曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器的性能对比实验研究

鄢 雨，沈国民*，张 豪，王飞飞，吴祖国

(1. 华中科技大学建筑环境与能源工程系，武汉 430000；2. 武汉博茗低碳产业股份有限公司，武汉 430000)

0 引言

太阳能集热器作为太阳能热水系统的关键部件，包括平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器等多种类型。但传统的平板太阳能集热器占地面积大且集热性能较差，难以应用于高度城市化的地区，如何解决这一问题已成为建筑节能的一个重要课题[1]。

黄俊鹏等[2]梳理了国内外平板太阳能集热器的发展现状，分析得出目前我国市场上平板太阳能集热器在集热效率上仍有很大的提升空间，与国外先进技术存在一定差距的结论。丁海兵等[3]对阳台壁挂式太阳能热水系统中的平板太阳能集热器与南立面墙夹角分别为28°和0°时的集热性能进行了对比实验，结果显示，平板太阳能集热器倾斜安装时的得热量明显高于其以0°安装时。这说明安装角度对平板太阳能集热器的集热效率有很大的影响。

相较于传统的平板太阳能集热器集热性能差的缺点，新型的曲面太阳能集热器的集热性能有大幅提高。为了研究曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器集热性能的差异，本文设计搭建了太阳能集热器实验平台，对这2种尺寸完全一致的太阳能集热器在相同太阳辐照度下以不同角度安装时的集热性能进行了研究，以便为曲面太阳能集热器在我国的推广应用提供依据。

1 曲面太阳能集热器的结构

实验所用曲面太阳能集热器的结构如图1所示。该集热器的吸热板表面是由大圆弧和小圆弧组成的曲面，小圆弧的半径为7 mm、大圆弧的半径为50 mm，2种圆弧的角度均为149°；吸热板表面2个相邻的大圆弧柱面间存在反射，且小圆弧凹槽可以聚集低密度太阳能，进而提高整个集热器的集热性能。

图1 曲面太阳能集热器的结构图Fig. 1 Structure of curved solar collector

2 实验平台的搭建与实验设计

2.1 实验平台的搭建

根据GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》[4]的要求搭建实验平台，如图2所示。整个实验平台由集热器、贮热水箱、一级总日射表、风速仪、环境温度测试仪、温度传感器、数据采集仪及循环管路组成。曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器并排朝向正南放置，以保证在测试期间，2台集热器的表面环境温度、太阳辐射角度、表面风速均相同。

图2 实验平台实物图Fig. 2 Photo of experimental platform

为测试太阳能集热器的集热性能，在集热器进水口、出水口设置温度测点，在贮热水箱上离上部1/3的位置设置温度测点，在吸热板的上、中、下3根换热铜管上设置温度测点，在吸热板背面的上部、下部设置温度测点；利用数据采集仪对所有测点进行实时数据采集，并进行记录。具体如图3所示。

图3 实验平台测试点分布示意图Fig. 3 Schematic diagram of test point distribution of experimental platform

同时，根据GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》的要求，安装数据采集仪、一级总日射表、温度传感器、环境温度测试仪及风速仪，分别用于测量太阳辐照度及周围的环境参数。

表1 主要仪器的参数Table 1 Main instrument parameters

2.2 实验设计

欧洲标准EN 12975-2:2006《太阳热利用系统及部件—— 太阳能集热器：第2部分：测试方法》给出了太阳能集热器测试的2种方法：稳态测试方法和动态测试方法。由于稳态测试方法对于周围环境参数的要求过于严格，因此本实验采取动态测试方法[5]；并通过采集曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器在不同安装角度(60°倾斜安装和90°垂直安装)时的测试数据，分析2种太阳能集热器的集热性能差异。

3 实验过程与结果分析

3.1 60°倾斜安装太阳能集热器

3.1.1 太阳能集热器的进、出水温度测试

为了分析2种太阳能集热器在60°倾斜安装时的集热性能差异，实验选取2019年6月7日与6月24日这2个典型日作为测试日，测试日的气象条件如表2所示。

表2 测试日的气象条件Table 2 Meteorological conditions of test days

为保证测试开始时2种太阳能集热器的进水温度一致，所以6月7日与6月24日的测试时间分别从11:30和10:00开始。

6月7日与6月24日，60°倾斜安装时2种太阳能集热器的进、出水温度变化情况如图4所示。

图4 60°倾斜安装时2种太阳能集热器的进、出水温度及太阳辐照度情况Fig. 4 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 60°

由图4a可知，测试期间，2种太阳能集热器的进水温度不断升高，其中，17:00时曲面太阳能集热器的进水温度达到了39.2 ℃，平板太阳能集热器的进水温度达到了36.8 ℃；曲面太阳能集热器的出水温度均高于平板太阳能集热器的，每个时间点二者的温差基本都维持在3.5 ℃左右。

由图4b可知，测试期间，曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器的进、出水温度变化规律均趋于一致；其中，曲面太阳能集热器的出水温度高于平板太阳能集热器的，二者的温差最大时达到了3.3 ℃；曲面太阳能集热器的进水温度也基本比平板太阳能集热器的高，且二者温差不断增大，在17:30时达到了2.9 ℃。

