Experimental analysis of the photo thermal conversion efficiency with a solar collector in cold area by menez

Development of Energy Science May 2014, Volume 2, Issue 2, PP.8-14

Experimental Analysis of the Photo-thermal Conversion Efficiency with a Solar Collector in Cold Area Xiaoyan Liu 1,2, Jing Huang 1#, Yongying Jia 1, Chuan Ma1 1. College of Civil and Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China 2. The Higher Educational Key Laboratory for Disaster Prevention, Mitigation and Protection Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China #

Email: 776243328@qq.com

Abstract The most important indicator to evaluate the merits of a solar collector is the thermal efficiency, which is an effective way to use of solar energy and achieve building energy saving if it has accurate data. This paper tested the thermal efficiency of solar collector，to measure and calculate the efficiency of two types of collector’s tank temperature changes under sunny conditions at different times throughout the day,

then plotting the efficiency curves，analyzing the application of the two types of collector in severe cold area. The

results showed that the heat-collecting capacity in unit-time of evacuate tube collector is 808.13W, the average of heat collecting efficiency is 36.71%; And flat plate solar collector is 496.94 W, the average of heat collecting efficiency is only 19.84%. These results can be explained that the research of evacuate tube collector is the focus for the severe cold area to use of solar energy technology. Keywords: Solar Energy; Collector; Experiment; Heat Collecting Efficiency

严寒地区太阳能集热器效率对比测试分析刘晓燕 1，2，黄靖 1，贾永英 1，马川 1 1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318 2.东北石油大学防灾减灾及防护工程黑龙江省高校重点实验室，黑龙江大庆 163318 摘

要：评价一台太阳能集热器性能优劣的最重要指标是集热器的热效率。对集热器效率的准确测定是有效利用太阳能、实

现建筑节能的有效途径。通过对比实验，对应用于严寒地区的两种集热器的蓄热效率进行测试，对两种集热器在冬季最冷月晴天条件下全天不同时刻水箱温度变化情况进行测定并计算，根据计算结果分别绘制出蓄热效率曲线，分析两种集热器在严寒地区的适用情况。结果显示，真空管集热器单位时间集热量为808.13W，平均集热效率为36.71%；平板集热器单位时间集热量为496.94W，平均效率仅为19.84%。以上结果可以说明，对真空管集热器的研究是严寒地区发展利用太阳能技术的重点。关键词：太阳能；集热器；实验；集热效率

引言近年来，随着世界各国对化石燃料的大规模使用，导致全球范围内气候变化，自然灾害频发，使人类的生存环境遭到巨大的威胁，在这种形势下，太阳能等可再生能源将成为开发利用的主体[1]。太阳能以其资源丰富，能量巨大，清洁无污染几个明显的优势将被大规模使用，而集热器作为太阳能热利用的核心部件，是开发利用太阳 -8http://www.ivypub.org/des

能的关键环节。发展到今天，太阳能集热器的种类大致分为太阳能平板集热器、真空管太阳能集热器以及热管式真空管集热器[2]。我国南方地区全年室外平均温度高，太阳辐射强度大，基于此平板集热器以其结构简单，价格低廉，安装方便美观等优点成为安装应用的首选，而北方尤其是严寒地区，由于冬季室外温度较低，积雪较大，对集热器的选择条件相对苛刻，适用范围有较大限制。在对太阳能集热器的研究中，近些年，国内外各学者主要从集热器各组成结构对效率的影响这一角度进行深入分析。郑振宏[3]及A.H.Abudllha[4]通过采用在平板集热器盖板与吸热板中间加膜方法进行实验研究，结果显示，可以实现对集热器效率的提高；马进伟[5]及汪艳伟[6]通过在集热器中添加选择性涂层以提高集热器的光吸收率，进而提高集热效率；安玉娇[7]在U型真空管内部添加波浪式铝翼，提高了集热器的集热效率。从以上的研究中可以发现，提高集热器的效率可以有效地实现太阳能的光热转化，最大限度的利用太阳能，而在对集热效率的研究中一个不能忽略的关键环节是对集热效率的准确测定，测试结果的可信度对于集热器成本，适用性等具有重要意义。本文基于严寒地区气候特点，结合国内外对太阳能集热器的研究现状，以太阳能平板集热器和真空玻璃管集热器为样本进行测试，通过现场实验，以实测数据为蓝本，通过对比分析，计算两种集热器在冬季最冷月晴天条件下的蓄热效率，同时绘制蓄热效率曲线，优选出更为合适的集热器类型，为严寒地区发展太阳能技术提供借鉴和参考。

1 太阳能集热器蓄热效率的计算模型集热效率是衡量集热器性能的重要指标。美国ASHREA标准规定：评价太阳能集热器最常用的方法是对集热器热工特性进行测试，而集热器的瞬时效率是集热器热工特性的决定性因素。本文通过实际调研，结合国内外文献资料，综合考虑多方面因素，通过测试集热器在自然循环条件下的集热性能，通过蓄热水箱温度变化对集热器进行效率测试，计算出蓄热量和蓄热效率，这种方法可以较为准确的实现对集热器有用能和瞬时效率的计算。

