睁术 ・论文Ｔｈ。。ｉ。 ｆ专 】 【节 太阳能光热系统性能测试 标准概述 太阳能光热利用是指将太阳辐射能量收集起来， 通过太阳集热器，将太阳能变为可以利用的热能，目 前主要应用在太阳能热水器和光热发电两大领域。我 国的太阳能产业从上世纪８０年代开始快速发展，各大 专院校与科研院所对太阳能光热利用开展了大量的研 究工作，而随着国家“８６３”计划的实施，一批科研 成果迅速地转化为生产力，推动了我国的太阳能光热 利用的产业化进程。 目前，太阳能热水器是我国光热利用最成功的领 域，我国已成为世界上最大的太阳能光热应用市场， 也是世界上最大的太阳集热器制造中心。数据显示， 到２００９年，我国集热器累计推广总面积约１．４５亿平方 米，占世界总量的７６％左右；年产量达４ ０００多万平方 米，接近世界总产量的６０％。２００９年我国太阳能热水 器总销售额约５７８．５亿元，同比增长３４．５％；出口额近 ２４Ｌ美元，同比增长６６．６％。太阳能光热技术不仅在民 用领域，还在造纸、饮料、机械、纺织、食品、养殖 等工农业生产方面得到了广泛应用。 光热发电是太阳能利用的一个重要方面。这项技 术是利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能， 通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工 艺，从而达到发电的目的。从理论上讲，采用太阳能 热发电技术，避免了光伏发电中昂贵的硅晶光电转换 工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。 “十一五” 期间，国家对光热发电技术研发的投资力度不断加 大。数据显示，从２０ｏ６到２０１０年，仅科技部投入光热 发电的经费就超过４ ７５０万元，重点技术领域取得了突 ３５ 质量与标准化００ ∞ｒ囊 ＜ 。¨¨ ｛ｊ －－２０１１．３ 文／葛志松张进明刘刚 破性进展。 随着太阳能光热产业的逐步建立和发展，光热转 换装置也在向高品质高性能的方向发展。在评价光热 转换装置的性能之时，光热转换效率是经常使用的一 个指标。国内外都对光热系统性能测试的方法开展了 相应的标准化工作，逐步建立了太阳能光热转换方面 的技术标准体系。在本文中，首先将对光热转换装置 的不同分类进行介绍，结合不同类别对国际上使用的 以及国内使用的光热转换性能测试标准进行汇总，并 且随着光热转换技术的日新月异以及具体测试过程中 的实际情况，尝试指出现行标准中可能存在的局限和 问题，并给出相应的合理化建议。 一、集热器的分类 太阳集热器可以按照不同的方法进行分类，比 如，按照集热器的传热工质可以分为液体集热器和空 气集热器等；按照进入采光口的太阳辐射是否改变方 向分为聚光型集热器和非聚光型集热器；按照集热器 是否跟踪太阳分为跟踪集热器、非跟踪集热器；按照 集热器内是否有真空空间分为平板型集热器、真空管 集热器；按照集热器的工作温度范围分为低温集热 器、中温集热器和高温集热器等。 而按照目前的使用领域来分的话，结合我国目前 已有的性能测试的国家标准，太阳能光热系统可以分 为太阳能热水器和太阳能光热发电两个部分。对于太 阳能热水器来说，包括平板型太阳集热器、真空管型 太阳集热器、全玻璃真空太阳集热管、玻璃一金属封 接式热管真空太阳集热管等等。目前，国家也分别针 Ｔｈ。。ｉ 论对这几种热水器制定了相应的国家标准，以及集热器 文・ 学 盘式（又称碟式）太阳能热发电系统（抛物面反 射镜斯特林系统）是由许多镜子组成的抛物面反射镜 的热性能试验方法和太阳热水系统性能评定规范。 在光热发电方面，发电形式通常分为槽式 组成，接收在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质 被加热到７５０￣Ｃ左右，驱动发动机进行发电。碟式系 统有着比另外两种发电系统更加优良的性能，光热转 （ｔｒｏｕｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）、塔式（ｃｅｎｔｒａｌ ｔｏｗｅｒ）和碟式 （ｄｉｓｋ—ｔｖｐｅ）三种类型的集热器。