文章编号:0254-0096(2001)02-0131-05
李戬洪，江晴
(中国科学院广州能源研究所，广州510070)
摘要：性能良好的太阳能集热器是太阳能空调的关键设备之一。广东省江门市太阳能空调系统采用了一种高效的平板集热器，其主要技术特征是增加了一块聚碳酸脂(PC)透明隔热板。本研究通过对比试验，确定了一种高效平板太阳能集热器的技术方案，并测定了瞬时效率曲线，其热损系数仅为2190W/(m2#e)。 关键词：太阳能；平板集热器；热效率
中图分类号:TK512文献标识码:A
0引言
我国太阳热水器近年来发展迅速，至1998年底，已有近2000万m2的太阳热水器投入使用,1997年全国太仿古建筑
阳热水器的年产量将近350万m2，其中平板型热水器约占45%，真空管热水器约占30%[1]。太阳热水器的应用主要是提供生活热水，但在夏天由于太阳辐射强、气温高，太阳热水器产热水量大、温度高，所产的高温热水往往用不完。这种情况在南方每年大约有6~8个月时间，在北方也有4~6个月。利用这些用不完的热水来实现制冷空调是一个更加理想的方案。
为了证明太阳能空调应用的可行性，我们在广东省江门市建成了我国首座大型实用性太阳能空调系统，并于1998年6月投入运行[2]。该系统以500m2平板太阳能集热器为600m2的办公楼提供空调。江门太阳能空调系统取得成功，不仅证明了利用太阳热水器实现制冷空调的可行性，技术上使普通的太阳热水系统与太阳能空调系统/接轨0，同时还开辟了太阳热水器一个更新、更广的应用领域。
性能良好的太阳能集热器是太阳能空调的关键技术设备之一。目前成熟的太阳能集热器主要有平板集热器、全玻璃真空管集热器和热管式真空管集热器。平板集热器以其简单价廉和安装方便在全世界都获得广泛的应用，在我国南方也占主导地位。但平板集热器在高温段热效率偏低，表面热损大，用于太阳能空调还不够理想。为此，我们研究、设计了一种高效平板集热器方案，成本只比普通的平板集热器略高一点，把它应用到江门太阳能空调系统中。结果证明，这种高效的平板集热器完全能满足太阳能制冷空调的要求。
1高效平板集热器技术方案
提高平板集热器效率一方面要减小热损，另一方面要增加得热。平板集热器热损的主要因素包括表面对流和辐射热损、
底部和周边的热损。
图1高效平板集热器剖面示意图
Fig.1The profile of the efficient flat plate collector
普通平板集热器由玻璃盖板、吸热板芯、铝合金边框、泡沫板(或岩棉)保温层等组成。改进的高效平板集热器采取了一些技术措施，由低铁玻璃盖板、聚碳酸脂(PC)透明隔热板、阳极化选择性涂层铜铝复合板芯、铝合金边框、泡沫板+铝箔玻璃棉加厚保温层组成(如图1所示)。集热器与吸热板芯的尺寸
按标准制造(GB6424-86)[3]。聚碳酸脂透明隔热板
第22卷第2期2001年4月太阳能学报
ACTA ENER GIAE SOLARIS SINICA
Vol122,No12
Apr1,2001
X收稿日期:2000-05-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目
覆盖在集热板上，距离仅约10mm，透明隔热板还带有间距为10mm的小肋片，形成了许多小空间，通过抑制空气自然对流从而减小表面的热损失。底部保温层厚度约50mm，也比普通的平板集热器厚一些。111聚碳酸脂(PC)透明盖板
平板集热器热损的主要部分是表面对流热损。我们在吸热板芯和玻璃盖板之间，增加一块聚碳酸脂(PC)透明盖板，透明盖板与吸热板的距离仅约10mm，透明隔热板还带有间距10mm的小肋片(见图1)，
形成了许多小空间，用以抑制空气自然对流。PC板为市售进口的双层10mm结构，把它剖开成两张，单层的透射比为019左右。该材料能耐较高温度(变形温度130e)、耐老化(在日光下8年)，在玻璃板下更没有问题。试验证明，这一措施对提高平板集热器效率起了关键性作用。
电梯轿厢空调112低铁白板玻璃盖板
市场上的普通平板玻璃含铁量一般较高，透过率只有0175~0178，远低于发达国家的水平，从而限制了太阳热水器的效率。经过调查，决定采用深圳一家玻璃厂的产品，该厂的1000@2000@4mm的低铁浮法平板玻璃透过率为0184~0186(厂家提供资料)。
113阳极氧化选择性涂层铜铝复合板芯
