捕捉更多的陽光——太陽能熱利用的技術趨勢
時間:2010-03-22 21:09 太陽能產業網 點擊:次 我要評論（）
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《太陽能信息TOP財智》前言：
目前，太陽能熱利用產品琳瑯滿目，比比皆是。但是我們卻很難說哪一款產品技術含量更高，更符合產品的性能指標。在本文中，Amin·Bennouna向我們展示了太陽能熱利用產品性能發展變化的過程，并將平板太陽能與真空管太陽能進行了相互對比。
隨著太陽能市場的日益完善以及太陽能市場競爭的日益加劇，身處其中的太陽能制造商們不得不一次又一次地提高其產品性能以適應市場變化。事實表明，技術在太陽能行業的各個領域都是很重要的一個因素。尤其是在一條新的生產線籌建之際，技術顯得更是尤為重要。這種情況下，就要求各生產商對市場競爭主體，現有的產品性能的技術含量，產品發展的普遍趨勢以及新產品的發展潛力等都要有一個很好的把握。
好中選優
為了能夠更好地評估太陽能熱利用技術發展趨勢，我們對652組玻璃太陽能集熱管的測試數據進行了集中的研究。這組數據囊括了來自全球5個不同測試機構的測試結果。其中，235組數據是經由瑞士SPF研究機構測試，157組數據來自美國的SRCC，106組來自德國的ITW，106組來自法國的CSTB，另外還有48組來自奧地利的Arsenal。另外，與其他機構的測試結果的對比尚在進行中。對于水箱和包括熱交換器在內的其他配件的測試結果，我們則采用制造商們自己提供的產品說明數據。
在測試中，經測試的220款品牌共經過652次測試，其中509次測試用于平板集熱器，103次用于真空管集熱器。測試結果不僅顯示出全球范圍內太陽能熱利用行業可用技術的多樣性，同時也反映出行業發展的普遍因素以及各自的發展趨勢。
太陽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。但是在此次的調查中，我們僅針對玻璃系統進行評估。不僅如此，產品的原型、價格，甚至包括吸收器、玻璃、保溫以及外包裝等決定產品性能的因素也在我們此次調查范圍之內。根據產品的外觀，3種太陽能集熱器的規格主要從以下幾方面考慮：吸收器體積（以物理學家計算的實際采光表面為準）、總體積（以生產商和分銷商提供的產品外部高度以及寬度為準）以及孔徑面積（總面積÷側面絕緣層面積，主要以歐洲測試標準為主）。
必要時，在EN12975歐洲標準下進行的集熱器孔徑面積測試的原始數據可以轉換為ISO9806標準。
玻璃平板集熱器
據分析資料表明，一臺普通的玻璃平板集熱器的開放面積（采光面積、集熱面積）約為2.67m2，大多數玻璃平板集熱器的開放面積都介于2到2.4m2之間。圖1顯示其孔徑面積變化（左軸顯示表面級別頻率，而右軸則表示帶有一個較小開放面積的百分比）。通常吸收器面積相當于開放面積。但是，與整體面積相比，開放面積部分代表了生產商購買的單位原材料的光學表面。盡管如此，必然還要排除因套管邊緣，包括因面積太小而導致更多熱能損耗的橫向絕緣厚度的比例。（見表1）
表1 簡要的玻璃平板太陽能集熱器各部件的幾何參數。
集熱面積級別
圖1孔徑面積與出現頻率的比較
繪制孔徑部分分布的類似圖表將會顯示出，普通玻璃平板集熱器的開放面積比約為0.904，大部分玻璃平板集熱器的開放面積比都居于0.86到0.92之間。
集熱器邊緣規格（部分區別在于原材料和孔徑規格）直接取決于保溫層厚度。調查中，平板集熱器邊緣規格分布情況說明，一臺典型的玻璃平板集熱器邊緣部分約為2.9厘米，評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
圖2顯示了玻璃平板集熱器光學性能分布情況。圖中的右軸表示優于表面級別的該款集熱器百分比。一臺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%的集熱器光學性能高于0.782，但其中僅有20%的集熱器光學性能值能夠大于0.790。
溫度與開放面積關系
圖2 依照FRUL，玻璃平板集熱器的光學性能數據分布
根據FRUL（集熱器總熱損系數），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于大型玻璃平板集熱器來說相對較低。這點可以被證實：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％）。