其中槽式发电是最早 实现商业化的太阳能热发电系统，它采用大面积的单 轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把 换效率可以达到８５％左右，而且使用灵活，但是高昂 的成本限制了它的规模应用。目前针对碟式的研究也 主要集中于提高稳定性和降低成本两个方面。 太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接 收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液 汽化，同时，在能量区的热转换设备中产生高压、过 热的蒸汽，然后送人常规的蒸气涡轮发电机内进行发 电。槽式系统示意图如图１所示。 括式系统 牲 图１槽式系统示意图 塔式系统利用独立跟踪太阳光的定Ｅｔ镜群把太阳 光聚集到塔顶的能量转换器上，通过能量的转换把热 量传递给热传导液，再由蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸 汽涡轮发电机产生电能。塔式太阳能发电系统是利用 定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电 系统中定日镜的数量众多，因此可实现大功率的发 电，实际应用上可达到３０～４００ＭＷ之间，而且接收器 的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换 效率。塔式系统示意图如图２所示。 塔式系统 兜ｌ墨 图２塔式系统示意图 对太阳集热器的热性能测试实验方法，美国国家 标准学会（ＡＮＳＩ）和ＡＳＴＭ国际（ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１） 有相关的集热器热性能实验方法和追踪强化太阳能收 集器的性能实验方法等规范对其性能进行评价；欧洲 标准ＥＮ也有热太阳能系统和组件的评价方法可以参 考；国内测试标准可以参考太阳集热器和热水系统性 能评定规范，而对于追踪式的光热系统性能评定，目 前暂无相关标准。 二、美国标准概述 美国国家标准学会的美国采暖、制冷与空调工程 师学会（ＡＳＨＲＡＥ）制定的太阳能性能测试的标准主 要有ＡＳＨＲＡＥ ９３—２００３《测定太阳能采集器热性能的 试验方法》（Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ），以及ＡＳＨＲＡＥ １０９—１９８６ （Ｒ２００３）《测定含有沸液的平板太阳能收集器的热性 能的测试方法》（Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｌａｔ－Ｐｌａｔｅ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ Ｃｏｎｔａｉｎ— ｉｎｇ ａ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ ｏ ＡＳＴＭ国际（ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１）制定了ＡＳＴＭ Ｅ９０４—１９８７（Ｒ２００７）《太阳能收集器用全天热性能数 据的形成》 （Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ａｌｌ—Ｄａｙ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄａｔａ ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ），以及 ＡＳＴＭ Ｅ９０５—１９８７（Ｒ２００１）《追踪强化太阳能收集器 热性能的试验方法》（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒ— ｍｉｎｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｏ 其中，ＡＳＨＲＡＥ ９３起草于１９８６年，对以液体和气 体为导热介质的集热器的性能测试方法做了详细的规 定；ＳＨＲＡＥ １Ｏ９则补充说明了以液体为导热介质的平 板型集热器在液体发生相变的情况下，如何评价集热 器的性能；ＡＳＴＭ Ｅ９０４详细规定了在进行集热器性能 实验时，实验工件和测试仪器的具体要求以及安置方 质量与标准化Ｑｕａｉｉｔｙ ａｌｔｄ ｓ！