厚底部保溫層結(jié)構(gòu)可提高空曬溫度(下同)5～10℃;陽極化著色選擇性涂層吸熱板芯(Ⅳ型)比普通選擇性涂料板芯(Ⅱ型)高20～25℃;但后者增加一塊透明蓋板(Ⅲ型)卻反比前者(Ⅳ型)高3～5℃;若都增加一塊透明蓋板,則Ⅴ型比Ⅲ型只高4～8℃,而采取了所有措施的Ⅴ型比普通的Ⅰ型約高40℃。3集熱器運行效率分析為了對該種平板集熱器的熱效率有一個定量的了解,我們在標(biāo)準測試臺上按國標(biāo)GB4271-84測定了Ⅴ型太陽能集熱器的瞬時效率曲線。測試時間是1999年12月21日10:30～14:00。當(dāng)日寒流剛過,晴空無云,風(fēng)速偏大。測試結(jié)果列于表2。表2中:Ta——環(huán)境溫度,℃;Tin——集熱器進口水溫度,℃;Tout——集熱器出口水溫度,℃;I——太陽輻射強度,W/m2;Gf——集熱器進出口質(zhì)量流量,kg/h;η——集熱器的瞬時效率。擬合的效率曲線如圖7所示。擬合的瞬時效率方程如下:η=0.645-2.90(Tin-Ta)/I(1)該效率方程的截距為0.645,熱損系數(shù)是2.90W/(m2·℃)?？梢钥闯?雖然集熱器加了一層透明PC蓋板,但對截距的影響不大(玻璃蓋板用的是普通玻璃,透過率只有0.78左右),而熱損系數(shù)卻減小了一半左右(普通平板集熱器的熱損系數(shù)在6W/(m2℃)左右)!大大提高了平板集熱器在70℃時的運行效率。還要指出,被測試集熱器(Ⅴ型)的玻璃蓋板用的是普通玻璃,透過率只有0.78左右,而江門太陽能空調(diào)系統(tǒng)集熱器同樣是Ⅴ型,但所用的玻璃是低鐵浮法玻璃,透過率達0.84～0.86。換言之,江門太陽能空調(diào)系統(tǒng)所用集熱器的瞬時效率方程截距應(yīng)可達到0.70左右。按式(1),若設(shè):Tin=70℃,Ta=30℃,I=800W/m2,則:η≈0.50。(江門市太陽能空調(diào)系統(tǒng)集熱器的效率還更高一些)。該集熱器熱效率不但比普通平板集熱器高得多,而且比帶漫反射襯板的真空管集熱器還高。根據(jù)文獻,帶漫反射襯板、具有黑鎳選擇性吸收表面、集熱管中心距為2倍外管直徑的真空管集熱器的瞬時效率方程為η=0.56-1.97(Tin-Ta)/I(2)同樣地把Tin=70℃,Ta=30℃,I=800W/m2代入方程(2),得到η≈0.46,比帶透明PC板平板集熱器還低4個百分點。4透明立柱及保溫層溫度對集熱器熱性能的影響為提高平板太陽能集熱器效率所采取的技術(shù)措施——增加一塊聚碳酸脂(PC)透明蓋板、陽極化著色選擇性涂層的吸熱板芯、加厚保溫層結(jié)構(gòu)、以及采用低鐵玻璃蓋板,證明是非常有效的。其中聚碳酸脂透明蓋板起了關(guān)鍵性作用?？諘駵囟葘Ρ仍囼灴梢远ㄐ缘胤从臣療崞鞯臒嵝阅?試驗結(jié)果表明:加厚底部保溫層結(jié)構(gòu)可提