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一种新型高效太阳能集热器的设计与研究




103G408

辽宁工学院

硕士学位论文

一种新型高效太阳能集热器的设计与研究



业:材料物理与化学

研究生:胡锦达 指导教师:李杰教授

辽宁工学院材料与化学工程学院
二oO七年三月

/>
摘要

辽宁工学院硕士学位论文

摘要
文章首先对目前太阳能开发利用的特点、现状及发展趋势作了简要介绍,同时回 顾了我国太阳能热水器的产业化发展情况,在此基础提出了本文的研究课题。在查阅 了大量相关文献的基础上,应用理论分析和试验研究相结合的方法,对这种新型集热 器的性能进行了比较系统地分析和研究。 根据碟式聚光镜聚光后的焦平面处辐射能能流分布图以及关键尺寸对各种热量 损失的影响,设计出一种新型高效腔式吸热器。 对集热系统中的新型高效腔式吸热器进行热性能分析及实验研究。计算给出了在 各种温度下各项热损失所占的比重及吸热器的总体热效率。实验得出了加热功率与腔 式吸热器热效率的关系,热效率能达到85%以上,表明新型高效腔式吸热器具有较好 的热性能。且工作性能稳定,完全达到预期的设计要求。 最后对整个太阳能利用聚集系统的研究进行了总结与展望。

关键词:

太阳能

热性能

腔式吸热器

热效率

Abstract

辽宁工学院硕士学位论文

Abstract
At first,actuality and development of solar water heater at domestic
are

analyzed and

the development of 0111"country’S solar water heater industry researching contents are put forward.Based
on

are

reviewed.Then the

consulting



number of references,the

performance

of the cusp reflector—heat pipe evacuated tubular solar thermal collector is systematically with the approach of combining the theoretic

analyzed and researched

analysis

and the experiment study.
on

Based

the picture of that distributing fluid of

radiant

energy

on

central surface of

Dish-collectligh mirrort

and

affection of diversified heat losses by pivotal measure,One

new type efficiency cavity receiver was designed.

The
collecting proportion

thermal performance
system

of the conical by

cavity—type receiver for solar
data

energy

are investigated

experimental and the entire

and

numerical

models.The
in different

of diversified heat

losses
on

temperatures are calculated based

the

thermal efficiency numerical models.The relationship thermal

between the

heat

power

and

the cavity receiver’S efficiency is obtained by the experimental

data。The
up to

experimental results show that the

thermal performance

of the

efficiency is

85%and

the conicalcavity-type receiver is considerably steady.

Finally,a summing—up utilization
on

and

expectation of the concentration system for solar energy

the whole was described in the last part ofthis paper.

Keywords:

solar

energy

thermal

performance

cavity

receiver

thermal efficiency

II

1绪论

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绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义
1.1.1研究背景
能源是人类生存的基础,能源的合理开发和利用是整个社会发展的源泉,也是人 类文明与进步的重要标志之一。随着社会生产的进步与发展,随着人民生活水平的提 高,能源需求还将大幅度增长。然而,能源的开发和利用受到资源、技术、经济和环 境等众多因素的制约。 当前全球一次性能源构成主要是以矿物燃料为主体,但矿物燃料作为地球的资 源,一方面在不久的将来会枯竭,如全球已确知的石油储备仅够用40年,天然气储 备仅够用65年,煤的储备大约也只够用200年【l】,另一方面大量矿物燃料的使用又 造成了环境污染和生态破坏,严重地危害着人们的健康。因此,开发和利用新能源符 合可持续发展战略。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变过程产生的能量,是各种可 再生能源(包括生物质能、风能、海洋能、水能等)中最重要的基本能源。太阳能作为 一种对环境不产生污染的新能源,取之不尽,用之不竭。权威专家估计一,如果实旌 强化可再生能源的发展战略,到本世纪中廿卜,可再生能源可占世界电力市场的3/5, 燃料市场的2/5;美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究表明,太阳能将在 本世纪进入一个快速发展阶段,并在2050年左右达到30%的比例,次于核能居于第 二位,本世纪末将取代核能居于第一位[21。

太阳能作为可资利用的能源,主要有光一电转换(发电),光一化学转换(制氢),
光一热转换(热利用)。太阳能热水器是以太阳能光热转换、利用温室效应和虹吸原理 使水加热的装置,由于它不消耗矿物燃料,无污染,价格较低,使用安全方便,备受 世界各国的重视,已经成为太阳能热利领域的主要方向。 我国处于北半球欧亚大陆的东部,幅员辽阔,全国有90%以上的地区处于太阳能 资源丰富区,年辐射总量大于50000MJ/ml,除四川盆地和毗邻地区外,绝大部分地 区的太阳能资源相当或超过国外同纬度地区的太阳能资源,特别是青藏高原中南部太 阳能资源尤为丰富,具有良好的开发条件和应用价值【3】。随着我国经济的发展和人民 生活水平的提高,人们对生活热水的需求将日益迫切,但是以目前我国燃气和电力供

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应的实际条件而言,普遍采用燃气热水器和电热水器提供热水是不现实的,尤其对于 占全国人IZl--分之二以上的广大农村更不现实,而太阳能不分东西南北,也不管城市 乡村,处处都有,广泛采用太阳能热水器是解决我国城乡生活热水供应的一条切实可 行的途径。随着环保要求的日益提高和常规矿物燃料消耗的限制,太阳能热水器必将 在工农业生产中逐步得到应用,太阳能热水器的发展前景极其广阔。因此,结合我国 的国情,合理开发和利用太阳能,研制高效实用的太阳能热水器具有重大的现实意义, 本文就是在这方面进行有益的探索。

1.1.2太阳能热利用的重要意义
地球上的矿物能源是有限的。按但我国太阳能资源十分丰富,全国有2/3以上 的地区年辐照总量大于5。02×1 03MJ/m2,照目前全世界的能源消费增长率发展下 去,包括煤炭在内的矿物燃料,N--十一世纪中叶就要消耗殆尽。我国能源总产量从 九十年以来有了较大发展。但1993年人均能耗只有943kg标准煤,仅为世界平均 能耗的47%,远低于中等发展中国家的水平。而且,我国的煤、油、气人均资源也 只有世界人均资源的三分之一。目前,我国能源供应紧张,尤其电力供不应求,全国 仍有28个无电县和上万个无电乡村,约1.2亿农村人中还未用上电。年日照时数 在2000小时以上。因此开发太阳能,综合利用这个取之不尽,用之不竭的能源具有 深远意义。整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的,相当于每秒钟燃烧1.28 亿吨标准煤所放出的能量。太阳辐射到达地球陆地表面的能量,大约为17万亿千瓦, 相当于目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。 太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大特点【4】: 第一、它是人类可以利用的最丰富的能源,足以供地球人类使用几十亿年。 第二、地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对 交通不发达的农村、海岛和边远地区更有利用价值。 第三、太阳能是一种洁净的能源。在开发和利用时,不会发生废渣、废水、废气,也 没有噪音,更不会影响生态平衡,绝对不会造成污染与公害。 目前,世界上对新能源和可再生能源的开发利用,已提高到能源与环境协调, 使社会得到持续发展的战略高度,并制定了一系列措施: 1992年,美国政府颁布了一项新的支持光伏发电发展计划,目标是使2000年美