ａＰ，ｉ ｄｉｚａｔｉ（）［］２０１１．３ ３６ 睁术 ・论文Ｔｈ。 ｉ 型的液体导热介质的集热器安装测试装置如图３所示。 法，对测试过程中出现的概念和术语进行了定量的描 述，以保证可以获得准确的测试数据；ＡＳＴＭ Ｅ９０５规 定了对一维追踪聚焦系统和二维追踪聚焦系统热性能 的评定方法。几份标准侧重点各有不同，但都引用了 ＡＳＨＲＡＥ ９３标准的基本概念和方法。 ＡＳＨＲＡＥ ９３标准适用范围为集热器中导热介质在 流动过程中无相变，集热器单输入单输出（多输入和 多输出的集热器可参考该标准进行测试），聚焦型和 非聚焦型的集热器，不适用于无盖板平板液体型（可 参考ＡＳＨＲＡＥ ９６—１９８０标准）和流动过程中导热介质 发生相变的集热器（可参考ＡＳＨＲＡＥ １０９—１９８６标准）。 测试的一些基本要求包括尽量对整个系统（相对于单 个模块来讲）进行测试，以便得到系统数据；系统安 置地点应避免周围环境的影响，周围无遮蔽物或反射 物以避免对测试结果产生影响；导热介质的热物性已 知，尽量采用系统在工作时采用的介质，但是当Ｔ作 介质不适用测试工况时（如黏度在Ｔ况下太大的情 况），可以选用更加适合测试工况的导热介质。 ＡＳＨＲＡＥ ９３标准对测试仪器的要求包括辐射仪 器、温度仪器、压力仪器和流量仪器的准确度和分辨 率、对周围环境的应变能力以及校准周期等。以辐射 仪器为例，标准规定测试中使用的辐射仪器包括全日 射强度计和直射强度计，辐射仪器对测试过程中环境 温度变化应不敏感，伴随温度变化出现的波动应小 于±１％；辐射仪器在光波范围０－３～２．５ ｒｎ的范围内， 灵敏度的变化率应优于±２％；全日射强度计全量程 的非线性度应小于±１％，校准后精度优于－Ｉ－１％；全 日射强度计的时间常数小于５ｓ，直射强度计的时间常 数小于２５ｓ；全日射强度计校准后随入射角变化的波 动应小于－４－１％，随倾斜角变化的波动应小于±１％； 为消除仪器和环境之间存在温差会引起的误差，仪器 应置放于环境中３０ｒａｉｎ以后进行测试；辐射仪器的校 准周期应小于１２个月：标准对温度仪器、压力仪器和 流量仪器的测试方法和测试要求也提出了明确的要求 和规定。 ＡＳＨＲＡＥ ９３标准规定的测试装置以液体导热介质 为例，对集热器的安放、环境温度测试地点和方法、 环境风速的测量方法、辐射仪器的测试安放、温差的 测量方法、集热器两端的压力测试方法、导热介质输 入调节以及其它仪器的注意事项等作了规定。一个典 ３７ 质量与标准化 ’ ｊ、＿ｓｔｄｎ翻 ０ ∞ ０， ２０１１ｊ 图３液体导热介质集热器安装测试示意图 集热器的热性能由连续的瞬时光热转换效率曲线 描述，瞬时效率与入射能量、环境温度、进口温度等 参数有关，需要对集热器接收的入射能量和导热介质 获得的能量在稳态或者准稳态条件下进行连续测量。 所谓稳态，指如人口温度变化小于±２％（或１．０℃）， 导热介质流量变化小于±Ｏ．Ｏ０５ｇｐｍ（０．０ ００３１５Ｕｓ）， 在每个测试间隔内，环境温度变化小于±１．５℃。准 稳态指可以近似认为在稳态条件下的工作状况，随不 同的集热器类型测试而略有不同。为了确定系统是否 已经进入稳态或者准稳态，需要对系统进行时间常数 的测定。 集热器在稳态或者准稳态的瞬时热效率（见公式 １）可以表示为： ＝ 集热器实际使用到的能量 ９器接收区 式中：１１ ——集热器瞬时热效率。 而有用能量（见公式２）可以由导热介质的流量、 定压比热和进出口温差求出： ｑ，，＝ｒｂｃｚ ｔｔｆｆ ） （２） ｑ ——集热器实际使用的能量； 而——集热器内流体的流量； ｃｓ ——集热器内流体的定压热容； ｔ ——集热器内流体的出口温度； ｔ ——集热器内流体的进口温度。 则瞬时效率（见公式３）可表示为 ｑ． ７７ —Ａ—Ｇ （３） ，Ａ 集热器接收面积； Ｔｈ。 ‘１ 论文． Ｇ，——测试期间内全日射辐射强度。 