自循环平板研究评测报告

《自循环平板研究评测报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自循环平板研究评测报告（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1 / 14 研究技术报告 一、 项目研究意义 节能减排是我国的基本国策，开发利用太阳能是实现能源替代，减少碳排 放和改善城乡居民生活条件的举措。适用于太阳能与建筑一体化的分体壁挂式 太阳能热水器正以绿色节能的独特优势风靡于建筑节能市场。 然而，当今分体式太阳能热水器热交换形式多为自然循环，因而当太阳辐 照量不足或者环境温度较低时会使传热介质缓慢或循环不畅，难以获得设计要 求的水量和水温；加设泵站强制循环的产品虽能提高换热效率，但因为成本加 大，施工麻烦，仅能在别墅等高档建筑上应用，难以普及。 并且，常规平板分体式太阳能效率仍处于较低水平，为了提高太阳集热器 的效率，现行唯一有效的办法是在保持

2、最大限度地采集太阳能的同时尽可能减 小其对流和辐射热损。目前多采用研究优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖 板材料的方法来满足上述要求，但是吸收涂层材料及高透光率盖板材料的研究 过程相对缓慢，不能满足高效平板型太阳能热水器的快速发展，因此，研究其 它较易实现的方法来实现减小平板对流及辐射热损也可作为提高其性能的一个 重要手段。 此外，传统分体式太阳能热水器当太阳辐照不足时需要加热整箱容水方能 满足洗浴使用，而要加热整箱储水既耗时又多耗能，又不可每次都把热水用 尽，显然是一种浪费。因此，在分体式太阳能热水器被高层、小高层建筑看好 的今天，急需要研制出一款高效节能、安全可靠、随心所“浴”的新型产品。

3、 二、国内外现状 在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良 的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。据有关报道，日本及欧美 等国家 90%以上均使用平板太阳能。欧洲、美洲、大洋洲、亚洲的 21 个国家 433 家太阳能企业中，有平板太阳能热水器 401家，占企业总数的 92.61%；有 真空管太阳能热水器 12 家，占企业总数的 2.77%。自 2008 年北京奥运会选用 德国产平板太阳能后，我国国内也开始加大改善真空管并研发平板太阳能的力 度。 太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展，目前 其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率， 如将透明隔

4、热材料应用于集热器 的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以 色列批量生产，研究如何进一步提高2 / 14 平板集热器的热性能成为了一个刻不容缓 的课题。 平板太阳能自西方技术流传之国内以来其多为项目运用， 近些年平板太阳 能逐渐运用于家庭安装使用，安装方法一般分为两大类：一、对集热器和水箱 间的介质采用温差强制循环的方式进行换热，其换热效果比较明显，缺点是强 制循环控制系统安装繁琐，成本高，耗费电能与环保节能宗旨不符。二、对集 热器和水箱间的介质采用温差自然循环的方式进行换热，其安装成本较低， 其缺点是热效果明显低于强制循环，水箱和集热器的安装距离不能太远，水箱

5、与集热器的落差不宜太小，循环管路的连接不得有反坡，直角等要求。 “平板分离式新能源热水系统”是一款利用光电动力可自主强制循环的分 离式热水系统，通过提高平板集热器热性能与提高水箱供水热效率两个途径， 优化常规平板型分体式太阳能热水系统热性能。使系统安装时无需再外装工作 站及数据线等常规强制循环系统所必须安装的配件，水箱和集热器之间的距离 20M内可任意安装。系统的成功研制可降低系统的安装成本，提高系统工作时 的热效率。自2018年构思试制成功，已经过多次安装测试，并已运用于多个项 目项目，取得了卓越的成效。 三、研究方案的思想及论证 1、 研究打造光电一体的智能集热器 因为普通集热器只有集热一

