捕捉更多的阳光——太阳能热利用的技术趋势
时间:2010-03-22 21:09 太阳能产业网 点击:次 我要评论（）
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《太阳能信息TOP财智》前言：
目前，太阳能热利用产品琳琅满目，比比皆是。但是我们却很难说哪一款产品技术含量更高，更符合产品的性能指标。在本文中，Amin·Bennouna向我们展示了太阳能热利用产品性能发展变化的过程，并将平板太阳能与真空管太阳能进行了相互对比。
随着太阳能市场的日益完善以及太阳能市场竞争的日益加剧，身处其中的太阳能制造商们不得不一次又一次地提高其产品性能以适应市场变化。事实表明，技术在太阳能行业的各个领域都是很重要的一个因素。尤其是在一条新的生产线筹建之际，技术显得更是尤为重要。这种情况下，就要求各生产商对市场竞争主体，现有的产品性能的技术含量，产品发展的普遍趋势以及新产品的发展潜力等都要有一个很好的把握。
好中选优
为了能够更好地评估太阳能热利用技术发展趋势，我们对652组玻璃太阳能集热管的测试数据进行了集中的研究。这组数据囊括了来自全球5个不同测试机构的测试结果。其中，235组数据是经由瑞士SPF研究机构测试，157组数据来自美国的SRCC，106组来自德国的ITW，106组来自法国的CSTB，另外还有48组来自奥地利的Arsenal。另外，与其他机构的测试结果的对比尚在进行中。对于水箱和包括热交换器在内的其他配件的测试结果，我们则采用制造商们自己提供的产品说明数据。
在测试中，经测试的220款品牌共经过652次测试，其中509次测试用于平板集热器，103次用于真空管集热器。测试结果不仅显示出全球范围内太阳能热利用行业可用技术的多样性，同时也反映出行业发展的普遍因素以及各自的发展趋势。
太阳能集热器主要可分为以下3种：玻璃平板/真空管热水器、玻璃平板/真空管空气源热泵以及泳池加热的非玻璃平板集热管。但是在此次的调查中，我们仅针对玻璃系统进行评估。不仅如此，产品的原型、价格，甚至包括吸收器、玻璃、保温以及外包装等决定产品性能的因素也在我们此次调查范围之内。根据产品的外观，3种太阳能集热器的规格主要从以下几方面考虑：吸收器体积（以物理学家计算的实际采光表面为准）、总体积（以生产商和分销商提供的产品外部高度以及宽度为准）以及孔径面积（总面积÷侧面绝缘层面积，主要以欧洲测试标准为主）。
必要时，在EN12975欧洲标准下进行的集热器孔径面积测试的原始数据可以转换为ISO9806标准。
玻璃平板集热器
据分析资料表明，一台普通的玻璃平板集热器的开放面积（采光面积、集热面积）约为2.67m2，大多数玻璃平板集热器的开放面积都介于2到2.4m2之间。图1显示其孔径面积变化（左轴显示表面级别频率，而右轴则表示带有一个较小开放面积的百分比）。通常吸收器面积相当于开放面积。但是，与整体面积相比，开放面积部分代表了生产商购买的单位原材料的光学表面。尽管如此，必然还要排除因套管边缘，包括因面积太小而导致更多热能损耗的横向绝缘厚度的比例。（见表1）
表1 简要的玻璃平板太阳能集热器各部件的几何参数。
集热面积级别
图1孔径面积与出现频率的比较
绘制孔径部分分布的类似图表将会显示出，普通玻璃平板集热器的开放面积比约为0.904，大部分玻璃平板集热器的开放面积比都居于0.86到0.92之间。
集热器边缘规格（部分区别在于原材料和孔径规格）直接取决于保温层厚度。调查中，平板集热器边缘规格分布情况说明，一台典型的玻璃平板集热器边缘部分约为2.9厘米，评估中所涉及的玻璃平板型集热器大多都介于2~4厘米的范围。许多制造商采用2~3厘米厚的保温层，保温层中吸收器与绝缘层之间的空隙约为0~0.9厘米。
性能指数
图2显示了玻璃平板集热器光学性能分布情况。图中的右轴表示优于表面级别的该款集热器百分比。一台普通的玻璃平板型集热器效率大约为0.745，其中大部分玻璃平板型集热器主要介于0.74~0.82之间。80%的集热器光学性能高于0.782，但其中仅有20%的集热器光学性能值能够大于0.790。
温度与开放面积关系
图2 依照FRUL，玻璃平板集热器的光学性能数据分布
根据FRUL（集热器总热损系数），玻璃平板集热器热能损耗的平均值约为3.850W/m2·K。大部分该型集热器主要介于4~5W/m2·K之间。评估中，80%的集热器热能损耗低于4.245W/m2·K仅有20%的集热器热损耗值低于3.380 W/m2·K。
横向热能损耗的影响对于大型玻璃平板集热器来说相对较低。这点可以被证实：随着面积的增加，平板集热器热能损耗略有变化（每m2增量面积约1％）。