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国太阳电池总产量达到1400千瓦,约相当于目前全世界太阳电池总用量的10倍。 并在92年lO月通过了H?R?776能源法案,法案规定永久延长太阳能和地热能 投资税减免10%。日本在1993年财政年度重新制定了国家计划,定名为“新阳光 计划”,此计划一直延续到2020年,总预算为15万亿日元。对节能住宅提供低息 贷款优惠,包括使用太阳能热水器和建造太阳房,年利率4.7%,还款期10~35年。 1992年,联合国全球环境与发展大会后,中国政府提出了对环境与发展采取 的10条对策和措施,明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、 潮汐能、生物质能等清洁能源”。

1995年,国家计委,国家科委,国家经贸委联合制定了{1996年一2010年
中国新能源和可再生能源发展纲要》,确定了今后新能源和可再生能源发展的总目标 是“提高转换效率,降低生产成本,增大在能源结构中所占的比例”。 可见,新能源的开发利用已引起世界各国政府和我国政府的高度重视,并纳入国 家经济和社会发展的战略规划中。

1.13我国的太阳能资源
在我国,太阳能资源区划如表l一1所示[51。全国有90%以上地区年太阳辐照总 量大于5000MJ/(m2?a)。除四川盆地和毗邻地区外,绝大部分地区的太阳能资源相 当或超过国外同纬度地区太阳能资源,特别是青藏高原中南部太阳能资源尤为丰富, 具有良好的开发条件和应用价值。 表1.1我国太阳能资源区划分
Tablel-1 Solar energy section ofChina

地区全年日照 类别时数(h)

全年日照总相当于燃烧
包括地区 与国外相当地区

量MJ/Cm2?a)标准煤

l绪论

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1.2国内、外太阳能利用发展综述
根据可持续发展战略,太阳能热利用在替代高含碳燃料的能源生产和终端利用中 大有用武之地。太阳能热利用具有广阔的应用领域,但目前最主要的是太阳能热发电 (能源产出)和建筑用能(终端直接用能),包括采暖、空调和热水。在我国,当前太 阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水供应系统旧。

1.2.1太阳能热发电
太阳能热发电是太阳能利用中的重要项目,只要将太阳能聚集起来,加热工质, 驱动汽轮发电机即能发电。1950年,原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站, 建造了一个小型试验装置。70年代,太阳电池价格昂贵,效率较低,相对而言,太 阳热发电效率较高,技术比较成熟,因此当时许多工业发达国家都将太阳热发电作为 重点,投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计,从1981~1991年, 全世界建造的太阳能热发电站(500kw以上)约有20余座,发电功率最大达80MW。 按太阳能采集方式划分,太阳能热发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。这些电 站基本上都是试验性的。例如,日本按照阳光计划建造的一座IMW塔式电站,一座 IMW槽式电站,完成了试验工作后即停止运行。美国IOMW太阳1号塔式电站,进行 一段时间试验运行后及时进行技术总结,很快将它改建为太阳:号电站,并于1996 年1月投入运行。



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80年代中期,人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为,虽然太阳能 热发电在技术上可行,但投资过大(美国太阳:8号电站投资为1.42亿美元),且 降低造价十分困难,所以各国都改变了原来的计划,使太阳能热发电站的建设逐渐冷 落下来。例如,美国原计划在1983~1995年建成5~10万kW和10~30万l(宵太阳能 热电站,结果没有实现。 正当人们怀疑太阳能热发电的时候,美国和以色列联合组成的路兹太阳能热发电 国际有限公司,自1980年开始进行太阳热发电技术研究,主要开发槽式太阳能热发 电系统,5年后奇迹般地进入商品化阶段。该公司从1985年至1991年在美国加州沙 漠建成9座槽式太阳能热电站,总装机容量353.8MW。电站的投资由:7号电站的 5976美元/kW,降到8号电站的3011美元/kw,发电成本从26.5美分/kWh降到 8.9美分/kwh。该公司满怀信心,计划到2000年,在加州建成装机容量达800Mw 槽式太阳能热发电站,发电成本降到5~6美分/kwh。遗憾的是,1991年因路兹公 司破产而使计划中断。 路兹热电站的成功实践表明,不能简单地否定太阳能热发电技术,而应继续进行 研究开发,不断完善,使其早日实现商业化。为此,以色列、德国和美国几家公司进 行合作,继续推动太阳能热发电的发展,他们计划在美国内华达州建造两座80MW槽 式太阳能热电站,两座IOOMW太阳能与燃气轮机联合循环电站。在西班牙和摩洛哥分 别建造135MW和18MW太阳能热发电站各一座。 盘式太阳能热发电系统功率较小,一般为5~50kW,可以单独分散发电,也可以 组成较大的发电系统。美国、澳大利亚等国都有一些应用,但规模不大。 研究表明,盘式太阳能热发电系统应用于空间,与光伏发电系统相比,具有气动 阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点,美国从1988年开始进行可行性研究, 计划在近期进行发射试验。 在太阳能低温发电计划中,以色列在死海沿岸先后建造了三座太阳池发电站,第 一座功率为150kW,于1979年投入运行。以色列曾计划围绕死海建造一系列太阳池 电站,以提供以色列全国三分之一用电需要。美国也曾计划将加州南部萨尔顿海的一 部分变为太阳池,建造80~600万kw太阳池电站。后来,以色列和美国太阳池发电 计划均作了改变。



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除了以上几种太阳能热发电方式外,1983年在西班牙建成一座太阳能抽风式热 电站;以色列、美国等计划建造太阳能磁流体热发电试验装置;还开展了太阳能海水 温差发电研究。适用于小功率的太阳能热发电技术还有太阳能热离子发电和温差发 电,它们在特殊场合得到了一些应用[7-91。 我国在太阳能热发电领域受经费和技术条件的限制,开展的工作比较少。在“六 五”期间建立了一套功率为lkW的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkw的平 板式太阳能低温热发电模拟装置。此外,我国还与美国合作设计并试制成功率为5kW 的盘式太阳能发电装置样机。

1.2.2太阳能热水供应系统及其产业发展现状
建筑能耗在总能耗中占很大的份额,并且随着现代化生活水平的提高而逐步增 长。能源的消耗不仅加剧了地球矿物燃料的日益紧缺和枯竭,而且严重污染了地球环 境。我国建筑能耗约占总能耗的40%,建筑节能的潜力很大。仅1999--2000年, 我国就兴建住宅约5.5
X1

09m2,最近几年又翻了好几倍。此外,随着人们对室内舒

适性要求的不断提高,过去一些非采暖地区越来越广泛地使用采暖设施。这必将给能 源、电力和环境造成巨大的压力,并对我国的经济发展产生~定的制约作用。目前, 建筑节能已成为未来建筑的发展方向和人类社会的共识。建筑节能不仅要“节流”, 还要“开源”,即在积极采取维护结构及能量系统本身的节能措施的同时,还应充分 考虑开发和利用无污染的可再生能源。太阳能在建筑中的应用,乃是利用建筑构造本 身所形成的集热、蓄热和隔热系统以及附加在建筑物上的专用太阳能部件,对太阳能 进行光一电和光一熟转换来满足建筑物采暖、空调、照明等方面的能耗需求,从而达 到减少建筑能耗,节约常规能源,缓解大气污染,改善生态环境的目的。 在世界范围内,太阳能热水器技术已很成熟【船161,并已形成行业,正在以优良的 性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早,但 80年代的石油降价,加之取消对新能源减免税优惠的政策导向,使工业发达国家太 阳能热水器总销售量徘徊在几十万平方米。据报道【4】,
量为4.5
Xl