综上所述，在2天的测试中，2种太阳能集热器的进、出水温度变化规律均相同，且曲面太阳能集热器的进、出水温度均比平板太阳能集热器的高。

3.1.2 太阳能集热器贮热水箱的温度测试

测试6月7日与6月24日，60°倾斜安装时2种太阳能集热器贮热水箱的温度变化，具体情况如图5所示。

图5 60°倾斜安装时2种太阳能集热器贮热水箱的温度情况Fig. 5 Temperature of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 60°

由图5可知，在6月7日，曲面太阳能集热器贮热水箱与平板太阳能集热器贮热水箱的最高温度分别为46 ℃和42.9 ℃。在6月24日，曲面太阳能集热器贮热水箱与平板太阳能集热器贮热水箱的最高温度分别为52.2 ℃和49.5 ℃。

从图中可以看出，在2天的测试中，2种太阳能集热器贮热水箱的温度变化规律一致，且温度均不断升高；测试期间，曲面太阳能集热器贮热水箱的温度比平板太阳能集热器贮热水箱的高。

3.1.3 太阳能集热器的集热效率测试

由于本测试采用动态测试方法，因此，以2种太阳能集热器每小时的集热效率作为评价其集热性能的参数之一。

集热器的集热效率为传热工质从太阳能集热器中获得的能量与同时入射在集热器采光面上的太阳辐射量的比值[6]。其可表示为：

式中，η为集热效率，%；Q为给定时间段内传热工质从太阳能集热器中获得的能量，J；A为太阳能集热器采光面的面积，m2；H为给定时间段内太阳能集热器采光面单位面积所接收到的太阳总辐射量，J/m2，可利用一级总日射表测量得到太阳能集热器采光面的太阳总辐照度Eg，根据Eg与时间的积分计算得到H的值。

测试6月7日与6月24日，60°倾斜安装时2种太阳能集热器的集热效率，具体情况如图6所示。

图6 60°倾斜安装时2种太阳能集热器的集热效率情况Fig. 6 Heat collection efficiency of two kinds of solar collectors with installation angle of 60°

由图6可知，2种太阳能集热器的集热效率变化规律趋于一致，且曲面太阳能集热器的集热效率比平板太阳能集热器的高。

3.1.4小结

综上所述，在2次测试期间，曲面太阳能集热器的进、出水温度，贮热水箱温度及集热效率均比平板太阳能集热器的高。由此可知，在60°倾斜安装时，曲面太阳能集热器的集热性能高于平板太阳能集热器的集热性能。

3.2 90°垂直安装太阳能集热器

为进一步分析曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器在90°垂直安装时集热性能的差异，选取2019年6月27日进行测试，具体环境参数见表2。

3.2.1 太阳能集热器的进、出水温度测试

图7为90°垂直安装时2种太阳能集热器的进、出水温度变化情况。

图7 90°垂直安装时2种太阳能集热器的进、出水温度及太阳辐照度情况Fig. 7 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 90°

由图7可知，测试期间，2种太阳能集热器的进、出水温度变化规律基本一致；二者的进、出水温度相差不大，且随着时间推移，二者的出水温差越来越小。

3.2.2 太阳能集热器贮热水箱的温度测试

90°垂直安装时，2种太阳能集热器贮热水箱的温度变化情况如图8所示。

由图8可知，测试期间，2种太阳能集热器贮热水箱的温度变化规律一致，温度均为不断升高的趋势。在10:00时，曲面太阳能集热器贮热水箱的温度比平板太阳能集热器贮热水箱的温度低0.47 ℃，但至17:00时，二者的温度已基本相同，这说明曲面太阳能集热器贮热水箱的温度上升速度较平板太阳能集热器贮热水箱的略快。

图8 90°垂直安装时2种太阳能集热器贮热水箱的温度变化情况Fig. 8 Temperature change of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

3.2.3 太阳能集热器的集热效率测试

90°垂直安装时，2种太阳能集热器的集热效率变化情况如图9所示。

图9 90°垂直安装时2种太阳能集热器的集热效率情况Fig. 9 Heat collection efficiency of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

由图9可知，测试期间，曲面太阳能集热器的集热效率比平板太阳能集热器的高。

但通过对比图9与图6可以发现，同一测试时间内，以60°倾斜安装时，曲面太阳能集热器和平板太阳能集热器的集热效率均高于二者在90°垂直安装时的集热效率。

3.2.4 小结

综上所述，在整个测试期间，曲面太阳能集热器的进、出水温度，贮热水箱温度及集热效率均比平板太阳能集热器的高。由此可知，以90°垂直安装时，曲面太阳能集热器的集热性能高于平板太阳能集热器的集热性能。

4 结论

本文对曲面太阳能集热器与平板太阳能集热器在2种安装角度时的集热性能进行了测试，通过对实验数据进行对比分析，得出以下结论：

1)在相同安装角度下，曲面太阳能集热器的集热效率比平板太阳能集热器的高。

2)以60°倾斜安装时，曲面太阳能集热器及平板太阳能集热器的集热效率均远高于二者以90°垂直安装时。由此可知，安装角度对太阳能集热器的集热效率影响较大。

3) 对于2种安装角度，曲面太阳能集热器的进、出水温度和贮热水箱温度均比平板太阳能集热器的高。