王冠龍， 高文峰， 劉滔， 林文賢

(云南師范大學 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術(shù)與制備重點實驗室，云南 昆明 650092)

1 引 言

全玻璃熱管真空太陽集熱管是一種新型的高效太陽能熱利用產(chǎn)品，它通過內(nèi)玻璃管上太陽選擇性吸收涂層所形成的吸熱體吸收透過外玻璃管的太陽輻照能，能量被導(dǎo)熱工質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，隨后傳遞至熱管使其蒸發(fā)段的工質(zhì)氣化并升到冷凝段，在冷表面上凝結(jié)并釋放出蒸發(fā)熱量[1-2].隨著太陽能熱利用的發(fā)展和普及，市場對太陽能集熱器等熱利用產(chǎn)品的需求越來越高，全玻璃熱管真空太陽集熱管也逐漸被用戶認可和使用[3].然而市場上的全玻璃熱管真空太陽集熱管質(zhì)量參差不齊，因此針對全玻璃熱管真空太陽集熱管的性能，尤其在實際應(yīng)用中起關(guān)鍵作用的熱性能的測試顯得尤為重要.

目前，太陽能產(chǎn)品的性能測試系統(tǒng)的研究不多；對太陽電池，楊祚寶等人對其光譜響應(yīng)性能的測試進行了研究[4]；對熱性能測試系統(tǒng)，劉宇對全玻璃真空管熱性能測試系統(tǒng)、王亮亮對太陽能熱水器熱性能測試系統(tǒng)進行了研究[5-6]，但對全玻璃熱管真空太陽集熱管熱性能的測試系統(tǒng)的研究少見.傳統(tǒng)的全玻璃熱管真空太陽集熱管熱性能測試工作需值守人員在室外陽光直射的環(huán)境下長時間進行，自動化程度低、準確度不足，測試中繁瑣的布線問題和電線長度更是限制了室外測試平臺的靈活性和測試效率.因此根據(jù)國家標準《GB/T 26975-2011全玻璃熱管真空太陽集熱管》中關(guān)于全玻璃熱管真空太陽集熱管的熱性能測試，本文提出一種全玻璃熱管真空太陽集熱管的自動化熱性能測試系統(tǒng)方案，實現(xiàn)室內(nèi)的值守人員通過無線方式對室外全玻璃熱管真空太陽集熱管的自動化熱性能檢測.

2 測試方案

國家標準《GB/T 26975-2011全玻璃熱管真空太陽集熱管》提出全玻璃熱管真空太陽集熱管的熱性能測試包括空曬和悶曬這兩部分熱性能測試[7].

2.1空曬性能測試

空曬性能參數(shù)是指空曬溫度和環(huán)境溫度的差值與直射太陽輻照度的比值，其中空曬溫度是在規(guī)定的太陽輻照度、環(huán)境溫度和風速條件下，全玻璃熱管真空太陽集熱管通過太陽輻射能轉(zhuǎn)化的熱能使自身冷凝段能達到的最高溫度.

圖1 空曬性能測試流程示意圖

Fig.1 Schematic of test for stagnation performance flow

空曬性能測試流程如圖1所示，具體是在直射太陽輻照度Go≥800 W/m2并在15分鐘內(nèi)輻照度變化量ΔGo≤±30 W/m2、環(huán)境溫度8 ℃≤ta≤35 ℃以及環(huán)境風速υ≤4 m/s的條件下，通過曝曬在太陽下的全玻璃熱管真空太陽集熱管加熱試驗水箱內(nèi)的空氣工質(zhì)，每5分鐘記錄一次空曬溫度ts、環(huán)境溫度ta和與全玻璃熱管真空太陽集熱管平面平行的太陽輻照度G，記錄四次數(shù)據(jù)后各取平均值，計算測定空曬性能參數(shù)Y為

2.2 悶曬性能測試

悶曬性能參數(shù)指的是悶曬太陽輻照量，具體是試驗水箱內(nèi)的水被全玻璃熱管真空太陽集熱管通過太陽輻射能轉(zhuǎn)化的熱能加熱到預(yù)設(shè)溫度的期間所需的太陽輻照度.

圖2 悶曬性能測試流程示意圖

Fig.2 Schematic of test for under stagnation performance flow

悶曬性能測試流程如圖2所示，具體是在直射太陽輻照度Go≥800 W/m2并在15分鐘內(nèi)輻照度變化量ΔGo≤±30 W/m2、環(huán)境溫度8 ℃≤ta≤35 ℃以及環(huán)境風速υ≤4 m/s的條件下，通過曝曬在太陽下的全玻璃熱管真空太陽集熱管加熱試驗水箱內(nèi)初始溫度略低于環(huán)境溫度的水工質(zhì)，當試驗水箱內(nèi)水工質(zhì)溫度達到環(huán)境溫度時開始累計與全玻璃熱管真空太陽集熱管平面平行的太陽輻照度G，最終測定水工質(zhì)溫度升高20 ℃所需的悶曬太陽輻照量H.

3 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

針對熱性能的參數(shù)測試，本系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計如圖3所示，整個測試平臺由傳感器、處理電路等硬件電路部分和測試臺支架等輔助測試部分組成.其中，輻射表1和輻照表2分別監(jiān)測直射太陽輻照度以及與全玻璃熱管真空太陽集熱管平面平行的太陽輻照度；風速儀和環(huán)境溫度計分別監(jiān)測周邊環(huán)境的風速和溫度；水箱溫度計和管壁溫度計分別監(jiān)測試驗水箱內(nèi)的水溫和全玻璃熱管真空太陽集熱管插入試驗水箱部分的冷凝段溫度.