1992年国外太阳能热水器总
Xl

05m2,其中日本为2



105m2,美国为1.2

05m?,欧洲为8

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04m2,其他国家为5×l 04m2。世界环境发展大会之后,许多国家又重新开始重视 太阳能热水器在节约常规能源和减少排放coz方面的潜力,仅据美国加州首府萨克



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门托市的计划,到2000年太阳能热水器将取代该州47000套家用电热水器;到 2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番;以色列更是明文规定,所有新建房屋 必须配备太阳能热水器。目前,我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国 家。1992年销售量为5×l 05m2,1995年销售量翻番,达1 计,1997年我国太阳能热水器销售量3
X 1

Xl

06m2。据初步统

06m2,目前,我国从事太阳能热水器研

制、生产、销售和安装的企业达到1000余家,年产值20亿元,从业人数15万人。 但从房屋的热水器安装率来说,以色列已达80%,日本为11%,台湾达27%,我国 在千分之几左右,其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。国际上,太阳能热水器产 品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展,目前其产品的发展方向仍注重提 高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热 量损失;聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。随着世界范围内的环境意 识和节能意识的普遍提高,太阳能热水器必将逐步替代电热水器和燃气热水器。虽然 太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节和天气影响的不利因素,但太阳能热水 器具有不耗能、安全性、无污染性等优势,而且随着技术的发展其经济性也逐渐显露 出来。有关专家对上述三种热水器的经济指标比较结果表明,太阳能热水器在经济上 已具有较强的竞争力。 太阳能热水器是利用光一热能转换原理,让阳光经过集热装置,将冷水加热,通 过循环管将热水储存起来,供给我们随时使用。太阳能热水器热水供应系统,具有较 好的经济性,节能效果十分明显,所提供的热水既可用于淋浴又可用于生活洗刷,是 一种理想的热水供应系统。太阳能热水系统根据季节可分为全年使用系统(一般采用 真空管组合)和春、夏、秋三季使用系统(一般采用钢铝复合集热板组合)。太阳能热 水系统又可分为有辅助加热的全天候使用系统和无辅助加热的纯太阳能热水系统。有 辅助加热的全天候使用系统克服了纯太阳能热水系统受时间、季节、气候影响的不足, 可稳定地提供热水。 性能良好的太阳能集热器是太阳能热水器的关键技术设备之一。目前成熟的太阳 能集热器主要有平板集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器和CPC型 热管式集热器。

1.3集热器在太阳能热系统中的作用



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1.3。1概述
太阳集热器的定义是:吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置【171。 这短短的定义却包含着丰富的含义:第一,太阳集热器是一种装置;第二,太阳集热 器可以吸收太阳辐射;第三,太阳集热器可以产生热能;第四,太阳集热器可以将热 能传递给传热工质。 太阳集热器本身不是直接面向消费者的终端产品,但是太阳集热器是组成太阳能 热系统的关键部件,是核心部件。而且太阳集热器与传热学有着密切的联系,它的效 率直接影响着整个太阳能热系统的效率。

1.3.2太阳集热器的分类
太阳集热器可以用很多种方法进行分类,例如:按传热工质的类型;按进入采光 口的太阳辐射是否改变方向;按是否跟踪太阳;按工作温度的范围等。 l、工质的类型分类 按传热工质的类型分类,太阳集热器可以分为两大类型。 (1)液体集热器 (2)空气集热器

2、进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类 按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类,太阳集热器可以分为两大类型。 (1)聚光型集热器 (2)非聚光型集热器

3、是否跟踪太阳,太阳集热器可以分为两大类型。 (1)跟踪集热器 4、工作温度的范围 (1)低温集热器一工作温度在loo℃以下; (2)中温集热器一工作温度在100~200"C; (3)高温集热器一工作温度在200"(2以上。 (2)非跟踪集热器

1.3.3几种主要集热器的介绍
l、板集热器“町 历史上早期出现的太阳能装置,主要为太阳能动力装置,大部分采用聚光集热器, 只有少数采用平板集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的,但直至1960年以后 才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域,平板集热器的技术经济

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性能远比聚光集热器好。为了提高效率,降低成本,或者为了满足特定的使用要求, 开发研制了许多种平板集热器: 按工质划分有空气集热器和液体集热器,目前大量使用的是液体集热器; 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它
非金属集热器等;

按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器,还有带 平面反射镜集热器和逆平板集热器等; 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器 等。 目前,国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结 合,国外一般采用高频焊,国内以往采用介质焊,1995年我国也开发成功全铜高频 焊集热器。1997年从加拿大引进铜铝复合生产线,通过消化吸收,现在国内已建成 十几条铜铝复合生产线。 为了减少集热器的热损失,可以采用中空玻璃、聚碳酸酯阳光板以及透明蜂窝等 作为盖板材料,但这些材料价格较高,一时难以推广应用。 2、真空管集热‘19-20] 为了减少平板集热器的热损,提高集热温度,国际上70年代研制成功真空集热 管,其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内,大大提高了热性能。将若干支真空集 热管组装在一起,即构成真空管集热器,为了增加太阳光的采集量,有的在真空集热 管的背部还加装了反光板。 真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管,玻璃七型管真空集热管,玻璃。金属 热管真空集热管,直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近,我国还研制成全玻 璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集热管。 我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来,经20多年的努力,我 国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业,用于生产集热管 的磁控溅射镀膜机在百台以上,产品质量达世界先进水平,产量雄居世界首位。 我国自80年代中期开始研制热管真空集热管,经过十几年的努力,攻克了热压 封等许多技术难关,建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地,产品质量达到 世界先进水平,生产能力居世界首位。


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3、光集热器 聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分, 聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类,每一类中按照聚光器的不同又可 分为若干种。为了满足太阳能利用的要求,简化跟踪机构,提高可靠性,降低成本, 在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多,但推广应用的数量远比平板集热器少,商 业化程度也低。 在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集熟器(点聚焦)和槽形 抛物面镜聚光集热器(线聚焦)。前者可以获得高温,但要进行二维跟踪;后者可以 获得中温,只要进行一维跟踪。这两种聚光集热器在本世纪初就有应用,几十年来进 行了许多改进,如提高反射面加工精度,研制高反射材料,开发高可靠性跟踪机构等, 现在这两种抛物面镜聚光集热器完全能满足各种中、高温太阳能利用的要求,但由于 造价高,限制了它们的广泛应用。 70年代,国际上出现一种“复合抛物面镜聚光集热器”(cPc),它由二片槽形 抛物面反射镜组成,不需要跟踪太阳,最多只需要随季节作稍许调整,便可聚光,获 得较高的温度。其聚光比一般在10以下,当聚光比在3以下时可以固定安装,不作 调整。当时,不少人对cPc评价很高,甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破, 预言将得到广泛应用。但几十年过去了,cPc仍只是在少数示范工程中得到应用,并 没有象平板集热器和真空管集热器那样大量使用。我国不少单位在七八十年代曾对 cPc进行过研制,也有少量应用,但现在基本都已停用。 其它反射式聚光器还有圆锥反射镜、球面反射镜、条形反射镜、斗式槽形反射镜、 平面。抛物面镜聚光器等。此外,还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜一定日 镜。定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成,在计算机控制下这些反射镜将阳光 都反射至同一吸收器上,吸收器可以达到很高的温度,获得很大的能量。 利用光的折射原理可以制成折射式聚光器,历史上曾有人在法国巴黎用二块透镜 聚集阳光进行熔化金属的表演。有人利用一组透镜并辅以平面镜组装成太阳能高炉。 显然,玻璃透镜比较重,制造工艺复杂,造价高,很难做得很大。所以,折射式聚光 器长期没有什么发展70年代,国际上有人研制大型菲涅耳透镜,试图用于制作太阳 能聚光集热器。菲涅耳透镜是平面化的聚光镜,重量轻,价格比较低,也有点聚焦和