平板集热器工作在较高温度时辐射热损显著增大。采用选择性涂层可以有效地减小辐射热损，提高效率。相对来说，阳极氧化着膜比选择性涂料具有更好的选择性和可靠性，在随后的空晒实验中证实了这一点。
高压硅堆
114泡沫板和玻璃棉双保温层
普通的平板集热器一般在底部采用约30mm的单层岩棉(玻璃棉)或20mm泡沫板加少许玻璃棉作为保温层。在工作温度较高时，用手能明显感觉到集热器底部发热。我们在泡沫板与集热板之间加上一层厚
20mm的铝箔玻璃棉，有效地减小了底部的热损。
2集热器空晒对比实验
为了确定高效平板集热器方案，比较几种技术措施、特别是增加聚碳酸脂透明隔热板对集热器性能的影响，我们首先进行空晒对比实验。空晒极端温度的高低能定性地反映集热器的高温段热性能和效率曲线的斜率。总共做了5种集热器进行试验(见表1)，分别是:/Ñ型0普通的选择性涂料铜铝复合板集热器;/Ò型0是在Ñ型的基础上加厚底部保温层，比较加厚底部保温层的作用;/Ó型0是在Ò型的基础上加一块聚碳酸脂(PC)透明隔热板;/Ô型0和/Õ型0则分别把Ò和Ó的涂料吸热板芯换成阳极氧化着膜板芯。
表1集热器类型
T able1The collector variety
集热器吸热板芯类型吸热涂层盖板底部保温材料Ñ铜铝复合选择性涂料平板玻璃泡沫板
Ò铜铝复合选择性涂料平板玻璃泡沫板+玻璃棉Ó铜铝复合选择性涂料平板玻璃+PC板泡沫板+玻璃棉Ô铜铝复合阳极化着平板玻璃泡沫板+玻璃棉Õ铜铝复合阳极化着平板玻璃+PC板泡沫板+玻璃棉
211集热器Ñ、Ò和Ó空晒对比试验
1996年12月11日，进行了第一次空晒对比实验，比较集热器Ñ、Ò和Ó三种类型集热器性能。当日以晴天为主，间或少云。对比试验是在同样的条件下进行的，因此太阳辐射量的大小并不重要。试验结果见图2。
1996年12月12日天气晴好，继续前一天的实验，比较集热器Ñ、Ò和Ó三种类型集热器性能。结果如图3。
从两天的试验结果可以看出，平板集热器加厚底部保温层(Ò型)比普通的/Ñ型0空晒温度要高5 ~10e；而在Ò型的基础上，再加一片聚碳酸脂(PC)透明隔热板，形成Ó型，其最高空晒温度比Ò型又提高25~28e，比Ñ型高出30~33e。可见增加聚碳酸脂(PC)透明隔热板对提高平板集热器的效率有显著作用。
132太阳能学报22卷
图2 集热器Ñ、Ò和Ó空晒对比试验结果Fig.2 Test resul ts of the stagnation temperature of the collector Ñ、Òand
Ó
图3 集热器Ñ、Ò和Ó第二次空晒对比试验结果Fig.3 Test resul ts of the stagnation temperature of the collector Ñ、Òand Óon the other day
为了比较选择性涂料与阳极化着膜在高温段的工作性能，我们组装了/Ô型0集热器，即加厚保温层，但采用阳极化着铜铝复合板芯与Ò型比较。同时又与虽采用选择性涂料板芯，但加了聚碳酸脂(PC)透明隔热板的Ó
型比较。
图4 集热器Ò、Ó、Ô空晒对比试验结果Fig.4 Test resul ts of the stagnation temperature of the collector Ò、Óand Ô
1996年12月20日，天气较好，对比试验结果如
图4所示。
从图4可以看出阳极氧化着板芯(Ô型)比选择性涂料板芯(Ò型)的空晒温度要高出许多，在中
午附近要高20~25e ，说明阳极氧化着板芯(Ô型)比选择性涂料板芯(Ò型)在高温段有明显的优势。但加上一片透明PC 盖板的Ó型又比Ô型要好一些，在中午附近高出3~5e ，可见聚碳酸脂(PC)透明隔热板的作用非常显著，说明对流热损的影响比辐射热损大。
Ô型集热器加一片聚碳酸脂(PC)透明隔热板
定为Õ型。Õ型再与Ò型和Ó型集热器比较，试验结果见图5和图
6:
图5 集热器Ò、Ó、Õ空晒对比试验结果Fig.5 Test results of the stagnation temperature of the collector Ò、Óand
Õ
图6 集热器Ò、Ó、Õ第二次空晒对比试验结果Fig.6 Test results of the stagnation temperature of the collector Ò、Óand Õon the other day
