作者：张毅
平板型集热器由于具有制作工艺简单、建筑结合程度高、承压运行使用寿命长等优点，使得其在建筑采暖、供热、工业加热等方面得到了广泛的应用。平板集热器略显不足之处是高温段效率较低，热损失大。本文对一种平板太阳能集热器进行了优化，目的是提高集热器的集热效率，减少热损失。
1 一种平板太阳能集热器
平板太阳能集热器主要由透明盖板、吸热板、保温层和外壳组成，如图1所示。透明盖板主要作用是让太阳辐射透过并减少吸热板的对流和辐射损失。吸热板表面涂有选择性涂层，充分吸收入射的太阳能，并传给通过其中的工作流体。保温层填充保温材料，减少吸热板背部以及侧面的热损失。
外壳则是对透明盖板和吸热板起支撑作用。平板集热器的集热性能提高主要从两个方面进行，一方面是通过提高透明盖板的透射率和吸热板对太阳辐射的吸收率，以及减少集热器边缘及面盖支撑物对太阳的遮挡等来增加得热量；另一方面是通过提高保温材料的性能、改变透明盖板和吸热板的间距来减少热损失。
本文从以下几方面来对平板集热器进行优化：
1)增加透明盖板与吸热板之间的间距，使得透明盖板和吸热板之间的距离不小于30 mm。
2)透明盖板采用低铁超白布纹钢化玻璃，并在盖板表面镀增透膜，使得透明盖板透光率达到94. 6%。
3)采用激光焊接，吸热板的铜铝接触处打导热胶。
4)保温材料采用35 mm厚的聚氨酯板，铝箔反光面朝向吸热板。
2平板太阳能集热器性能测试
2.1测试数学模型
目前太阳能集热器的测试方法都是基于准稳态的热平衡方程模型建立起来的。在准稳态下，照射到平板集热器上的太阳能辐射量等于工质带走的热量和散失到周围的热量之和。根据这个基本原理，建立在试验条件下的热平衡方程。
集热器工质获得的有用能Q。可表示为：
式中：c。为集热器工质的比热容，J/( kg。oC)；m为工质的质量流量，kg/s; AT（AT=r。-T．，To为集热器的出口温度，℃；T。为集热器的进口温度，℃）是集热器进出口工质的温差，℃。
当集热器的总面积为Ac时，集热器接收的太阳辐射为AcG。则集热器的瞬时效率为：
式中：FR为集热器的热迁移因子；U为总热损系数，W／(m2．℃)；（丁d）。为有效透射率一吸收率乘积。
假如F。，U。和（T“）。是常数，由式(2)、式(3)可以看出，以η。为纵坐标，T+为横坐标的效率曲线将是直线，其截距等于FR (-ra)。，斜率等于一FRUL。因此，在测试过程中，测出质量流量m，进出口温度T．和T。，以及瞬时太阳辐照度G，用式(2)求出瞬时效率；再测出环境温度T。，则可按式(3)来整理效率曲线。
2.2测试方法
基于平板型太阳能集热器的热性能测试方法有很多不同的标准，目前主要有国际IS09806-1、美国ASHRAE93和欧洲的EN-12975，以及国标GB/T4271-2007。ASHRAE93标准要求在稳态和准稳态条件下进行测试，EN-12975提供了相对动态的测试方法，从而对环境的适用性增强。
本文采用GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》和ANSI/ASHRAE93 -2010标准，采用准稳态进行测试。温度传感器采用PT1000，经过标定后测量误差为±0.1 K；流量计采用精度为1.5级的涡街流量计，辐照仪采用Kipp&Zonnen公司生产的产品，测量精度为±5%。本文分别对普通平板集热器和优化设计后的平板集热器的热性能进行测试。测试中两块平板集热器的集热面积均为2m2；工质采用水，流量为0. 04 kg/s；测试地址为上海交通大学机动学院C楼楼顶，根据上海地区纬度将集热器倾斜30。放置，集热器方向为正南方向。
2.3测试系统
测试系统主要由平板集热器、集热水箱、循环水泵、流量计、辐照仪、管道阀门以及数据采集仪等组成，如图2所示，图3为实物图。
测试时间为2015年5月7日~ 22日。测试过程为：
1)按图2所示搭建测试台；
2)对集热水箱进行储水；
3)开启循环水泵，调节流量至流量计示数稳定在0. 04 kg/s；
4)打开数据采集仪，记录集热器的进出口温度、环境温度以及太阳全辐照度，采集频率为5 s／次；
5)数据处理，画出瞬时集热效率与归一化温差的曲线，并拟合一次公式。
按照同样的步骤，对普通平板集热器和优化设计后的平板集热器分别进行测试和数据处理。
3 测试数据分析