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线聚焦之分,一般由有机玻璃或其它透明塑料制成,也有用玻璃制作的,主要用于聚 光太阳电池发电系统。 我国从70年代直至90年代,对用于太阳能装置的菲涅耳透镜开展了研制。有人 采用模压方法加工大面积的柔性透明塑料菲涅耳透镜,也有人采用组合成型刀具加工 直径1.5m的点聚焦菲涅耳透镜,结果都不大理想。近来,有人采用模压方法加工线 性玻璃菲涅耳透镜,但精度不够,尚需提高。 还有两种利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器,虽然尚未获得实际应用,但 具有一定启发性。一种是光导纤维聚光器,它由光导纤维透镜和与之相连的光导纤维 组成,阳光通过光纤透镜聚焦后由光纤传至使用处。另一种是荧光聚光器,它实际上 是一种添加荧光色素的透明板(一般为有机玻璃),可吸收太阳光中与荧光吸收带波 长一致的部分,然后以比吸收带波长更长的发射带波长放出荧光。放出的荧光由于板 和周围介质的差异,而在板内以全反射的方式导向平板的边缘面,其聚光比取决于平 板面积和边缘面积之比,很容易达到lO—lOO,这种平板对不同方向的入射光都能 吸收,也能吸收散射光,不需要跟踪太阳。 4、型集热器的开发 (1)弯曲吸热板真空集热管 目前开发的弯曲集热板真空集热管具有两个明显的特点:①吸收板的横截面为 半圆形②热管不再位于真空集热管的轴线, 而是靠近玻璃管内壁并与玻璃管母线相

平行。这一结构不但增大了吸热板的面积,而且改善了太阳光线的入射方位角,提高 了热管真空管的热性能。 (2)金属吸热体真空管 金属吸热体真空管是国际上新一代真空管,它的特点是工作温度高、承压大、耐 热冲击性好。 各国科学家研制出各种形式的真空管,如热管式、通心套管式、U型

管式、贮热式、直通式、内聚光式等等。 (3)管真空管太阳集热器

目前开发的一种新型热管真空管太阳集热器,采用玻璃—金属热封压技术,磁
控溅射可选择性涂层技术、抗冻技术、金属吸热体真空排气技术等一系列关键技术, 具有国际先进水平。

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由于太阳能具有洁净、无污染等优点,其应用方面的研究越来越受到世界各国的 关注,但是到目前为止,太阳能系统得热效率尤其是发电系统还很低,其主要原因之 一是集热器的热量损失较高。关于提高集热器的效率的研究一般主要集中在腔体吸热 器的热损失上。 综上所述,设计研究出一种高效的集热器对大力发展太阳能产业有着重要的意
义。

1.4经济性分析
太阳能作为一种清洁、无污染的能源,具有极其广泛的发展前景。同时其经济性 也十分明显。以普通家庭的每年热水用量30吨、15年使用期为例,经济分析如下: 假设太阳能热水系统在使用期内辅助加热系统的电能消耗忽略不计,平均进水 温度lO℃,平均出水温度45℃,则30T热水所需热量Q=G*Cp*T=30000X4174 ×(45-10)=4382700kJ(其中G表示热水质量,单位kg;Cp表示水的定压比热,单 位kJ/(kg?K);T表示集热系统进、出水口的温差,单位(℃)。电能的热值为3600 kJ/(kW?h),燃气热值为35169 kJ/m3,则电加热的年能源消耗为1217.4 kW?h,燃 气的年能源消耗为124.6m3。最后的计算结果见表1.2。从表1.2不难看出,太 阳能热水系统的经济效益明显高于其它能源。若按500户居民的住宅小区计算,每
年可节约电能6.09×105kW?h(或燃气6.23×l 04m3),既减少环境污染,又提

高热水供应的安全性,社会效益和经济效益非常明显。

表1.2各种热水系统经济性比较

12

1绪论

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1.5相关课题研究的情况
1.5.1集热器的热性能研究
国内、外对于集热器的性能方面的研究主要集中在平板式集热器和全玻璃真空管 集热器上【21’25】,文献【23】认为,对于平板式集热器,随着冷却水流量的不断增大,效 率也是不断增大的。但是流量愈大其上升幅度愈小,当流量超过70kg/h时,曲线几 乎成为一水平线。因为当流量超过一定值时,整个集热器的温度成为一定值,热损失 系数趋于一定,其效率也就趋于一定。有文献认为,流量的变化对集热器的热损失系 数和热效率影响不大,但由于增加了热管与联集管之间的接触热阻,使热损失系数略 有增加,热效率略有降低。

1.5.2聚光板的性能分析

对聚光性能研究,国内相对较少,而且主要是侧重于外聚光式聚光板的研究郾侧。
国外在这方面的研究开展的比较早,以前研究主要是运用在高能物理实验研究中的辐 射探测器,后来才逐渐应用于太阳能。由于工作重点都放在了对集热能力的研究上, 所以对于从光学角度来研究聚光板的可参考文献很少[29-30]。

1.6本文的主要研究内容
本课题设计研究了一种新的、利用黑洞吸收原理将聚焦后的太阳能转化为热能的 装置。一个封闭的腔体,在任意处开一个小口,从这个小口射入腔体的光线几乎全部 被吸收,即组成黑洞,也是光学上的黑体。本装置包括一个这样的黑洞,太阳光聚集 后照射进入黑洞,使光能几乎全部转化成热能。这个腔体可以置于一个容器的内部, 加热这个容器里的介质。本题中用紫铜管制成内部吸热盘管,与用不锈钢制成的腔体 外壁紧密接触,外壁覆以保温材料。 一、整体设计 1、聚光器的选择 由于试验所需工作温度较高,本题选用的是完整抛物面的点聚焦聚光器,即碟式
聚光器。

根据试验条件选择合理的吸热面直径以及焦点位置。 2、腔体的设计

1绪论

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(1)整体形状设计 (2)由于腔体吸热器的热损失主要有四个方面,即:腔体内表面对聚焦光的反射热 损失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、腔体采光口的对流热损失及腔体壁 面的导热损失。尽可能的减少这四种热损失是研制高效吸热器的关键所在。 (3)吸热器腔口的直径的设计
(4)腔内结构的设计