学术］ 阳集热器通用要求》 （Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｌａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ．Ｇｅｎｅｒａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）、ＥＮ 对于聚焦型集热器，把全日射辐射强度ｃｔ替换为 直射强度Ｇｂｐ￣［Ｊ可。 而当系统不在稳态或者准稳态下Ｔ作时，如辐射 １２９７５—２口２００６《光热系统及部件太阳集热器测试方 法》 （Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｌａｌ・ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ．Ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏ 强度发生瞬变时，此时需要用时间常数来确定出口温 度。系统瞬态的热量变化（见公式４）为： ＥＮ １２９７５—２口２００６标准针对导热介质为液体的集 热器制定。标准由两部分组成，一部分是光热系统的 Ｇ （ ） 一 （ ，一 ）一安 （ 一 ）（４） 可靠性、耐久性和安全性试验，另外一部分是光热系 ｃ ——集热器有效热容； Ａ——集热器接收面积； ｆ广集热器内流体的平均温度； ——集热器热转移因子； ．ｒ ——集热器吸热能力的两个无量纲参数； ｕ ——集热器散热系数。 公式４等号右边第一项为瞬态全辐射能量，第二 项为损失能量，第三项为瞬态进出口总能量。定义系 数Ｋ（见公式５）为： 者ｆ Ｊ （５） Ｆ一吸收器无量纲效率系数。 则可以通过公式６来确定瞬态的出口温度： 锄 ，！ ！ ！ ！、 Ｇ｜（ＴＯ ；ｇ） 一 （ 一 ）一（而 ；！ 二 ！二）（ 厂 ） 广＿一集热器内流体在瞬变开始前的出口温度。 此处埘ｃ 的倒数Ｋｃ ｃ 即为时间常数。 ＡＳＨＲＡＥ ９３标准中还提供了修正入射角度对性能 测试影响的方法，同时包括导热介质为气态时的安装 要求、测试方法和计算方法。结合标准ＡＳＴＭ Ｅ９０４—１９８７，基本可以完成集热器热性能测试试验； 对于导热介质有相变的集热器性能测试，可以参考标 准ＡＳＨＲＡＥ １０９—１９８６（Ｒ２００３），该标准采用一个次级 换热循环将相变的换热转换为无相变的换热，从而对 集热器热性能进行评价；跟踪聚焦的集热器也可参考 ＡＳＨＲＡＥ ９３，也可以参考ＡＳＴＭ Ｅ９０５—１９８７（Ｒ２００１）， 该标准给出了这种类型集热器的测试方法，基本思想 同于ＡＳＨＲＡＥ ９３。 三、欧洲标准概述 欧洲标准化组织（ＣＥＮ）制定的太阳能性能测试 的标准主要有ＥＮ １２９７５—１口２００６《光热系统及部件太 统的热性能试验。热性能试验包括三个部分，分别是 带玻璃罩的集热器稳态性能试验、不带玻璃罩的集热 器稳态性能试验和集热器通用准稳态性能试验。该标 准中热性能测试方法同样适用于聚焦型集热器，但不 适用于带储热装置且不能与集热模块分离的集热器。 ＥＮ １２９７５—２口２００６标准规定的测试一般要求与 ＡＮＳＩ ＡＳＨＲＡＥ ９３标准类似，集热器的安放方式和倾 角、安放位置、消除散射和漫射光的影响、风速，以 及测试在实验室内进行时应避免在集热器周围出现热 源和冷源等都作了详细规定。 ＥＮ １２９７５—２口２００６标准对仪器的要求可以按照试 验在室内和室外进行分为两种情况，需要注意的是， 在室内进行试验时，如果光源采用的是模拟太阳光， 那么全太阳辐射计的测量数据要采取消除长波 【６） （３ ｉｎ以上波长的红外部分）影响的措施。 ＥＮ １２９７５—２口２００６标准对温度测量仪器、流 量测量仪器、风速测量仪器、时间常数测量仪器的准 确度和测量不确定度范围作了明确的规定，其中对于 进出口的温度测量，不仅规定分辨率低于０．０２ Ｋ、测 试不确定度低于０．１ Ｋ，并且规定了温度传感器安装的 方式和位置，规定距离进出口位置２００ ｎｌｎｌ以内，且管 上应有流体混合装置保证温度测试的可靠性，温度传 感器安装示意图如图４所示。 １、温度传感器２、弯管３、太阳集热器４、弯管５、温度传感器 图４温度传感器示意图 质量与标准化 ∞ 。 － －