圖3 測試平臺示意圖

測試系統(tǒng)的硬件電路部分主要由傳感器部分、處理電路部分和上位機部分組成(如圖4所示).置于室外的傳感器根據(jù)全玻璃熱管真空太陽集熱管熱性能測試標準中測量傳感器的精度和誤差范圍選取.測量溫度采用PT100溫度傳感器，該傳感器在0～650 ℃以內(nèi)其電阻輸出信號隨所測溫度的變化而線性變化[8]；太陽輻照表采用錦州陽光公司生產(chǎn)的TBQ-2系列太陽輻照表，其測量光譜范圍為0.28～3.0 μm，輸出的毫伏級電壓信號與太陽輻照度成正比；風速儀采用EC-9S系列風速傳感器，可測量0～75 m/s的風速，輸出的脈沖頻率信號與實時風速成正比，信號可直接被微處理器采集.

圖4 硬件電路示意圖

測試過程中，室外的傳感器采集熱性能測試所需的溫度、輻照度和風速數(shù)據(jù)，以信號方式傳輸?shù)教幚黼娐凡糠?其中，PT100溫度傳感器采用四線制接法能消除引線等外部干擾，提高溫度測量精度，傳感器輸出的電阻信號經(jīng)恒流源模塊后輸出毫伏級電壓信號(如圖5所示)，恒流源模塊中REF200為PT100等溫度傳感器的四線制測量方式提供恒定的0.4 mA驅(qū)動電流[9].輸出的電壓信號與太陽輻照表的輸出信號經(jīng)過放大模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，最終轉(zhuǎn)換成與風速信號一樣能被微處理器模塊自動采集的0～5 V電壓信號.

圖5 恒流源模塊示意圖

微處理器模塊以AT89LV52單片機為核心，該款8位高性能單片機具有8 kb可擦寫程序存儲器和256 bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，通過對單片機編程可實現(xiàn)熱性能測試中多個傳感器數(shù)據(jù)信號的自動化采集和處理[10].根據(jù)熱性能測試流程，微處理器模塊通過傳感器和處理電路部分實現(xiàn)自動化測試，并將測試數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳至室內(nèi)的上位機供值守人員使用.無線傳輸模塊使用CC1000射頻芯片，這款由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗無線射頻收發(fā)芯片，分別直接與單片機、上位機端連接，通過硬件編程設(shè)定工作頻率與傳輸數(shù)據(jù)包[11]，實現(xiàn)處理電路等室外部分和室內(nèi)上位機之間測試數(shù)據(jù)的無線傳輸.

4 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分包括處理電路中的微處理器程序和上位機部分的界面程序.其中上位機部分的界面程序根據(jù)全玻璃熱管真空太陽集熱管的熱性能測試流程設(shè)計編程，最后經(jīng)自動化處理得到空曬性能參數(shù)和悶曬性能參數(shù).

界面程序是基于LabVIEW平臺開發(fā)的，能生成WINDOWS系統(tǒng)下可執(zhí)行程序的LabVIEW不僅作為一般數(shù)據(jù)管理和科學計算等應(yīng)用方面的開發(fā)平臺，其最大優(yōu)勢還在于測試、測量與控制等系統(tǒng)的開發(fā)[12].

界面程序的主界面如圖6所示.通過主界面可得知實時環(huán)境數(shù)據(jù)，從而判斷是否可開始進行熱性能測試.通過歷史數(shù)據(jù)和測試記錄可查詢或處理過往熱性能測試的相關(guān)數(shù)據(jù).用戶通過選擇并進入空曬性能測試或悶曬性能測試，系統(tǒng)將根據(jù)測試的流程標準自動化測試，并最終將測試的數(shù)據(jù)傳至人機界面程序以自動處理.

圖6程序主界面示意圖

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)完成對全玻璃熱管真空太陽集熱管測試樣品空曬性能和悶曬性能的自動化測試后，其熱性能測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示.其中，空曬性能測試界面能查看測試過程中采集的數(shù)據(jù)記錄，通過自動求平均值和空曬性能參數(shù)求解式得出空曬性能參數(shù)；悶曬性能測試界面通過監(jiān)測從開始到結(jié)束時與全玻璃熱管真空太陽集熱管的平面平行的太陽輻照度，通過自動累計得出悶曬太陽輻照量.

圖7 空曬性能測試界面示意圖

Fig.7 Schematic of test for stagnation performance program interface

圖8 悶曬性能測試界面示意圖

Fig.8 Schematic of test for under stagnation performance program interface

6 結(jié) 論

本文研究了一種全玻璃熱管真空太陽集熱管的自動化熱性能測試系統(tǒng)，測試方案和系統(tǒng)平臺根據(jù)國家關(guān)于全玻璃熱管真空太陽集熱管的熱性能測試標準進行設(shè)計和搭建.系統(tǒng)平臺的硬件部分首先由滿足測量精度等要求的室外傳感器采集溫度等熱性能測試數(shù)據(jù)，隨后由處理電路模塊處理傳感器的輸出信號，得到的數(shù)據(jù)信號以無線傳輸方式傳至室內(nèi)的上位機，并由測試系統(tǒng)的上位機軟件界面程序自動處理數(shù)據(jù)和計算測試結(jié)果.該系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)的值守人員對室外全玻璃熱管真空太陽集熱管自動化熱性能檢測，提高了測試效率和準確度，其無線方式解決傳統(tǒng)測試中的布線問題，有效提高室外測試的靈活性.

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