(5)腔内平均直径的设计 (6)吸热器内腔高度的设计和选取合适的保温材料及厚度 3、理论计算 根据设计出的尺寸计算出反映集热器性能的指标:集热器的各项热损失及热效率 的计算值。 4、实验研究与数据分析 根据设计图纸,加工好实体进行实验研究以测量出设计腔体吸热器的各项工作参 数,然后得出热性能及热效率。针对设计装置的尺寸,利用给出的公式计算出各项热 损失,得出计算热效率。与试验的结果进行比较。然后进行进一步的改进和进一步的 研究。目的就是尽可能的提高装置的热效率。 5、结果与建议 最后得出结论,找出不足指出以便在后续工作中加以改进和创新。

14

2太阳能知识

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2太阳能知识
物质在分子运动过程中,产生以电磁波的方式向四周辐射的能量,这种能量的辐 射成为辐射能。 太阳是一个巨大的炙热球状体,表面的平均绝对温度为57000℃,这一热体以 电磁波的形式向四周辐射能量,即太阳能辐射。 太阳能是地球上热能最重要的源泉。地球每年接受来自太阳的能量为1.68×1034 卡,年或1.51
X 10幅度的电力。这个能量比全世界每年所消耗的总能量还多3万倍。

因此,太阳能是极其丰富的,用之不竭的。但是它很稀疏的分布在广阔的地球表 面上,而且在到达地面时又变化无常。所以在研究太阳热能转换时,首先要研究大气 上层太阳辐射能的分布,然后研究在大气中所发生的变化,而后再研究地面的辐射情 况。

2.1太阳能相关参数 2.1.1太阳常数厶
昼夜是由于地球自转而产生的,而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转 的轨道的转轴呈23027’的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地 轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜,所以地球每小时自转15。。地球除白转 外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线 始终成23.50。地球公转时自转轴的方向不变,总是指向地球的北极。因此地球处于 运行轨道的不同位置时,太阳光投射到地球上的方向也就不同,于是形成了地球上的 四季变化(见图2.1)。每天中午时分,太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区(即 在赤道南北纬度23027’之间的地区),一年中太阳有两次垂直入射,在较高纬度地区, 太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区,冬季太阳低于地平线的时间长,而夏季 则高于地平线的时间长。

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■●



●势‘-----月'卜-嚣J

图2.1地球绕太阳运行的示意图 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行,因此太阳与地球之间的距离不是一个常数, 而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知,某一点的辐射强度与距辐射源的距 离的平方成反比,这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。 然而,由于日地间距离太大(平均距离为1.5


lO%m),所以地球大气层外的太阳

辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上 方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时,在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单 位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值
为1367w/m2。

一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化约为7%。其各月数值见 表2.1.计算太阳辐射量是,按月份不同采取不同的数值。

表2.1各月大气层外边界太阳辐射强度厶(W/m2)
月份
Io 1 1419 2 1407 3 1391 4 1367 5 1347 5 1329 7 1321 8 1328 9 1344 lO 11 1385 12 1400

1363

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2.1.2太阳高度角h
太阳高度是太阳辐射测量和太阳能利用研究中的一个重要基本参数。众所周知, 地球的自转和公转形成地球上有昼夜的变化和四季的交化。假设先不考虑地球的公 转,那么地球24小时自转一周形成昼夜。地球由西向东自转,以北半球某一纬度来 说太阳东升西落,太阳辐射光线与地面的交角(.j1),即称谓“太阳高度角”或“太阳 高度”(如图2.2所示)。

可知,太阳辐射光线一年中的赤纬角在垃3.50之间来回变化。
sinh=sin伊sin8+cos矿cosQcos8

(2-1)

式中:h—太阳高度; 矿一地理纬度; 艿—太阳赤纬; Q—I太阳时角 其中妒,艿与Q的单位均以度计。 根据球面三角原理,太阳高度h可由公式(2-1)表示:从公式(2—1)中,可以计算出 任何纬度(妒)、任何季节(占)、任何时刻(Q)时的太阳高度。需要注意,在进行计算时 作如下规定:对于北半球计算时,中取正值:太阳赤纬(万),在太阳位于赤道以北时取 正值,位于赤道时取0。,位于赤道以南时取负值;时角(Q),在上午取负值,下午 取正值,在正午时(当地12点整)取0。。同时需要特别指出,公式(2-1)只有当0>0 时才有意义,因为e<O。就意味着太阳位于地平线以下(夜间)。掌担太阳高度的变化 规律,对有效地利用太阳能具有重要意义。

2.1.3太阳天顶角
地球表面上某点水平面的法线与太阳射线之间的夹角成为天顶角晓参看图2.2。
显然:

见=900—Jl

(2—2)

2.1.4大气质量

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到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚,对太阳辐射的吸收、 反射和散射就越严重,到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对 到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的 方向有关。参看图2.1,A为地球海平面上的一点,当太阳在天顶位置s时,太阳辐 射穿过大气层到达A点的路径为oA。城阳位于S点时,其穿过大气层到达A点的路 径则为OA。07A与oA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气 的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比,通常以符号m表示,并设定标准大 气压和O℃时海平面上太阳垂直入射时,大气质量m=l。 计算公式为:

,撑=一
sinh



(2-3)

图2.2大气质量示意图

2.2太阳辐射强度的计算
2.2.1直射辐射、散射辐射和总辐射
太阳辐射穿过大气层时,受到大气中各类气体,如臭氧、二氧化碳水和灰尘等物 质的吸收;还会被云层中的尘埃、冰晶、微小水珠及各种气体分子反射或折射而形成 漫向反射或折射而形成漫向辐射。这些辐射能的一部分返回宇宙空间中去,一部分到 达地面。我们把改变了原来方向到达地球表面,并无特定方向的这部分太阳辐射成为 散射辐射,其余未被吸收,反射的太阳辐射仍按原来的方向透过大气层直达地面,次
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部分成为直射辐射。直射辐射与散射辐射之和成为总辐射。

2.2.2太阳辐射模型简介
计算地表太阳辐射,关键在于确定太阳辐射在经过大气层时的衰减程度。由于地 表太阳辐射受诸多因素影响,目前还没有能够在较大地理范围通用的太阳辐射模型计 算地表太阳辐射量。通常的方法是建立在一定地域范围内适用的太阳辐射模型,用于 太阳能利用系统的设计和优化。各种太阳辐射模型比较多,其中霍伊特模型(Hoyt, 1978)是比较典型的一个,它已被美国国家气象局用于修整26个地方的太阳辐射数 据[32-33l。

2.2.2.1霍伊特模型

1978年,霍伊特对较早提出的模型(Hoyt,1976;Katayama,1966;Hoyt,1972)进 行了改进,从而提出了霍伊特模型。该模型是一种直接计算瞬时太阳总辐射的模型, 模型中: 太阳直射辐射:

厶=z跖fcose,(-一喜q)(1-蹦?一岛)
太阳散射辐射: 面的辐射量。

(2-3)

此模型中的散射辐射指来自天空的散射分量,不包括地面反射再由天空散射回地

厶I∞fcos见(1一喜q](0.+o.s,4B=x∞fcos见l 1一∑q I(0.


I-1

5So +o.