6、个工作目的，基于提高集热器工作效率的研究 目标，课题组在集热器上直接搭载小型自发电智能循环系统，利用内置于集热 器上的小型光伏系统发电并逆变蓄能以及温控调节等手段实现集热器一体式微 型增压循环，在不消耗外接电源的前提下实现了集热器传热循环的自增压，提 高了系统的热效率。系统运行时，通过集热器传热循环的自增压。强制将收集 的热量瞬间输送至储热水箱，解决了自然循环型分体式太阳能热水器传热介质 缓慢或循环不畅的技术难题，避免了低温下集热器的热损失，克服了强制循环 型分体式太阳能热水器加设循环泵站及管路、电路等以致成本加大的缺点，简 化了安装工艺，实现了整机安装与建筑完全一体化的要求。 2、 研究打造

7、分仓即热型储热水箱： 第一步“热水中心”在储热水箱内设置小型换热舱， 并在换热舱上设置 取水导管，取用水箱顶端温度较高水源，通过由水温控制的多级加热调节系 统，可迅速加热流经或存储于换热舱内的热水，可即开即热，充分随时用水的 需求，且不必把整箱水升温，实现了节水、节电和舒适性的统一。 第二步“热水中心”设置水温控制多级加热调节系统，通过反馈控制的方 式，优先利用储热水箱上部的基础水温，按需用能、智能调温，实现了太阳能 热水器的智能化节能。 3 / 14 3、整机集成、调试、分析优化其性能 将光电一体的智能集热器与分仓即热型储热水箱集成为平板型分体式太阳 能热水器整机系统，包括光伏发电系统、运行

8、控制系统、平板集热系统、分仓 即热型储热水箱及用水侧实验管路等。根据系统额定水量的大小，实验研究光 伏系统采光面积、光热系统采光面积及泵的运行功率、流量、扬程等多个参数 之间的配比关系，从而进一步确定不同系统不同额定水量下所分别对应的上述 三个子系统的最佳配比量、改进设计参数，优化系列产品。研究发电、集热系 统与分仓即热型储热水箱供水流量、压力及其温度响应特性的相互影响关系， 优化即热式加热器与小型换热舱及系统水箱的配比关系。 四、研究内容、路线方法 一）设计步骤 1、设计光伏发电系统 系统选用单晶硅发电，采用高效 A片单晶硅经专用机器贴于平板正面 的专用低铁超白钢化玻璃上，组成嵌入式自发电系

9、统。设计过程中需确定 的参数包含以下三个方面：采光面积的确定，逆变、储电系统设计，系统 结构设计。下面简要介绍上述三个方面的设计过程： a）采光面积的确定 运行功耗分析 设置光伏发电系统的作用是向高效集热循环提供运行需消耗的电能，主要 包括微型增压泵运行功耗及控制系统运行功耗两个方面。系统采用 DC12V无刷 电机，水陆两用的屏蔽式高温增压泵，主要用于驱动平板集热器内的传热工质 的强制循环流动，泵的流量、扬程及其运行功率大小与平板集热器面积大小、 管路布置方式有关。初步选用运行功耗为 15w的增压循环泵。因为控制系统运 行功耗非常小，因而光伏系统所产生的电量只需满足略高于增压循环泵所消耗 电量

10、即可。 系统所选用的高效A片单晶硅额定发电量为180W/m, b）系统结构设计 为了简化后期安装，设计采用专用机器将单晶硅薄膜贴于平板正面的专用 低铁超白钢化玻璃上，组成嵌入式自发电系统。为了保持系统美观，单晶硅薄 膜南北向长度与集热器采光面南北向长度一致，东西向初步设计为 20cm为了 防止集热器内受热产生的高温蒸汽影响单晶硅薄膜的使用效果及寿命，使用耐 高温不干胶4 / 14 将薄膜与集热器吸热体之间形成隔断。 为了更好的防止集热器吸热 过程对光伏薄膜的影响，将来的研究过程中可将光伏发电系统设计成可与平板 集热器相互扣接的一体化模块，安装时，只需将发电模块扣接至平板集热器即 可。 2、 设

