捕捉更多的陽(yáng)光——太陽(yáng)能熱利用的技術(shù)趨勢(shì)

時(shí)間:2010-03-22 21:09 太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 點(diǎn)擊:次 我要評(píng)論（）

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   《太陽(yáng)能信息TOP財(cái)智》前言：
    目前，太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品琳瑯滿目，比比皆是。但是我們卻很難說(shuō)哪一款產(chǎn)品技術(shù)含量更高，更符合產(chǎn)品的性能指標(biāo)。在本文中，Amin·Bennouna向我們展示了太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品性能發(fā)展變化的過(guò)程，并將平板太陽(yáng)能與真空管太陽(yáng)能進(jìn)行了相互對(duì)比。

隨著太陽(yáng)能市場(chǎng)的日益完善以及太陽(yáng)能市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，身處其中的太陽(yáng)能制造商們不得不一次又一次地提高其產(chǎn)品性能以適應(yīng)市場(chǎng)變化。事實(shí)表明，技術(shù)在太陽(yáng)能行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域都是很重要的一個(gè)因素。尤其是在一條新的生產(chǎn)線籌建之際，技術(shù)顯得更是尤為重要。這種情況下，就要求各生產(chǎn)商對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主體，現(xiàn)有的產(chǎn)品性能的技術(shù)含量，產(chǎn)品發(fā)展的普遍趨勢(shì)以及新產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿Φ榷家幸粋€(gè)很好的把握。

好中選優(yōu)

    為了能夠更好地評(píng)估太陽(yáng)能熱利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，我們對(duì)652組玻璃太陽(yáng)能集熱管的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了集中的研究。這組數(shù)據(jù)囊括了來(lái)自全球5個(gè)不同測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果。其中，235組數(shù)據(jù)是經(jīng)由瑞士SPF研究機(jī)構(gòu)測(cè)試，157組數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)的SRCC，106組來(lái)自德國(guó)的ITW，106組來(lái)自法國(guó)的CSTB，另外還有48組來(lái)自?shī)W地利的Arsenal。另外，與其他機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果的對(duì)比尚在進(jìn)行中。對(duì)于水箱和包括熱交換器在內(nèi)的其他配件的測(cè)試結(jié)果，我們則采用制造商們自己提供的產(chǎn)品說(shuō)明數(shù)據(jù)。

    在測(cè)試中，經(jīng)測(cè)試的220款品牌共經(jīng)過(guò)652次測(cè)試，其中509次測(cè)試用于平板集熱器，103次用于真空管集熱器。測(cè)試結(jié)果不僅顯示出全球范圍內(nèi)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)可用技術(shù)的多樣性，同時(shí)也反映出行業(yè)發(fā)展的普遍因素以及各自的發(fā)展趨勢(shì)。

    太陽(yáng)能集熱器主要可分為以下3種：玻璃平板/真空管熱水器、玻璃平板/真空管空氣源熱泵以及泳池加熱的非玻璃平板集熱管。但是在此次的調(diào)查中，我們僅針對(duì)玻璃系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。不僅如此，產(chǎn)品的原型、價(jià)格，甚至包括吸收器、玻璃、保溫以及外包裝等決定產(chǎn)品性能的因素也在我們此次調(diào)查范圍之內(nèi)。根據(jù)產(chǎn)品的外觀，3種太陽(yáng)能集熱器的規(guī)格主要從以下幾方面考慮：吸收器體積（以物理學(xué)家計(jì)算的實(shí)際采光表面為準(zhǔn)）、總體積（以生產(chǎn)商和分銷商提供的產(chǎn)品外部高度以及寬度為準(zhǔn)）以及孔徑面積（總面積÷側(cè)面絕緣層面積，主要以歐洲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為主）。

    必要時(shí)，在EN12975歐洲標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行的集熱器孔徑面積測(cè)試的原始數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為ISO9806標(biāo)準(zhǔn)。

玻璃平板集熱器

    據(jù)分析資料表明，一臺(tái)普通的玻璃平板集熱器的開(kāi)放面積（采光面積、集熱面積）約為2.67m2，大多數(shù)玻璃平板集熱器的開(kāi)放面積都介于2到2.4m2之間。圖1顯示其孔徑面積變化（左軸顯示表面級(jí)別頻率，而右軸則表示帶有一個(gè)較小開(kāi)放面積的百分比）。通常吸收器面積相當(dāng)于開(kāi)放面積。但是，與整體面積相比，開(kāi)放面積部分代表了生產(chǎn)商購(gòu)買的單位原材料的光學(xué)表面。盡管如此，必然還要排除因套管邊緣，包括因面積太小而導(dǎo)致更多熱能損耗的橫向絕緣厚度的比例。（見(jiàn)表1）