75s。)zB+厶 +厶

(2q (24)



式中: I。一太阳常数(136w/m2); f一日地距离修正系数;

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8。一天顶角(o); a。一水蒸汽的吸收率; a2一二氧化碳的吸收率; a3一臭氧的吸收率:
a4—0.0075m(0.875):

a6一(I-A)[g(B)]“

A一对于一次散射的反射系数(O.95); B一埃斯屈朗浑浊度系数; g(B)一用太阳光谱计算的函数; S.一纯空气的散射率; Sd一灰尘的散射率。 水平面上的瞬时太阳辐射强度:
(2—5)

Is=ID+Ia+飘?

F一修正

2.2.2.I区域性太阳辐射模型简介

观察霍伊特模型可以看到,如果利用该模型计算太阳辐射强度,为得到一个太阳 辐射数据需要进行大量的实时测量工作,且计算过程复杂,不适合在太阳能工程中应 用。我国的太阳能工作者在总结本地区气候资料的基础上,建立了很多适用于本地区

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的晴天太阳辐射模型,以解决太阳能工程中太阳辐射量计算问题。 这些模型与霍伊特模型相比较,不同在于,将地面反射再由天空散射回地面的太 阳辐射包括在太阳散射辐射当中。比较典型的一个晴天太阳辐射模型是由邱国全等人 在Hottel模型的基础上结合我国地区的气象特性建立的。该模型是以辽宁地区的太 阳辐射资料为主要依据。适用范围:大气能见度23km,海拔低于2.5km。 (1)晴天太阳辐射透射比

%=嘞+q唧(一壶)
式中。 %一太阳直射透射比。 ao=ro[O.4237.0.00821(6-A)2】; al=rl【o.5055+0.00595(6.5-A)2】; k=rk【0.271 1+0.01858(2.5.A)2】;




z~天顶角(o);

A一海拔(km);

ao,al,l(一修正因子,由表2.2所示;
ro=0.271—0.294rB:

式中t D一太阳散射投射比。

(2)法向太阳直射辐射强度:

(2—7)

2l

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(3)法向散射辐射强度:

式中: 厶一太阳常数; m一大气质量。 (4)法向太阳辐射强度:

lN;l

BN+lDN=l庐0+l庐孑
(2—9)

从以上两个模型可以看出,区域模型更便于在太阳能工程中应用。因此,本文将 采用区域模型的思路,以锦州地区的气象资料为依据,利用公式(1—9)来计算太阳辐射 量。锦州的地理位置在北纬4l。74’,东经121。07’。 表2.2修正因子的确定

3新型高效太阳能集热器的结构设计

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3新型高效太阳能集热器的结构设计
3.1新型高效太阳能集热器的结构和工作原理
本文所设计的集热器的结构示意图如图3.1所示

图3.1新型、高效太阳能集热器结构示意图 l—聚光器2—进水管3—水箱4—水5"--出水管6—腔体黑洞 本论文设计了一种新的,利用黑洞吸收的方法将聚集后太阳能转化为热能的装 置。任何物体在受到光照射后,光的去向分三部分:穿透、吸收、反射,光被全部吸 收的物体为黑体。一个封闭的腔体,在任意处开一个小口,从这个小口射入腔体内的 光线,几乎被全部吸收,即便组成黑洞,也是光学上的黑体。本论文的设计中就括一 个这样的黑洞,太阳光聚集后照射进入黑洞,使光能几乎全部转化为热能,这个带有 黑洞的腔体可以是任何材料作成的,并可以置于另外一个容器里,加热这个容器里的 液体。太阳光经l经聚焦后进入腔体黑洞6,射在黑洞表面上,经历反射和吸收,吸 收的光线转化为热能,其余光线反射到另外表面,又吸收一部分,经多次照射,光线 基本全部变成热能。

3新型高效太阳能集热器的结构设计

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此种太阳能集热器,结构简单,工作可靠,最突出的优点是利用了黑洞的原理制 造了一个腔式的吸热器,使其集热性能和效率得到了提高。

3.2聚光器的选用
由于实验条件所限,本设计使用的聚光器为青岛本游太阳能设备有限公司生产的 聚光式太阳灶。 其技术参数如下: 焦距f---670mm

热效率(开水)11《8%
采光面积A---2.0m2 焦面直径dap=0.8m 高度角范围h=200---90。 焦斑最高温度t=1100℃
重量G=30kg

聚光面采用涤纶镀铝反光膜 聚光式太阳灶的镜面设计,大都采用旋转抛物面的聚光原理。在数学上若抛物线 绕主轴旋转一周,所得的面,即称为“旋转抛物面”。若有一束平行光沿主轴射向这个 抛物面,遇到抛物面的反光,则光线都会集中反射到定点的位置,于是形成聚光, 或叫“聚焦”作用。作为太阳灶使用,要求在锅底形成一个焦面,才能达到加热的目的。 换言之,它并不要求严格地将阳光聚集到一个点上,而是要求一定的焦面。确定了焦 面之后,我们就不难研究聚光器的聚光比,它是决定聚光式太阳灶的功率和效率的重 要因素。聚光比K可用公式求得:K=采光面积/焦面面积。采光面积是指太阳灶在使 用时反射镜面阳光的有效投影面积。 旋转抛物面聚光镜是按照阳光从主轴线方向入射,所以往往在通过焦点上的锅具 时会留下一个阴影,这就要减少阳光的反射,直接影响太阳灶的功率。河南省能源研 究所刘祖德同志在研制太阳灶时,首先提出关于偏轴聚焦的原理,克服了上述弊病。 目前,本实验太阳灶的设计均采用了偏轴聚焦原理。

3.3吸热体的结构和尺寸设计

3新型高效太阳能集热器的结构设计

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3.3.1整体结构设计
腔体吸热器可设计的形状很多,如图3.2所示,有圆柱形、球形、椭圆形、圆锥 形及复合圆锥形等.

聋撂

ImtlktB

图3.2各种可设计腔体的形状

3新型高效太阳能集热器的结构设计

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图3.3焦平面处辐射能能流分布图



1I

^) 【】


一曲

‘l (1 (1



/7


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(1

【1



ln
^n





冈l

图3.4顶锥形腔式吸热器结构简图

但是,根据碟式聚光器聚光后的焦平面处辐射能能流分布图㈨.见图3.23本文设 计了一种圆锥形作为吸热器得基本形状见图3.4,因为这种形状能最大吸收进入腔体

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得能量。

3.3.2吸热体的尺寸设计
由于腔体吸热器的热损失主要有四个方面,即:腔体内表面对聚焦光的反射热损 失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、腔体采光口的对流热损失及腔体壁面的导热 损失。尽可能的减少这四种热损失是研制高效吸热器的关键所在。 3。3.2.1腔口的直径的设计 设腔式吸热器内腔面积为4,吸热器采光口面积为4,由文献【35】可给出其有效吸 收率为

&=‰×峨

卜忘鞫
l一(1一锄)I l一孚1
式中:

(3-1)

%一腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数;
4—咽空式吸热器内腔面积;

如一吸热器采光口面积;
△名—腔式吸热器采光口截获的聚焦能量。
根据这个公式主要确定吸热器腔口的直径d印的大小为240mm,因为腔口直径直 接决定着反射热损失。 3.3.2.2腔内结构的设计 辐射热损失来自于腔体内表面和环境间的辐射换热与太阳光反射后溢出采光口 的部分太阳能。文献【36,37】采用网络法计算腔体内表面与环境间的辐射换热。文献[38】