在测得集热器的进出口温度、环境温度、太阳辐照度和集热器流量的多组数据之后，选取满足稳态的数据进行处理，并利用最小二乘法对所得的瞬时效率进行拟合，可以得到归一化温差对应的瞬时效率曲线，如图4所示。
拟合的效率方程见式(4)、式(5):
优化平板集热器：
普通平板集热器：
式中各参数含义同前。
优化后的平板集热器瞬时截距效率相较普通平板集热器提高了15. 1%，热损系数减少更多，达到了20. 3%。以下为对平板集热器集热性能改善的原因进行分析。
4透明盖板与吸热板的间距对瞬时效率的影响
在热平衡条件下，集热器的有效能Q。应当等于吸收的辐射和热损失之差：
式中：S为吸收的太阳辐射量；UL为总热损系数，W/( m2.℃)。总热损系数UL又包括三部分：
式中：U。为顶部损失系数；Ub为底部损失系数；U。为边缘损失系数。Ub和U。比U。小很多。
平板集热器的顶部损失主要包括透明盖板与吸热板之间的对流换热损失和辐射换热损失，以及透明盖板与外界的对流换热损失和辐射换热损失。透明盖板与吸热板之间的对流热阻为1/hp_e，辐射热阻为1/h,一。；透明盖板与外界的对流换热主要由风引起，热阻为1/h。，辐射热阻为1/hr,c_。。由上可知顶部损失系数的计算公式为：
又透明盖板与吸热板之间的对流换热系数hp_e与其之间的间距为反比关系，即：hp_e oc l/L，代入式(8)可知，当透明盖板与吸热板的间距L增大时，顶部热损系数减小，即总热损系数减小，从而使得平板集热器的有效能Q。增大。
本文按照 Solar Engineering of ThermalProcesses书中所述，模拟计算了透明盖板与吸热
板间距对总热损系数的影响。计算结果可知，当透明盖板与吸热板的间距为30 mm时，总热损系数很低，且此时总热损系数下降最快。此后随间距的增大，总热损系数下降趋势减慢，即间距对总热损系数的影响减弱。当间距增大到65 mm时，总热损系数达到最小。
因此，优化后的平板集热器透明盖板与吸热板之间的间距在30～65 mm范围时，可以有效减少热损系数，提高集热效率。
5平板集热器TRNSYS模拟计算
本节使用TRNSYS模拟程序对太阳能热水系统进行仿真计算。在TRNSYS中建立的太阳能热水系统的模型如图5所示，其中采用的平板集热器的性能参数设置与实际测试条件一致，在相同的进口温度、环境温度以及太阳辐照度下，模拟计算平板集热器的出口温度，并与测试出口温度值进行比较，如图6所示。
由图6可以看出，TRNSYS模拟与实际测试得出的出口温度值随进口温度增大的变化曲线基本吻合，由此可以证明测试结果的有效性。同时可以看到，随着进口温度的增加，出口温度的上升基本呈线性趋势，即优化平板集热器的温度变化灵敏度很高。
6 其他因素对瞬时效率的影响
对透明盖板镀增透膜，使其透光率达到94.6 %，增加了投射进入到吸热板的太阳光线，从而使吸热板吸收到的太阳辐射能增加，即增加了平板集热器的得热量。
对吸热板的管板连接处采用激光焊接，能够有效减少管板的接触热阻，使得吸热板吸收的热量能够很好的传递给工质，即减少了平板集热器的热损。
保温材料的厚度底部增加至35 mm，并在吸热板和保温材料间采用铝箔反光，能够有效减少平板集热器的底部和侧边的散热损失。
由以上所述，这三方面也同时能够提高平板集热器的集热性能，使得瞬时集热效率增加。
7 结论
为了提高平板集热器的集热性能，本文优化得到了1种新型平板集热器：
1)增加透明盖板与吸热板之间的间距，使得透明盖板和吸热板之间的距离不小于30 mm。
2)透明盖板采用低铁超白布纹钢化玻璃，并在透明盖板表面镀增透膜，使得其透光率达到94. 6%。
3)采用激光焊接，吸热板的铜铝接触处打导热胶。
4)保温材料采用35 mm厚的聚氨酯板，铝箔反光面朝向吸热板。
经过以上四方面的处理后，对优化的平板集热器进行了热性能测试。试验结果表明，平板集热器的集热性能得到很大的提高：瞬时截距效率提高了15. 1%；热损系数减少了20. 3%。8[摘要]为了提高平板太阳能集热器的集热性能，通过增大透明盖板和吸热板之间的间距、在透明盖板上镀增透膜、激光焊接、采用聚氨酯板、铝箔反光面朝向吸热板等措施，对平板集热器进行优化。通过试验测试了平板太阳能集热器的归一化温差与瞬时效率曲线，优化后的平板集热器相较普通平板集热器的瞬时截距效率提高了15. 1%，热损系数减少了20. 3%。
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