太阳能集热器是太阳能热利用系统的核心部件，其热性能的优劣直接关系到太阳能系统的性能，因此太阳能集热器的热性能测试是太阳能研究和应用的一个重要环节。许多国家和标准化组织都制定了集热器热性能测试的标准。集热器的测试方法可以分成两大类：稳态(准稳态)测试和动态测试。稳态测试要求在测试过程中太阳辐照度、进水温度、环境温度、流量等因素都稳定在一个比较窄的范围内。但当在室外进行测试时，太阳辐照度变化较大，常常难以满足要求，致使当日的测试数据无效。在一些太阳辐射条件不太好的地区，问题尤其明显。为了缩短室外测试的周期、减少测试的成本，一些学者提出了动态测试的方法，动态测试允许测试过程中一些参数有较大的变化，尤其是允许太阳辐照度有较大的变化。欧盟标准EN12975-2：2006中就增加了集热器准动态测试的方法(Quasi dynamic testing)。
我国对太阳能集热器动态测试的研究还不多，主要还是采用稳态测试的方法，但也有一些学者和单位进行了动态测试的合作研究，开发出了集热器动态测试方法和装置，并申请了专利。本文介绍目前国际上影响较大的几种太阳能动态测试方法，为国内太阳能研究人员提供一些借鉴。
集热器测试的单节点和多节点模型
与集热器动态特性紧密相关的两个参数是集热器的热容和时间常数。对集热器进行热平衡分析方法有单节点模型、两节点模型和三节点模型。在三节点模型中，将传热流体、吸热板和盖层看作三个依次串联的部件，各自具有不同的热容，针对这三个部件分别写各自的热平衡方程，并进行联立求解。这种方法的计算量大，但与实测吻合很好。由于盖层的热容一般很小，如果忽略盖层的热容，就变成了两节点模型。在此基础上，将集热器的各部件热容看作一个集中有效热容，就变成了单节点模型。
集热器动态测试方法
1.Perers法
Perers法是Bengt Perers在1993年提出的一种集热器动态测试的方法。该方法采用单节点模型，只考虑集热器的集总热容。它把太阳辐射中的直射分量和散射分量分开考虑，并且两个分量采用不同的入射角修正系数。这一点是Perers方法最具特色的部分。Perers方法也考虑了二阶热损失系数，可以用于平板集热器、真空管集热器和聚焦型集热器。同时该方法考虑了风速对集热器效率的影响，还可以用于有透明盖层的集热器或者没有盖层的集热器。从理论的完整性来看，Perers方法的适用性最广。此方法的有效得热平衡方程如下：以上公式中：Ap为吸热板面积；Cc为集热器单位面积的有效热容量；Cp为流体的定压比热；F’为集热器效率因子；Ib为直射辐射；Id为散射辐射；Kταb为直射辐射入射角度修正；Kταd为散射辐射入射角度修正；m为质量流量；qu为集热器单位面积有效得热量；Tf为流体温度，下标i表示入口，o表示出口；Tsky为天空温度；U1、U2改为一阶和二阶热损失系数；Up为管道散热系数；Usky为流体向天空的当量热损失系数；Uw为由于风速而产生的热损失系数；△T=Tf-Ta；w为风速；（τα）e为有效透射率与吸收率的乘积。
从方程(1)和(3)得到的值是有差距的，根据误差最小化的原则进行多元回归分析就可以估计出集热器的参数。
实验的设置方面Perers方法是与稳态测试方法类似。测试需要持续7天，每天要测试9到12个小时，这里面要有几个小时是在晚上进行的。水的入口温度要在一天里保持恒定，每一天的温升是5℃，一直到水温升至70℃为止。流速控制在±0．05L/s。实验中需要测试流量、太阳辐射(集热器表面的总辐射和散射辐射)和温度(入口、出口和环境温度)。为了减少测量中的误差，抽样时间间隔应小于6秒。
2．DSC法
DSC法是Muschaweck和Spirkl提出的建立在单节点模型的基础上的动态测试方法。这个模型考虑了吸热板和流体的总热容，同时还使用了流体的平均温度。在DSC方法中，沿着流体流动方向，集热器的吸热板和流体被分成了N段，其中一个典型段的能量平衡方程如下：
式中ＩT为集热器表面的总辐射；Ta为环境空气温度；UL为集热器总热损失系数。
该方法使用了由Spirkl创造的动态系统测试算法DST，包含以下几个步骤：
(1)选择用来估测模型的集热器参数的初始值；
(2)找出测量和预测值的差值；
(3)将这个差值通过高精度滤波器来减少误差；
(4)将滤波后残差的均方根最小化从而减少参数的误差。最小化通过Levenberg—Marquardt算法来实现的。通过这个过程，估计出集热器的参数。