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采用Monte2Cado法计算溢出采光口的太阳能.由于腔式吸热器与环境相比无穷小,由 简化计算可得出腔体与环境的辐射换热关系式为:

c耐=%盯∽一霉)岛
式中: 仃一史蒂分?波尔兹曼常数; 鬈一腔体内壁的平均温度; rs一环境温度; 唧一腔体壁面材料的热发射率。

(3?2)

%一腔体的有效发射率,可采用Um一1983进行计算也就是:
(3—3)

由式(3-2)可知,壁温对辐射热损失影响最大。因此及时将输入的太阳辐射能由工作 介质输出,成为降低壁温的关键。尽可能降低壁面的温度是减少辐射热损失的关键。 利用腔内结构(本文采用增大导热管与壁面接触面积)来降低壁面温度,采用合理的 内壁温度。 3.3.2.3腔内平均直径的设计 吸热器的对流热损失包括腔内温度和环境温度差带来的自然对流,以及环境风引 起的强迫对流。对流热损失随腔体形状、开口方向、腔的倾角、腔体内部温度以及环 境空气温度、风向、风速等而变化,因此很难分析腔体的对流热损失。为简化计算,本 文计算中只考虑自然对流损失(不考虑环境风引起得强迫对流),其计算公式采用了 Siber和Krabel模型[391,其计算公式为:

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‰=%(易一£)如

一o.oss卵,wl“。(co叫”阿除训岛
式中:

J=1.12—0.98%IL。
0一腔体轴的倾斜角; 瓦一环境空气; L一腔内平均直径; GrL一基于长度L的格拉晓夫数; A一空气的导热系数。 内壁平均温度、腔口直径、腔内平均直径等决定着对流热损失大小。尽可能小 的腔口直径、内壁温度及合理的腔内平均直径是减少对流热损失的关键但这些又受到 制造、焦平面的能流分布及使用所需要腔口直径等因素的影响,因此需要综合考虑这
些因素。

3.3.2.4吸热器内腔高度的设计和选取合适的保温材料及厚度 假设%和乃已知,则腔体壁面的导热热损失可由下式计算

‰=—牛+早(3-5)
万七k+f)2

式中: ‰一腔体采光口半径。

3新型高效太阳能集热器的结构设计

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f一腔体保温材料厚度; 日一吸热器内腔高度; Ji}一腔体保温材料的导热系数; %一腔内壁面温度; 马一空腔外表面温度; 艺一外界环境温度。

对于空腔外表面,采用光滑水平圆柱表面自然对流计算公式,来近似计算带倾角的 圆柱表面的自然对流。 综上考虑所有以上提到的条件,综合考虑焦平面以及加工工艺和实验要求等,得 出了腔体吸热器的各项数值如图3.4所示。

4新型高效太阳能集熟器的理论计算

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4新型高效太阳能集热器性能的理论计算
4.1集热器的能量平衡方程
此太阳能集热器的集热过程服从能量平衡方程(4-1),该方程表示吸热器所吸收 得投射太阳辐射能分配成有用收益和各种损失。即:

只=£+昱+£
式中:

(4-1)

只—集热器吸收的太阳辐射功率,w; £—集热器的有用收益,w; 最—集热器对周围环境的热损失,w; 只—集热器的热贮存率,w。

£=厶,‰(cos岛)P耐
式中: 厶。—太阳直射辐射率,W/m2

㈣)

厶,—聚光镜的投影面积,m2;

日—入射角tad,跟踪良好时为0; P一聚光镜反射率。本文取0.94;

馏一透过率吸收率的乘积。

4新型高效太阳能集热器的理论计算

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£=犯鲁
式中: ^t—集热器的热容量, J/K;

(4-3)

r—温度,K; f一时间,s。

对于稳态状态孥=o,eP P.=O。
df

昱可用下式来定义:

最=4叱(‘一瓦)

(4-4)

式中: 毗—吸热器对环境的总热损系数;

乙、£—分别为吸热器和环境温度,K?
上式为定义式,本文中吸热器的温度取决于结构形式和载热工质的温度等,是一 系列参数的函数,难以通过简单的计算或实验来确定。因此本文分析了腔式吸热器的 各项热损失,即腔体内表面对聚焦光的反射热损失匕、腔体内表面通过采光口的辐射

热损失%、腔体采光口的对流热损失‰以及腔体壁面的导热热损失‰。
咒可用下式来计算:

置=圪4-%+‰+‰

睁5)

4新型高效太阳能集热器的理论计算

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4.2集热器的各项热损失
通常,吸热器的温度取决于结构形式和载热工质的温度等,是一系列参数的函数, 难以通过简单的计算或实验来确定。因此本文分析了腔式吸热器的各项热损失,即腔

体内表面对聚焦光的反射热损失兄、腔体内表面通过采光口的辐射热损失‰、腔体

采光口的对流熟损失‰以及腔体壁面的导热热损失‰。
4.2.1腔体内表面对聚焦光的反射损失
设腔式吸热器内腔面积为A。,吸热器采光口面积为A印,由文献[5】可给出其有效吸
收率为 (4—6)

式中

口,—腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数;接近于黑体,其值取为0.85 反射率为: PcoP=I-O/CO;,(4-7)

由上式,可得出腔体的反射热损失钆为: 乓=PCOr×刖0

_(1一%小蛾=(?一可i渤]×峨
式中。 只,—腔式吸热器采光口截获的聚焦能量 由上述公式可知,当A√Aw为定值时,提高壁面吸收率,即用吸收率高的涂层来处理 腔体内表面可减小反射热损失.当Aw为定值时,开口面积等于腔体内表面积时,反射热

损失最大,以吼卸.85为例,腔体对入射光的反射损失大约为15%。 4.2.2腔体的辐射热损失

4新型高效太阳能集热器的理论计算

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辐射热损失来自于腔体内表面和环境间的辐射换热与太阳光反射后溢出采光口 的部分太阳能.文献【6,7】采用网络法计算腔体内表面与环境间的辐射换热,文献[8】采用 Monte2Carlo法计算溢出采光口的太阳能。由于腔式吸热器与环境相比无穷小,由简化 计算可得出辐射热损失为:

%=%盯(彤一巧)如
式中:


(4—9)

一史蒂分?波尔兹曼常数;

昂一腔体内壁的平均温度; 墨一环境温度; 知一腔体壁面材料的热发射率。

%一腔体的有效发射率,可采用Una—1983进行计算也就是: %2
(4-10)

由式(4-9)可知,壁温对辐射热损失影响最大。因此及时将输入的太阳辐射能由工作 介质输出,成为降低壁温的关键。

4.2.3腔体的对流热损失
吸热器的对流热损失包括腔内温度和环境温度差带来的自然对流,以及环境风引 起的强迫对流。对流热损失随腔体形状、开口方向、腔的倾角、腔体内部温度以及环 境空气温度、风向、风速等而变化,因此很难分析腔体的对流热损失。为简化计算,本 文计算中只考虑自然对流情况。计算腔式吸热器自然对流损失的模型有很多,如文献 [43-46]等各自给出了不同的模型,其中文献【46】给出的模型中吸热器形状和平顶锥形 类似,因此采用此模型计算:

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‰=‰(%一乃)厶

(4-u)