11、计平板集热系统 2.1平板边外壳 边框采用6063T51.3mm吕合金，采用静电粉末喷涂，高温固化，确保 15年 无氧化。彩钢板背板与边框经模具压合，确保外壳无铆钉连接，防潮，防散热 延长使用寿命。 2吸热体管路设计 吸热体管路选用壁厚为 0.6mm的紫铜管作为传热介质在吸热过程中的循环 流道，并联连接、水平布置，汇总于集热器上下两侧的集、分联管，集、分联 管分别于储热水箱传热工质夹层的进出口相连。 3平板板芯及保温 平板内采用50KG|m玻纤维棉背 侧）保温；板芯采用进口磁控溅射整板蓝 膜，经激光焊接与铜管紧密结合使整个板芯吸热率高、热传阻力小、耐腐蚀、 寿命长。 3、 设计运行控制系统 微

12、型循环增压泵 采用DC12V无刷电机，水陆两用的屏蔽式高温增压泵，以平板集热器进出 口介质温度作为反馈控制信号，用于强制循环，将得热介质输送至储热水箱。 对微型循环泵经行测试：使用电压 DC5V-DC12V工作电流1550Ma扬程8M 流量650L/H。噪声38Db0.5M以内；可承受流体温度 0-100 C,防水等级为 IP68 ;连续工作时间20000小时以上。 温度控制原理 采用热敏铁氧体温控器控制电机的启动和停止，即平板内介质温度达 60度 时启动电机，温度降至55度时停止电机。热敏铁氧体是一种化学物质，类似于 磁棒，对温度很敏感，在一定温度下能被磁铁吸引，而高过一定温度对磁铁就 不敏

13、感了，这个温度由改变其组织的化学成分的比例而改变，所以温度设定十 分方便。 4、分仓即热型储热水箱设计 夹层储热水箱 5 / 14 选用目前分体式太阳能热水器常用的夹层式搪瓷水箱作为分仓即热型储热 水箱的基体。采用宝钢 2.0mm厚搪瓷专用板，酸洗后用美国福禄热容器专用粉 末进行搪瓷处理，有效减小各部分应力，提高搪瓷附着性能，处理完成后进行 整体聚氨酯发泡并进行熟化处理。 内置小型换热舱 采用SUS-3042B材质，不锈钢直径20cm,壁厚0.4mm内置于储热水箱之 中，电加热采用3组700W水电分离电加热器， 采用温控智能控制， 根据基础水 温及需求水温大小，自动调整参与工作的电加热级数，以

14、实现精确调温。 图一系统原理图 二）分系统试制及测试 1光伏发电系统 按照900*200mm单晶硅薄膜尺寸制作光伏发电系统并搭载其配套逆变、储 电系统。安装完毕后，在正常晴朗天气下，使用电能质量分析仪对单晶硅发电 系统进行测试，得出其输出电压14v12v,输出电流1A4A0 2运行控制系统 对微型循环泵经行测试：使用电压 DC5V-DC12V工作电流1550Ma扬程 8M；流量650L/H。噪声38Db0.5M以内；可承受流体温度0-100 C,防水等级为 IP68 ;连续工作时间20000小时以上。 6 / 14 3平板集热系统 热性能测试平板集热器主要组成部分有： 透明端盖、吸热面、箱体

15、等，平面图示意如图1所示。 其中，透明端盖主要用塑料或玻璃，作用是让太阳 辐射透过并减少吸热面 的对流和辐射损失。本实验端盖用的是双层钢化玻璃，增大了抗压抗冻能力， 减小平板 集热器的热损失，提高了集热效率。 吸热面可由各种金属或非金属材料制成，表面喷溅 选择性涂层，能充分吸 收入射的太阳能，并把热量传给 通过通道的工质。本实验的吸热面是由铜铝 复合材料制成，通道为栏栅形铜管。 箱体对端盖及吸热面起支撑作用，并为减小热损失 在吸热面背部以及侧面加装 保温材料。本实验用硅酸盐 作为保温材料，均匀铺垫在箱体的五面，即四个侧 面和一个底面，厚度为40 I mm o 其工作原理为：当太阳光透过透明双层