 

   表1  簡(jiǎn)要的玻璃平板太陽(yáng)能集熱器各部件的幾何參數(shù)。

集熱面積級(jí)別
圖1孔徑面積與出現(xiàn)頻率的比較

 

    繪制孔徑部分分布的類似圖表將會(huì)顯示出，普通玻璃平板集熱器的開(kāi)放面積比約為0.904，大部分玻璃平板集熱器的開(kāi)放面積比都居于0.86到0.92之間。

    集熱器邊緣規(guī)格（部分區(qū)別在于原材料和孔徑規(guī)格）直接取決于保溫層厚度。調(diào)查中，平板集熱器邊緣規(guī)格分布情況說(shuō)明，一臺(tái)典型的玻璃平板集熱器邊緣部分約為2.9厘米，評(píng)估中所涉及的玻璃平板型集熱器大多都介于2~4厘米的范圍。許多制造商采用2~3厘米厚的保溫層，保溫層中吸收器與絕緣層之間的空隙約為0~0.9厘米。

性能指數(shù)

    圖2顯示了玻璃平板集熱器光學(xué)性能分布情況。圖中的右軸表示優(yōu)于表面級(jí)別的該款集熱器百分比。一臺(tái)普通的玻璃平板型集熱器效率大約為0.745，其中大部分玻璃平板型集熱器主要介于0.74~0.82之間。80%的集熱器光學(xué)性能高于0.782，但其中僅有20%的集熱器光學(xué)性能值能夠大于0.790。

溫度與開(kāi)放面積關(guān)系
圖2  依照FRUL，玻璃平板集熱器的光學(xué)性能數(shù)據(jù)分布

 

    根據(jù)FRUL（集熱器總熱損系數(shù)），玻璃平板集熱器熱能損耗的平均值約為3.850W/m2·K。大部分該型集熱器主要介于4~5W/m2·K之間。評(píng)估中，80%的集熱器熱能損耗低于4.245W/m2·K僅有20%的集熱器熱損耗值低于3.380 W/m2·K。

    橫向熱能損耗的影響對(duì)于大型玻璃平板集熱器來(lái)說(shuō)相對(duì)較低。這點(diǎn)可以被證實(shí)：隨著面積的增加，平板集熱器熱能損耗略有變化（每m2增量面積約1％）。

    根據(jù)玻璃平板型集熱器熱損耗導(dǎo)熱系數(shù)的分布情況分析，平均值約為0.013W/m2·K2在評(píng)估中，該型集熱器大多介于0.008到0.016W/m2·K2之間。其中約有80％的集熱器值低于0.0185W/m2·K2，僅有約20％集熱器低于0.0068W/m2·K2，系數(shù)值隨著吸收體保溫性能的增加而降低。

    我們?cè)^察過(guò)平板集熱器的壓降系數(shù)分配，壓降系數(shù)以壓降“帕”除以流量（m3/s）的平方表示。用此計(jì)算，一臺(tái)普通的集熱器的壓降系數(shù)為1.45×1011且大多集熱器壓降主要介于0.5~1.5×1011之間。80%的集熱器壓降系數(shù)低于2.11×1011，僅有20%的集熱器壓降系數(shù)低于（優(yōu)于）0.57×1011。不過(guò)，壓降主要取決于吸收器的液壓原理，因此平行管集熱器的壓降系數(shù)要低于螺旋管集熱器的壓降系數(shù)。

    在集熱器光學(xué)性能和熱損耗之間不存在任何明確的聯(lián)系。然而，部分制造商在提高保溫性能的同時(shí)試圖提高選擇性和玻璃傳輸時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)顯示出緩慢下降的趨勢(shì)。

真空管集熱器

    針對(duì)管狀太陽(yáng)能集熱器，我們分別對(duì)104次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。管狀集熱器屬于模塊化，因此除了已有的孔徑面積分布情況，我們無(wú)需提出更多的表面面積統(tǒng)計(jì)數(shù)字。根據(jù)各種調(diào)查中的產(chǎn)品，一臺(tái)普通的真空管集熱器具有約0.77開(kāi)放面積比。在孔徑面積與整體面積對(duì)比的分析圖中，真空管集熱器的孔徑面積呈現(xiàn)傾斜變化。一般而言，兩個(gè)參數(shù)之間的線性關(guān)系說(shuō)明孔徑比約為0.769。

    圖3顯示真空管集熱器光學(xué)性能的分布情況。一臺(tái)普通的真空管集熱器的效率系數(shù)約為0.667，參加評(píng)估的大部分集熱器光學(xué)效能要介于0.60~0.76之間。同樣的，80%的集熱器的光學(xué)性能優(yōu)于0.555，其中僅有20%的集熱器的光學(xué)性能在0.755之上。

