平板式太阳能热水器能效评价与改进-复旦大学物理教学试验中心.DOC

平板式太阳能热水器能效评估与改进 陆尧杰，潘涛 复旦大学 指导老师：俞熹 摘要：近年来，随着能源价格不断攀升，太阳能产品日益受到人们青睐。目前家用太阳能设备中最常见的是太阳能热水器，市场基本被真空管太阳能热水器占据。但真空管太阳能集热器造价相比平板式太阳能集热器来说非常高昂，若能将平板式太阳能系统应用于家庭用户，其低廉的成本将有利于产品更广泛的应用，起到节能环保的作用。本实验将通过测量平板式太阳能热水系统的效率及热损，来探讨影响其效率的因素，并给出一些平板式太阳能集热器在家庭应用中的建议。 平板式太阳能集热器的基本原理 如图为太阳能集热板的结构（1－吸热板与管道；2－玻璃盖板；3－隔热层与反光板；4－铝合金外壳） 吸热板为平板式太阳能集热器的最主要部件，通过各种焊接等方法与管道紧密结合，它的表面涂有选择性吸收图层，可以最大限度的吸收太阳光的能量并转换成热能。太阳能集热板的管道一般由集管和排管组成，集管为吸热板上下两条较粗的水管，若干根排管并联在集管之间，排管通过焊接、热碾压等方式与吸热板紧密相接以获得无结合热阻的效果，传热工质（一般为水）在排管中时被吸热板加热。 影响平板效率的因素有很多：选择性图层的吸收效率、管道与吸热板的导热性能、玻璃盖板的太阳光透过率、隔热层的保温性能等。从吸热原理来看，平板式太阳能集热器与真空管太阳能集热器对于太阳光的吸收效率相差无几（都是通过选择性图层来实现），而目前真空管集热器的优势主要在于其真空玻璃的保温性能较好，因此体现出更高的总效率。 实验仪器 本实验的所有仪器均为自行购买和搭建。主要仪器有： 测量用具： 1. 照度计 TES泰仕1332A 测量范围0～20000LUX/FC 2. 温度计 PT100铂电阻温度传感器与变送模块 范围0～150。C，0～10V输出 3. usb-1208fs数据采集卡，计算机及相关软件 4. 学生电源 太阳能热水系统： 自制水箱：买1个容积45升左右的长方形塑料箱，在箱子表面开洞以接管道（3小洞插入温度计，3个大洞分别为冷水出口、热水进口及放水口） 球阀2个：用于控制水箱与集热板之间水循环的开闭 束接、PVC管道与接口、胶水、生料带等管道用品若干 太阳能集热板（导师提供） 下图为整个热水系统的设计图： 水箱俯视图 1－1号温度计；2－2号温度计；3－球阀；4－上循环管道（热水）；5－下循环管道（冷水） 太阳能集热板有4个出水口，其中两个封死。水箱中的冷水经管道5进入集热板底部，水在集热板中被加热后比重减小，经管道4回到水箱内。热水口设计在水箱底部是为了增加水箱中冷热水的对流，使水箱内水温尽快趋于均匀。水箱中部和底部分别插入一支温度计，温度变送模块输出0～10V电压，由usb-1208fs数据采集卡读取电压信号并导入计算机。 平板以倾角30度左右靠在一桌子上（不能平放，否则冷热水无法对流），整个装置放置在物理楼东面天台，平板方位角朝向正南。照度计与平板放在一起且测量面与平板平行以保证其测得的照度与平板接受的照度相同。照度计通过数据线与电脑连接，实时采集实验室的太阳照度。温度计与变送模块输出0～10V电压，由usb-1208fs数据采集卡读取电压信号并导入计算机。 实验仪器实物图： 实验内容 水箱内盛有24升水 11月29日太阳光照较好，当天早上完成一次太阳能集热板加热实验。 11月29日下午，用席子与被单覆盖太阳能板以模拟无光照条件，完成开循环散热实验。（即不关闭球阀，测量整个水箱与集热板散热之和） 12月1日太阳光照较好，当天早上完成一次太阳能集热板加热实验。 12月1日下午，用席子与被单覆盖太阳能板以模拟无光照条件，完成闭循环散热实验。（即关闭球阀，使水箱中的水不进入集热板中进行散热） 温度数据采集速率为1次/秒，图表中每个数据点为以5分钟为间隔，取10点作平均所得。 照度数据采集速率为0.5次/秒，计算效率时5分钟内所有照度求平均值作为平均照度。 数据与相关计算： 设SR为太阳辐射量，SR=SR（t）（SR的单位是w/m2，温度为T（t）（T为两点温度的算术平均值） 效率η = 用于加热水所获得的热量/太阳辐射总能量 即η = [Cw×ρw×V×ΔT ]/[∑ S×SR（t）×⊿t] 上式中，Cw为水的比热容[4.2×103 J/(kg×C°)],ρw为水的密度（1.0×103 kg/m3）,V为水箱中水的体积，ΔT= T（t2）－T（t1）。S是平板集热器的表面积，⊿t是照度计采集数据的时间间隔（2s）。 注：照度计记录的数据为太阳的照度，单位为fc(1 fc = 10.76 Lux), 经查询(/conv_lux.htm)得到对于太阳光，1 Lux = 0.0185 ppf (ppf 即μmol· m-2 ·s-1) 又查得（《太阳辐射能