从图5和图6可以看出,Õ型集热器比Ó型集热器空晒最高温度又提高了4~8e 。至此，空晒对比实验可以总结如下:
加厚底部保温层结构可提高空晒温度(下同)5~10e ；阳极化着选择性涂层吸热板芯(Ô型)比普通选择性涂料板芯(Ò型)高20~25e ；但后者增加一块透明盖板(Ó型)却反比前者(Ô型)高3~
133
2期李戬洪等：一种高效平板太阳能集热器试验研究
5e ；若都增加一块透明盖板，则Õ型比Ó型只高4~8e ，而采取了所有措施的Õ型比普通的Ñ型约高40e 。
3 高效平板集热器瞬时效率测试
为了对该种平板集热器的热效率有一个定量的了解，我们在标准测试台上按国标GB4271-84[4]
测定了Õ型太阳能集热器的瞬时效率曲线。测试时间是1999年12月21日10:30~14:00。当日寒流刚过，晴空无云，风速偏大。测试结果列于表2。
表2 集热器(Õ型)瞬时效率曲线测试数据T able 2The tested data of curve of the collector Õ
ins tan taneous efficiency
浆浆在线序号T a /e T in /e T ou t /e I /W #m -2G f
/kg #h -
1
G
(T in -T a )/I @103
e m 2/W @103
181814171813725132101801607811352817141718137241321310016158128438171417181372419209160160481277481714181814724132101001606814225818
1418
18147161921111016158136961010251428197341620916015802019647101025142910735152091301595201938810112514291073812210190159720172691011251429107371920817015912017351010112515291173614210190159920191311101435153819740111981501529331914121013351538197391520814015563410771310143515381973910208170155733196514101435163819740192071001535341013151014351538197411621112015623318461611134512481474019207180152145175517111345124814739142081801525451848181113451248147401921019015294517551911144513481473911207130150545186720111445134814742152081801506451657211212541757147061820617014586011302212125417571471118196110143259170823121254175715710182101201481591792241212541757147101520812014595918172512125417
5714
71014
2101201464
591825
表2中:T a )))环境温度,e ;T in )))集热器进口水温度,e ;T out )))集热器出口水温度,e ;I )))太阳辐射强度,W/m 2
;G f )))集热器进出口质量流量,
kg/h;G )))集热器的瞬时效率。
足球缝制
拟合的效率曲线如图7所示。
图7 带透明PC 板集热器瞬时效率曲线Fi g.7 T he efficient curve of the collector
拟合的瞬时效率方程如下:
G =01645-2190(T in -T a )/I
(1)
该效率方程的截距为01645，热损系数是2190W/(m 2
#e )。可以看出，虽然集热器加了一层
透明PC 盖板，但对截距的影响不大(玻璃盖板用的是普通玻璃，透过率只有0178左右)，而热损系数却减小了一半左右(普通平板集热器的热损系数在6W/(m 2
e )左右)!大大提高了平板集热器在70e 时的运行效率。