溫度與集熱面積共同作用等級(jí)
圖3  真空管集熱器光學(xué)性能分布

表2  真空管與平板性能參數(shù)總覽

    基于真空管集熱器熱能損耗的分布情況，一臺(tái)普通的真空管集熱器的熱損耗約為1.476W/m2·K。大部分集熱器主要介于1.2~2.4W/m2·K。80%的集熱器的熱損耗都在1.93W/m2·K以下，其中僅有20%的集熱器的熱損耗低于0.99W/m2.K。

    各種真空管集熱器的導(dǎo)熱系數(shù)的分布表明，普通的真空管集熱器的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.006W/m2·K2大部分集熱器介于0.004~0.012W/m2·K2其中，80%的集熱器導(dǎo)熱值低于0.0098W/m2·K2，僅有20%的集熱器低于0.0026W/m2·K2。至于真空管集熱器壓降系數(shù)的分布，同樣的，我們以壓降“帕”除以流量（m3/s）的平方表示壓降系數(shù)。用此計(jì)算，一臺(tái)普通的真空管集熱器的壓降系數(shù)為1.0×1012且大多集熱器壓降主要介于1~3×1011之間。在這些集熱器中，80%的集熱器壓降系數(shù)低于7×1011，僅有20%的集熱器壓降系數(shù)低于（優(yōu)于）0.9×1011。

    同樣的，集熱管在光學(xué)性能與熱能損耗之間也沒(méi)有任何明確的聯(lián)系。但是，與平板集熱器不同的是，分析圖中這兩個(gè)參數(shù)變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這否定了制造商們力圖同時(shí)改善集熱器熱能損耗和光學(xué)性能的嘗試。相反的，管狀集熱器在工程技術(shù)方面的一系列局限性似乎制約著一些集熱器同時(shí)具有高光學(xué)性能和低熱能損耗。這也許是由于在真空管密封和一些高傳輸玻璃或高選擇性吸收材料使用之間存在的技術(shù)或者價(jià)格上的矛盾造成的。

水箱與熱交換器

    在水箱熱能損耗（用W/K表示）與容積比較的圖中顯示，水箱容積的2/3功率（在內(nèi)外徑比幾乎不變的情況下），這與水箱外部表面成正比，通過(guò)起點(diǎn)的相關(guān)曲線幾乎呈線性變化。這是由于大多數(shù)制造商采用某種符合絕緣層材料所致。對(duì)于1.5左右內(nèi)外徑比，這個(gè)既定高度使得平均傳熱系數(shù)約為0.034W/m2.K，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致0.034W/m2·K熱傳導(dǎo)率（相當(dāng)于厚度為10厘米的聚氨酯泡沫值）。

 

集熱器性能參數(shù)

    表2摘要的列舉了玻璃平板太陽(yáng)能集熱器和真空管集熱器的性能參數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出的是，相較于平板集熱器技術(shù)，各種真空管集熱器技術(shù)雖多，但卻要求更高的均方根值。
 
平板型集熱器性能的發(fā)展變化

    對(duì)于平板集熱器，生產(chǎn)商似乎很難做到在光學(xué)和熱效率兩方面同時(shí)提高。事實(shí)上也證實(shí)，光學(xué)和熱效率之間的相互關(guān)系并不十分明顯。事實(shí)上也僅有1/3的集熱器同時(shí)在光學(xué)和熱效率兩方面優(yōu)于一般集熱器。

   

    對(duì)于玻璃平板型集熱器，圖4顯示了其孔徑面積、熱損耗以及光學(xué)效率的年平均測(cè)試值的變化。

    在過(guò)去10年里，參數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定說(shuō)明玻璃平板太陽(yáng)能集熱器的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。不過(guò)，其中還有一些小的細(xì)節(jié)需要我們注意。比如：玻璃平板集熱器的孔徑面積每年約以1.85%的速度逐漸縮?。ㄉ鲜兰o(jì)80年代，集熱器孔徑面積明顯大于3m2）。除此之外，集熱器的熱能損耗也以每年0.72%的速度逐步改善，雖然這可以完全用集熱器表面面積縮小的理由來(lái)解釋。但是，光學(xué)性能正以每年約0.17%的速度緩慢下降，這個(gè)降幅雖小，但這個(gè)很明顯的趨勢(shì)乍看卻很令人吃驚。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明越來(lái)越多的制造商開(kāi)始使用透明玻璃或者低選擇性吸收器。作者：摩洛哥太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)前任總裁Amin·Bennouna 譯者：景亞娣

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