根据玻璃平板型集热器热损耗导热系数的分布情况分析，平均值约为0.013W/m2·K2在评估中，该型集热器大多介于0.008到0.016W/m2·K2之间。其中约有80％的集热器值低于0.0185W/m2·K2，仅有约20％集热器低于0.0068W/m2·K2，系数值随着吸收体保温性能的增加而降低。
我们曾观察过平板集热器的压降系数分配，压降系数以压降“帕”除以流量（m3/s）的平方表示。用此计算，一台普通的集热器的压降系数为1.45×1011且大多集热器压降主要介于0.5~1.5×1011之间。80%的集热器压降系数低于2.11×1011，仅有20%的集热器压降系数低于（优于）0.57×1011。不过，压降主要取决于吸收器的液压原理，因此平行管集热器的压降系数要低于螺旋管集热器的压降系数。
在集热器光学性能和热损耗之间不存在任何明确的联系。然而，部分制造商在提高保温性能的同时试图提高选择性和玻璃传输时，却发现这两个参数显示出缓慢下降的趋势。
真空管集热器
针对管状太阳能集热器，我们分别对104次测试结果进行分析。管状集热器属于模块化，因此除了已有的孔径面积分布情况，我们无需提出更多的表面面积统计数字。根据各种调查中的产品，一台普通的真空管集热器具有约0.77开放面积比。在孔径面积与整体面积对比的分析图中，真空管集热器的孔径面积呈现倾斜变化。一般而言，两个参数之间的线性关系说明孔径比约为0.769。
图3显示真空管集热器光学性能的分布情况。一台普通的真空管集热器的效率系数约为0.667，参加评估的大部分集热器光学效能要介于0.60~0.76之间。同样的，80%的集热器的光学性能优于0.555，其中仅有20%的集热器的光学性能在0.755之上。
温度与集热面积共同作用等级
图3 真空管集热器光学性能分布
表2 真空管与平板性能参数总览
基于真空管集热器热能损耗的分布情况，一台普通的真空管集热器的热损耗约为1.476W/m2·K。大部分集热器主要介于1.2~2.4W/m2·K。80%的集热器的热损耗都在1.93W/m2·K以下，其中仅有20%的集热器的热损耗低于0.99W/m2.K。
各种真空管集热器的导热系数的分布表明，普通的真空管集热器的导热系数约为0.006W/m2·K2大部分集热器介于0.004~0.012W/m2·K2其中，80%的集热器导热值低于0.0098W/m2·K2，仅有20%的集热器低于0.0026W/m2·K2。至于真空管集热器压降系数的分布，同样的，我们以压降“帕”除以流量（m3/s）的平方表示压降系数。用此计算，一台普通的真空管集热器的压降系数为1.0×1012且大多集热器压降主要介于1~3×1011之间。在这些集热器中，80%的集热器压降系数低于7×1011，仅有20%的集热器压降系数低于（优于）0.9×1011。
同样的，集热管在光学性能与热能损耗之间也没有任何明确的联系。但是，与平板集热器不同的是，分析图中这两个参数变化呈现上升趋势，这否定了制造商们力图同时改善集热器热能损耗和光学性能的尝试。相反的，管状集热器在工程技术方面的一系列局限性似乎制约着一些集热器同时具有高光学性能和低热能损耗。这也许是由于在真空管密封和一些高传输玻璃或高选择性吸收材料使用之间存在的技术或者价格上的矛盾造成的。
水箱与热交换器
表2摘要的列举了玻璃平板太阳能集热器和真空管集热器的性能参数。应当指出的是，相较于平板集热器技术，各种真空管集热器技术虽多，但却要求更高的均方根值。
平板型集热器性能的发展变化
对于平板集热器，生产商似乎很难做到在光学和热效率两方面同时提高。事实上也证实，光学和热效率之间的相互关系并不十分明显。事实上也仅有1/3的集热器同时在光学和热效率两方面优于一般集热器。
对于玻璃平板型集热器，图4显示了其孔径面积、热损耗以及光学效率的年平均测试值的变化。
在过去10年里，参数的相对稳定说明玻璃平板太阳能集热器的技术已经趋于成熟。不过，其中还有一些小的细节需要我们注意。比如：玻璃平板集热器的孔径面积每年约以1.85%的速度逐渐缩小（上世纪80年代，集热器孔径面积明显大于3m2）。除此之外，集热器的热能损耗也以每年0.72%的速度逐步改善，虽然这可以完全用集热器表面面积缩小的理由来解释。但是，光学性能正以每年约0.17%的速度缓慢下降，这个降幅虽小，但这个很明显的趋势乍看却很令人吃惊。这个现象说明越来越多的制造商开始使用透明玻璃或者低选择性吸收器。作者：摩洛哥太阳能产业协会前任总裁Amin·Bennouna 译者：景亚娣
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