16、玻璃照射到 表面涂有吸收涂层的 吸热板上时，吸热板吸收太阳的辐 射能，将其转换成热能，并将热能传给吸热 板流道内的 工质，使流道 内的工质温度升高；从集热器进 口进入吸 热板的 较低温度的工质，在吸热体流道内被加热升温后， 从集热器出口流走，将有 用的热能带走；与此同时，吸 热板温度升高，透过透明玻璃和箱体向周围环境 散失热 能,为减少散热，故在平板太 阳集热器底部和边框四周 填充保温材 料。 2实验系统的组成 实验采用自制的平板太阳能集热系统、 冷却油箱，及一 些必要的设备仪表。 (1 TB Q 一 2总辐射表：该表用来测量光谱范围为 0 . 33 um的太 阳总辐射。灵敏度：714uv /

17、 (W . m -2， 7 / 14 响应时间：w 30 s (99 % ，测试范围：02 000 w 。 (2风速计：固定连接热敏风速探头，带伸缩式手 柄。量程：020 m / s。 (3质量流量计：测量范围为 0250 kg / h。 (4压力表：耐高温，测试范围：00 . 4 M Pa。 (5测温仪表：类型为进 口薄膜铂电阻，精度为1 / 3 D I N ，测量范围： 一 200250 C。 (6过滤器：过滤精度10100 gm。 (7 膨胀箱：尺寸为 500 m m x 400 m m x 400 m m， 比集热器高2 000 m m 。 (8冷却油箱： 圆柱形， 半径为300 m

18、m， 高为700 m m。 (9 工质：Therm inol V P 一 1 导热油。 (10平板集热器：吸热面的集热面积为 1 . 71 nl ，管 道为栏栅形铜管，集热器倾角为 20。，吸热面表面覆盖双层钢化透明端 盖，吸热面底面及集热器四个侧面附硅酸盐 保温层，箱体框架为铝复合材料 热油平板太阳能集热器剖面图及系统图分别见图2及图3。 帛2平板生热器剂曲闭 3集热器的能量平衡方程 平板集热器集热能量平衡方程2等于吸热面所吸收的8 / 14 投射太阳辐射能分配成有用收益和各种损失。即 Q = Q u+ Q L+ Q 式中：Qa为集热器吸收太阳辐射功率，w ； Qu为集热器 的有用收益，w

19、; Q L为集热器对周围环境的散热率，w ; Q为集热器的热贮存率，w。 集热器的热工性能以集热效率3卅来表征。瞬时集热 效率定义为 式中：Q u为有用收益，w ； m为工质流量，kg/ h ； Cp为工 质比热容，J/ (kg K ; Tf。为集热器工质出口温度，K Tfj为集热器 m o 4实验及结果分析 导热油平板太阳能集热器实验于 2018年10月21日 进行测试。天气情况如下：晴；最高气温 25 . 1 C，最低 气温19 . 7 C；平均风速0 . 61 m / s。 图4是2018年10月21 Et的太阳辐照度隋况，于12 : 36时太阳辐 照度能达到最大值，即1 131 w /

20、 m 0 ;实验期间， 太阳辐照度平均值为 图5显示了工质流量的变化，在 9 : 30 一 12 : 30期间， 流量在80100 kg / h 范围内波动，平均值为 92 . 99kg 在12 : 30 15: 30 期间，流工质进 口温度，K ; A o为吸热面面积，川 ;lc为太阳总辐照度，W/ 虫-乔95959 / 14 量在64 70 kg / h，平均值 为6 7 . 62 kg / h。10 / 14 图6是环境温度的变化趋势，环境温度总的趋势大致是上升的，但在 12: 30 13: 30区间，稍有下降，随后又持续上升了，达到最高点，即 25. 1 C。之后因为太阳辐照度的减小，