实验过程和需要测量的参数与Perers方法类似。测量需要在不同条件下持续好多天。但是该方法不需要控制流量或是入口温度，太阳辐射和环境温度也可以有很大的变化。由于该方法要求的实验条件比较宽松，有可能扩展到实际运行系统的现场测试。
3.Wijeysundera法
Wijeysundera法是由Wijeysundera等人提出的从一个完整系统中蓄热水箱温度变化估计集热器参数FRUL和FR(τα)e的日平均值的动态测试方法。测试装置如图1所示。这个方法基于两个假设：(1)水箱温度保持在一个完全混和的状态；(2)实验要持续一段时间。这样能保证水箱温度的变化十分明显的同时集热器温度差不明显。
该方法需要对整个闭式系统、集热器以及从蓄热水箱到集热器的入口管分别列出能量平衡方程。通过将蓄热水箱温度的预测值与实测值的差的平方和最小化来估计系统的特性。除了对集热器的测试外，还需要两个校准测试：一个校准测试针对蓄热水箱来估测其有效热容量和热损失；另外一个校准测试针对管子来估测其热损失。
集热器的测试需要将集热器放置在不同的天气状况下多日，每天从早9点到晚5点。在系统中水要求保持稳定的流量，在没有有效得热的情况下也是如此。测试每l5秒进行一次，测试项目有太阳辐射、环境温度、水箱温度、入口和出口流体的温度以及流量。入口和出口管段的温差也需要记录。
水箱的校准测试中，首先通过恒定的电热功率将水温升至80℃，水通过泵的连续循环来实现完全混合。然后停止加热，水箱通过泵的循环来冷却。温度每60秒记录一次。由这些测得的数据，就能够通过回归分析来得到水箱的有效热容和热损失系数。管子的热损失系数根据ASTM测试风管热损失的方法得到。
4.Amer法
Amer法是由E．H.AMER等提出一种集热器特性的快速动态测试方法。该方法采用单节点模型，集热器的单位面积的有效得热量可写作：
其测试装置简图如图2所示。
其测试步骤与稳态测试标准中的集热器时间常数的测试类似。在太阳午时左右，集热器暴露于太阳照射下，流经集热器的流量保持固定。经过一小段时间(约10分钟)的准稳态过程，当流体的出口温度达到一个稳定值以后，突然将集热器的采光面进行遮挡。在出口温度的变化很小时，将集热器表面的遮蔽物移开，集热器重新暴露于阳光下，出口温度将开始升高并稳定在某一个值上。这时实验就停止了。需要每隔1秒测试一次太阳辐照度和温度(入口、出口和环境温度)。
通过将实测与预计的有效得热量的差最小化得到集热器的特性参数。本方法需要一小段时间较为稳定的气象状况，以使得集热器在遮蔽之前达到一个稳定的出口温度。
总 结
1.实验需要控制的参数方面，DSC方法的要求最低，它对太阳辐射、环境温度、入口温度和流量都不需要控制，在测试过程中太阳能系统可以正常运行，因此该方法有可能推广到现场实测当中；Perers法要求控制入口流体温度，流量保持恒定；Wijeysundera方法和Amer法需要控制流量。
2.实验数据的处理方面，Perers法需要电子表格采用多元回归分析的方法；DSC方法需要特殊的程序和数字滤波。DSC和Wijeysundera法都需要用Levenberg—Marquardt算法来进行最优化计算。
3.测试所需的时间，Peters大约需要一周的时间，而且包括夜间测试；Wijeysundera法也需进行夜间测试；Amer法主要在中午进行测试，所需要的时间最短，但该方法需要一个对集热器表面入射阳光进行遮蔽的装置。
4.从方法的适用面来看，Perers法的适用面最广，可以应用于平板、真空管或者聚光型集热器，有透明盖层的或者没有盖层的集热器，而且考虑了入射角度的修正。DSC也可用于真空管集热器，其他两种方法的研究主要针对平板集热器。
5.Perers和DSC法都不需要集热器对入射光线进行跟踪，Amer法一般在中午进行，需要调节集热器表面大体垂直于入射光线，由于时间短，不需要设置光线跟踪装置，但显然该方法不适合集热器阵列的现场实测。
6.根据AMER、NAYAK等多年的研究发现，在对和Cc的估计方面，Perers、DSC法对于不同的实验数据有较大的变化，数据可重复性不好；而Wijeysundera的实验结果可重复性较好。需要注意的是，与稳态值偏离并不意味着不正确。Amer法精度较差，适用于对集热器参数的粗略测试。
文/于国清 冯传真 邹志军
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