还要指出，被测试集热器(Õ型)的玻璃盖板用的是普通玻璃，透过率只有0178左右，而江门太阳能空调系统集热器同样是Õ型，但所用的玻璃是低铁浮法玻璃，透过率达0184~0186。换言之，江门太阳能空调系统所用集热器的瞬时效率方程截距应可达到0170左右。
按式(1)，若设:T in =70e ,T a =30e ,I =800W/m 2，则:G U 0150。(江门市太阳能空调系统集热器的效率还更高一些)。
该集热器热效率不但比普通平板集热器高得多，而且比带漫反射衬板的真空管集热器还高。根据文献[5]，带漫反射衬板、具有黑镍选择性吸收表面、集热管中心距为2倍外管直径的真空管集热器的瞬时效率方程为
G =0156-1197(T i n -T a )/I网络聊天系统
(2)
同样地把T in =70e ,T a =30e ,I =800W/m 2代入方程(2)，得到G U 0146，比带透明PC 板平板集热器还低4个百分点。
4 结 论
为提高平板太阳能集热器效率所采取的技术措施)))增加一块聚碳酸脂(PC)透明盖板、阳极化着
134 太 阳 能 学 报 22卷
选择性涂层的吸热板芯、加厚保温层结构、以及采用低铁玻璃盖板，证明是非常有效的。其中聚碳酸脂透明盖板起了关键性作用。
空晒温度对比试验可以定性地反映集热器的热性能，试验结果表明：加厚底部保温层结构可提高空晒温度(下同)5~10e ；阳极化着选择性涂层吸热板芯(Ô型)比普通选择性涂料板芯(Ò型)高20~25e ；但后者增加一块透明盖板(Ó型)却反比前者(Ô型)高3~5e ；若都增加一块透明盖板，则Õ型比Ó型只高4~8e ，而采取了所有措施的Õ型比普通的Ñ型约高40e 。
改进后的高效平板集热器热损系数仅为
2190W/(m 2#e )，而且简单价廉，非常适合太阳能空调系统和一般的热水系统使用。
[参考文献]
[1] 陆维德.太阳能集热器与太阳能热水器/系统.太阳能
学报,1999，特刊:15)211
[2] 李戬洪，马伟斌，江 晴.100kW 太阳能制冷空调系统.
太阳能学报,1999,20(3):239)2431
[3] GB6424-86，平板型太阳能集热器产品的技术条件.[4] GB4271-84，平板太阳能集热器性能测试办法.
[5] 殷志强.八十年代我国的选择性吸收表面与真空管太
阳能集热器.中国太阳能热利用进展.北京:1991,358)363.
EXPERIMENTAL RESEARCH ON A HIGH EFFICIENT
FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR
Li Jianhong,Jiang Qing
(Guangzhou Institu te of Energy Conversion,C AS,Guang z hou 510070,China)
Abstract:Good performance of the solar collectors is one of the important ele ments for solar air -conditioning syste m.A novel type of high efficient flat plate solar collec tor was applied to the solar air -condition system in Jiangmen,Guangdong Province.Tests show that adding a transparent polyca
rbonate sheet in gap between glazing and absorber of the c ollector.The coefficient of the thermal loss is reduced to 2.90W/(m 2e )and the performance of the collector is improved.Keywords:solar energy;flat plate solar collec tor;efficiency
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2期李戬洪等：一种高效平板太阳能集热器试验研究
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