21、环境温度也随之下降。 从图7可以看出，实验期间都只是微风，9: 0O 一 15: 30, 风速都不 大，在下午14 : 30时达到最大值，为1 . 25 m / s , 平均风速为0 . 61 m / s。 ffifi 环境制厘陆时M的变化20 20 19 9:00 IQ;OC t!;00 12:00 13:00 L4:DC 15:00 lb:00 时厕 图环境討哩陆时间的变化 pmBTris 8 11 / 14 图8给出了集热器进出口压降的变化。压降的变化和流量有关，故将图 与图5作比较。比较结果可以看出：当流量在 90110 kgm时，压降为 0. 018 M Pa ;当 流量在70 9o

22、kgm时，压降为 O . O14a;当流量在 6070kg / h时， 压降为0 . 011 M Pa 。 说明压降与流量的变化有 43. 4 C逐渐上升到57 . 9 C,之后稍有下降至55 . 5 C；出口温度由开 始的54 . 2 C逐渐上升到80 . 5 C,之后稍有下降，至75 . 7 C；进 出口温差由开始的10 . 8 C, 到14 : O0时达到最大值22 . 3 C。 进 出口温度的变化规律基本相似。 图10为吸热板，端盖里层及端盖外层温度随时间的变化。吸热板的温度 在12 : 0O 一 15: 00期间，都达到90 C以上。端盖里层玻璃温度变化和吸 热板温度变化相似，与吸热

23、板温差保持在 5 . 710 3 C内。端盖外层温 度与端盖里层温度温差保持在 25 . 240- 4 C内。端盖外层玻璃温度变化 与吸热板、端图9显示了集热器进口及出口温度随时间的变化。 进口温度由开始的 图越蹩然器压降駆时测的变化 fLJVftfLJVfttfitfitttt戒40 _ 9:00 10:00 11:00 IZ:00 UrQO 14:00 H OO 16:00 图9 进口攻;片口温曜谢时间的変化 550595 0550595 0 8877 68877 6- -655655 8 12 / 14 盖里层玻璃的变化略有不同，温度变化和吸热板及端盖里层玻璃13 / 14 温度相比更平

24、坦，主要原因是外层玻璃还受到风速、环境温度等因素的影响。 Ifl 10吸悭板*谕孟两肚跛璃弘度隔肘间的变化 图11给出了集热器瞬时效率的变化。开始的低温阶段，集热器的效率只 能达到20 %多，到工质出口温度达到 70 C以上后效率明显增高，达到 左右，最高效率能达到 45%。13: O0左右效率因为环境温度、流量、 及压降的综合影响有小幅度下降 吸热体管路耐压测试 对吸热体管路进行打压实验，实验压力 0.9Mpa,保持10min后检查吸热体 管路及管路连接处，未发现泄露，未发现膨胀变形。 4分仓即热型储热水箱 对内置小型换热舱进行检测， 换热舱材质 SUS-3042B承压0.6MP,取水管 长

25、度40cm加热器总功率2100VY加热效率90%智能控制反应时间为 0.5秒 加热器响应时间为10秒，出水温度稳定时间为19秒。 40 % 风速 O O. . 4545 0.20 瓏00 11:00 12:00 门:00 16:00 皿0000知側706450706450他3030 0.25 00 2:00 11:00 12:00 13:00 H:0D 13:00 16:00 时间 阳M集热祥瞬时效率翻时闻的变化 14 / 14 5吸热体管路、夹层水箱与增压循环泵联动测试 将吸热体管路与夹层水箱传热工质进出口连接，增压循环泵串联至两者中 间，充注传热工质后打开增压循环泵外接电源进行负载实验。实

26、验过程中，增 压泵运行稳定，未出现气堵、散热不畅等状况，未见夹层水箱及吸热体管路出 现异常。 三）系统集成及全系统性能测试 1系统做正常的阳台分体安装，循环管路长 3M/根，系统的日有得热量 7.7MJ/m;平均热损9 W/（M K ;能效系数0.66CTP即1级。系统加热10度水 至出水40度时间为5分钟， 2系统做集热器高于水箱 6M的测试，系统的日有得热量 7.7MJ/m;平均热 损9 W/（M K ;能效系数0.66CTP即1级 3系统做集热器与水箱之间间隔20M的测试，系统的日有得热量 7.5MJ/m;平均热损 9 W/（M K。 4系统做100户试点安装，系统运行故障率为 0;用户