1.1 蓄热水箱容积计算在对蓄热效率的测试中，蓄热水箱尺寸的合理选择是其中的关键步骤。水箱容积的大小与水箱蓄热材料有着密切的关系，由图1可以发现，当热存储量超过200 kJ/(m3•℃)时，太阳能的吸收量与蓄热介质的质量变化关系很小，可以忽略，因此可以近似确定存储装置的选择标准为：

ms C ps Ac

 200 ~ 300 kJ/(m3•℃)

(1)

由太阳能供暖的供暖负荷百分比

100

蓄热介质质量为零时 (即太阳能要求的系统) 由太阳能供热部分

100

200

300

400

热贮存容量，KJ/( m3·℃)

图1 改变热贮存能量对由太阳能供暖的供暖负荷百分比的影响 (供暖负荷和集热面积保持不变) -9http://www.ivypub.org/des

[8]

式中， ms ——蓄热介质的质量，kg；

Ac ——集热器的集热面积，m2。根据 (1) 公式可以计算出标准范围内真空管集热器及平板集热器水箱中需要水的质量范围为 132.76.39~213.5kg，根据此数据本实验选用两台容积为200L的蓄热水箱对两种集热器分别进行测试。

1.2 集热器瞬时效率的计算集热器的集热效率是指单位时间内集热器有用能的收益与入射到集热器上的太阳辐射能的比值。集热器的有用能量收益可以表示为水箱蓄热量，用式(2)计算，公式如下[9]：

Qu  M wC p  ti 1  ti 

(2)

式中， Qu ——某段时间内水箱的蓄热量，J； M w ——水箱内的蓄水量，kg； ti 1  ti ——某段时间内水箱温度的变化，K。在实验条件下，从实际角度出发，在稳态运行条件下的集热器水箱系统的平均集热效率的计算公式为[10]：



M wC p  ti 1  ti  Qu   100% Ac I t T Ac I t T

(3)

式中， ——集热效率，%；

I t ——某段时间内的平均太阳辐射强度，W/m2； t t T ——水箱温度从 i 变化到 i 1 的时间间隔，s。对水箱蓄热效率的计算不同于其他瞬时效率，它综合考虑了诸多因素，如平板集热器玻璃的透光率和保温性能、吸热板，真空玻璃管表面对光的吸收率和反射率、集热器的工作温度、水箱散热情况等等，可以较为准确的测得两种集热器的集热效率。

2 两种集热器热性能实验 2.1 实验仪器本实验有很多需要测量的参数，如温度、风速、太阳辐射强度等等，而仪表的选择对实验结果具有大的影响，因此需要综合考虑多方面因素，选择合适的测量仪表。实验所有测试仪器在测试前均进行精确校核，为了消除测量误差，每次测量均进行三次重复测试，结果取平均值，每次测试过程均保持在三分钟，使系统处于稳态。 1、水箱温度的测试温度是表征物体冷热程度的物理量，物理学上常用摄氏温标和热力学温标作为衡量温度的标准。在实际测量中，温度的测量有多种方法，根据其使用方法，通常分为接触法（热膨胀式温度计、热电阻、热电偶等）和非接触法（光学法、辐射法、比色温度计法）。本实验选用日本ANRITSU生产的HA-250E型温度测试仪。测量精度为 ±0.1℃。 2、环境温度环境温度的测量对集热器的效率计算具有重要的意义，为此，采用套筒结构，减小温度计与环境间的辐射换热。测量精度可达±0.1℃。 3、太阳辐射强度太阳辐射强度的测量采用TES-1333R型太阳能表，测量时其受光面与集热器采光面平行，记录不同时刻的太阳辐射强度，测试数据为太阳总辐射强度[11-13]。测量精度为±10 W/m2。 - 10 http://www.ivypub.org/des

4、环境风速环境风速采用QDF型热球式风速仪，测量风速范围:0.05~30m/s。测速探头的反应时间不大于1~3s，测量误差为±5%（满量程）。

2.2 实验设备基本参数实验以同一厂家生产的两种集热器为样本进行测试，基本规格如下： 1、真空管集热器每组真空管有32根玻璃管组成，每根玻璃管外径47mm，管长1500mm，每根管的集热面积为0.093m2，总集热面积为2.976m2。 2、平板集热器为了使测量结果更加准确，需要保证与真空管集热器具有相近的集热面积，实验采用一组1500mm×2000mm 的平板集热器，其有效集热面积为2.775m2。

2.3 测试结果依据国标GB4271-84，测定了平板集热器和真空管太阳能集热器在晴天条件下的蓄热效率，计算出平均效率，同时绘制蓄热效率曲线。测试时间是2014年1月9~12日10：00~15：00，测试结果取平均值。分别测定两种集热器的效率，测试条件下天气均晴朗无云，风速较小。其中，10:00为测试的初始时刻，测得的数据作为初始数据，按照国际惯例，每15分钟进行一次测试，记录相应数据。最后由公式2计算出不同时刻的集热量。测试结果列于下表1.2。表1 真空管集热器效率测试结果测试时间

风速 m/s

环境温度 ℃

水箱温度 ℃

太阳辐射 W/m2