根據玻璃平板型集熱器熱損耗導熱系數的分布情況分析，平均值約為0.013W/m2·K2在評估中，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，系數值隨著吸收體保溫性能的增加而降低。
我們曾觀察過平板集熱器的壓降系數分配，壓降系數以壓降“帕”除以流量（m3/s）的平方表示。用此計算，一臺普通的集熱器的壓降系數為1.45×1011且大多集熱器壓降主要介于0.5~1.5×1011之間。80%的集熱器壓降系數低于2.11×1011，僅有20%的集熱器壓降系數低于（優于）0.57×1011。不過，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要低于螺旋管集熱器的壓降系數。
在集熱器光學性能和熱損耗之間不存在任何明確的聯系。然而，部分制造商在提高保溫性能的同時試圖提高選擇性和玻璃傳輸時，卻發現這兩個參數顯示出緩慢下降的趨勢。
真空管集熱器
針對管狀太陽能集熱器，我們分別對104次測試結果進行分析。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，我們無需提出更多的表面面積統計數字。根據各種調查中的產品，一臺普通的真空管集熱器具有約0.77開放面積比。在孔徑面積與整體面積對比的分析圖中，真空管集熱器的孔徑面積呈現傾斜變化。一般而言，兩個參數之間的線性關系說明孔徑比約為0.769。
圖3顯示真空管集熱器光學性能的分布情況。一臺普通的真空管集熱器的效率系數約為0.667，參加評估的大部分集熱器光學效能要介于0.60~0.76之間。同樣的，80%的集熱器的光學性能優于0.555，其中僅有20%的集熱器的光學性能在0.755之上。
溫度與集熱面積共同作用等級
圖3 真空管集熱器光學性能分布
表2 真空管與平板性能參數總覽
基于真空管集熱器熱能損耗的分布情況，一臺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熱系數的分布表明，普通的真空管集熱器的導熱系數約為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。用此計算，一臺普通的真空管集熱器的壓降系數為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%的集熱器壓降系數低于7×1011，僅有20%的集熱器壓降系數低于（優于）0.9×1011。
同樣的，集熱管在光學性能與熱能損耗之間也沒有任何明確的聯系。但是，與平板集熱器不同的是，分析圖中這兩個參數變化呈現上升趨勢，這否定了制造商們力圖同時改善集熱器熱能損耗和光學性能的嘗試。相反的，管狀集熱器在工程技術方面的一系列局限性似乎制約著一些集熱器同時具有高光學性能和低熱能損耗。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或者價格上的矛盾造成的。
水箱與熱交換器
表2摘要的列舉了玻璃平板太陽能集熱器和真空管集熱器的性能參數。應當指出的是，相較于平板集熱器技術，各種真空管集熱器技術雖多，但卻要求更高的均方根值。
平板型集熱器性能的發展變化
對于平板集熱器，生產商似乎很難做到在光學和熱效率兩方面同時提高。事實上也證實，光學和熱效率之間的相互關系并不十分明顯。事實上也僅有1/3的集熱器同時在光學和熱效率兩方面優于一般集熱器。
對于玻璃平板型集熱器，圖4顯示了其孔徑面積、熱損耗以及光學效率的年平均測試值的變化。
在過去10年里，參數的相對穩定說明玻璃平板太陽能集熱器的技術已經趨于成熟。不過，其中還有一些小的細節需要我們注意。比如：玻璃平板集熱器的孔徑面積每年約以1.85%的速度逐漸縮小（上世紀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解釋。但是，光學性能正以每年約0.17%的速度緩慢下降，這個降幅雖小，但這個很明顯的趨勢乍看卻很令人吃驚。這個現象說明越來越多的制造商開始使用透明玻璃或者低選擇性吸收器。作者：摩洛哥太陽能產業協會前任總裁Amin·Bennouna 譯者：景亞娣
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