27、满意率达99% 5系统做项目的试点安装，系统运行故障率 0.01%,甲方满意率达100% 15 / 14 四）对比分析 运行曲线 与普通自然循环系统相比较 与带有泵站的强制循环系统相比较 五、数据分析及解决的关键问题 数据分析 全系统运行数据 各分系统间配比关系 解决的关键问题 系统的整体设计 解决了循环不畅的问题，解决冬季不热的问题、简化安 装、降低成本 各分系统的选型及设计 不同大小的集热器所使用的系列产品 六、 总体性能指标与国内外同类先进技术的比较 有无国外相关研究的报道？） 七、 技术创新点及成熟度、推广前景 V）技术创新点 1. 嵌入式自主独立发电实现温控强制循环：在集热器上设计搭

28、载小型自发 电智能循环系统，利用内置于集热器上的小型光伏系统发电和逆变蓄能及温控 调节等手段实现集热器一体式微型增压循环，在不消耗外接电源的前提下，实 现了集热器传热循环的自增压，提高系统集热效率，解决了自然循环型分体式 太阳能热水器传热介质缓慢或循环不畅的技术难题，避免了低温下集热器的热 损失，克服了强制循环型分体式太阳能加设循环控制泵站及管路、电路等以致 增加成本的缺点。 16 / 14 2. 简化了安装工艺，减少安装人工费用，实现了整机安装与建筑完美结合。 3. 拥有自发电智能增压循环系统，热效率提高了 20% 4. 优先使用太阳热能，巧妙实现即开即热：在储热水箱内设置小型换热 舱，并在

29、换热舱顶端设置取水导管，取用水箱上部温度较高水源，充分利用基 础水温，通过水温控制多级加热调节系统，迅速、精确加热流经或存储于小型 换热舱内的热水，即开即热，省时省电，实现了节能与舒适性的统一。 5. 智能温控，反馈式多级加热调节系统：进出口水温作为反馈控制的方 式，做到水温低时多加热、水温高时少加热的智能型节能调温，避免无效功 耗，真正实现了太阳能热水器的智能化节能。 二）系统成熟度与推广前景 系统的组装和服务已通过 9001质量管理体系认证，14001环境认证，产品 已通过国家检测院的检测，检测能效为一级。 产品在长红的全国各代理商中进行销售，并已安装于多个项目项目，如江 苏沐阳的盛唐世家

30、小区，宁夏的祥和花园小区等，并得到了广大用户的好评。 八、 存在的问题 1、光伏发电模块的嵌入式安装与模块化外置安装的探讨 2、控制系统、增压循环管路模块化设计，使其便于与常规平板集热器装 配安装 便于推广至其它品牌、规格平板集热器）。 3、最佳集热器管路排列方法探讨 4、小型换热舱的设计及其安装固定方法 九、研究结论 “平板分离式新能源热水系统”通过设计在平板集热器上设置自发电自增 压温控循环，以不消耗外接电源的方式实现了集热器传热循环的自增压，大大 提高了系统效率，简化了产品的使用安装。通过在储热水箱内设置小型换热舱 及顶端取水衬管，优先取用水箱顶端温度较高水源，充分利用基础水温，在减 小需加热水量的基础上设置温控制多级加热调节系统，实现了迅速加热流经或 存储于小型换热舱内的热水，可即刻满足用户的用水需求而不必等待水箱内水 温全部升高，实现了节水节电以及用水舒适性的需求，真正实现了太阳能热水 器的智能化、节能化。 在分体式太阳能热水器蓬勃发展的今天，“平板分离式新能源热水系统” 以其热性17 / 14 能高、升温快、能随时满足用户使用等独特优势，不仅能满足广大用 户需求，更能实现节能降耗，是一款值得广泛推广的好产品。