由:%=圭肌,Nu=0.088卵盯(删”阿
其中:s=1.12—0.98岛/L

‰-o.oss卵盯T,J(删21纠。[水一瓦)向
式中:



秒一腔体轴的倾斜角; 疋一环境空气;
L—腔内平均直径; G吒—基于长度L的格拉晓夫数5

五一空气的导热系数。
Nu--Nusselt数。 上式中,当0=0时,Nu将增大到最大值M‰,Nu/Nuo=COS2舯0,当角度增大时,自 然对流将减小。但在本文中,其倾角等于太阳高度角,只随季节而变。

4.2.4腔体的导热热损失

‰=—牛+早
—2zHkln嗣[%+t]
,r七(%+f)2

(4.13)

式中:

4新型高效太阳能集热器的理论计算

辽宁工学院硕士学位论文

~一腔体采光口半径;
,—腔体保温材料厚度;10 日—吸热器内腔高度; 七—腔体保温材料的导热系数; £—外界环境温度。

对于空腔外表面采用光滑水平圆柱表面自然对流计算公式唧,来近似计算。

批Ⅻ2

嘶+礴0.559秆"] ”6『 l¨

(4-14)

式中:

”掣
:兰堡二型鱼±生

㈤,
、。

由:k=砉%
‰=‰亿一£)[2硝(%十f)日+万(%+f)2]
4.2.5集热器计算热损失数值
针对设计的腔式吸热器,根据图3.4运用公式计算了该吸热器的各项热损失,如 表4.1从表中可以看出,吸热腔体的辐射热损失、对流热损失、导热热损失随着腔体 内表面温度升高而增大,其中辐射热损失增幅最大,而反射热损失与随腔体内表面温 度无关,只与腔体内表面对太阳辐射的吸收率有关。 具体数值见下表: (4-16)

4新型高效太阳能集热器的理论计算

辽宁工学院硕士学位论文

4.3集热器理论热效率的算法及数值
集热器的计算热效率为:

玎=号
由公式(4-1)得: 只=只一忍一C 按稳态情况: £=0

(4-17)

综上:

17:鲁;丝出攀筝孥丛出芷型(4-18) 。只 L%(cosS)pr口
集体数据见下图:

4新型高效太阳能集热器的理论计算

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图4.2不同温度下集热器的计算热效率

38

5新型高效太阳能集热器的实验研究与数据分析

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新型高效太阳能集热器的实验研究及数据分析

太阳能集热器需要通过实验,以全面评定产品的性能和质量,为太阳能利用系统 的设计提供集热器性能数据,并为研制和改进集热器提供依据。本文主要讨论集热器 的热性能实验。

5.1实验研究
本文按图3.4示设计了腔体吸热器,并对其进行了光热转换实验研究,以便与理论 分析值进行比较。实验系统循环流程如图3.1所示。从而计算出吸热器的热效率,即 I/=mcpAT/Po,其中肌为流量,c,为定压比热容,△丁为温差,£为加热总功率。由于条件 所限,本次实验选择了秋、冬季节的晴天气进行测试,实验都是在中午进行。

5.1.1实验装置
根据设计图纸,加工好实体进行实验研究以测量出设计腔体吸热器的热性能。腔 体吸热器外壁用不锈钢制造,内部吸热盘管采用紫铜管,外壁覆以石棉层,外层再加 一层钢板。同时盘管与腔体壁紧密接触,以增强换热,以降低内壁平均温度。 将吸热器固定在聚光器的支架上,调节支杆令聚光器的焦平面恰好落在采光口平 面的中心位置。连接好进、出水管子,并在连接处用细铁丝加固,并确保不漏水。
所用装置有:

温度计(3个其中150"C的用来测量出水温度,50"C的用来测量出水和环境温度); 红外点温仪;
量杯1000ml;

秒表。

5.1.2测量方法
5.1.2.1温度测量

温度测量仪表依据它们的测量方式,通常分为接触法和非接触法两类。 (1)接触法

5新型高效太阳能集热器的实验研究与数据分析

辽宁工业大学硕士学位论文

由热平衡原理可知两个物体接触后,经过足够长的时一间达到热平衡,则测量的 温度必然相等。如果其中之一为温度计,就可以用它来测量另一个物体的温度,这种 测量方式叫做接触法。 (2)非接触法 温度计不与被测物体接触,而是利用物体的热辐射能(或亮度)随温度变化的原理 测定物体温度。这种测温方式称为非接触法。 试验中我们采用的是接触法。 在进水口和出水口分别安装温度计,用以测量进水温度和出水温度。在实验过程 中,最重要的实验数据是等稳定后(也就是进出口水温不随时间变化),再多次测量。 5.1.2.2太阳辐射量 太阳辐射被地球大气层吸收和散射后,到达地球表面的太阳辐射由两部分组成, 即直射太阳辐射和漫射太阳辐射。这两部分的和称为总太阳辐射。在太阳能利用的实 验中,太阳辐射强度数据是很重要的基本参数。这种数据可以通过直接测量得到。由 于没有测量太阳辐射的仪表,本文直接利用了文献[48】中的数据见表5.1。 表5.1辽宁地区太阳辐射日变化逐月变化规律中的平均值
时间,月份
08.09
09.10 10-1l 11.12 12-13 13.14 14-15 1 0.46 2 0.8l 1.34 1.66 1.S7 1.91 1.82 1.65 1.22 12.29 3 1.20 1.58 1.76 1.S4 1.85 1.75 1.60 1.33 90 4 5 1.30 IA5 l-52 6 o.92 7 8 0.81 1.02 1.09 1.07 9 10 1.15 1153 11 0.82 1.23 1.41 1.50 1.42 1.33 1.04 0.55 9.31

MJ/m2
12 0.46 0.93 1.27 1.43 1.46 1.39 1.04 0.46 8.44

平均
0.92 1.23 1.40 1.47 1.48 1.42 1.26 0.96

1.17 1.37

0.63 0.68

1.29 1.47 1.60 1.70

1.02
1.38 1.52 1.57 1.54

1.13
1.22

1.51
1.56

0.72
0.75

1.64 1.69 1.73
1.70

1.5l
1.47 1.33 1.30 1.13

1.23
1.20 1.15 1.08 0.91 8.83

1.55 1.41 1.24 1.07

0.73 0.74 0.74 0.66
5.67

1.16
I.12

1.66
1.68

1.30
0.77 9.56

1.03
0.92 8.23

1.58 1.37
12.36

1.50
1.08 12.03

15.16

总量

10.88 11.02

5.1.2.3流量iil的测量

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辽宁工业大学硕士学位论文

所:丛
At

(5—1)

式中:

成—水的密度;

圪一水的体积。

由于条件所限,本文采用自来水作为进水。进水口接在自来水龙头处。从出水 口出水时开始计时,到流到1000ml为止,所用时间为At。

5.1.3实验数据
由于实验中很难控制壁面温度趋于一定值,所以测量了不同流量下,吸热器实际 功率与流量的关系。 日期:2006年10月lO日。
时间:12:00.14:00

表5.2集热器实际功率与流量的关系(10.10)

其中:巧=勺棚(5-2)
勺一定压比热容,4168J/kg.k;

41

5新型高效太阳能集热器的实验研究与数据分析
△T

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=也tl;

表5.3集热器实际功率与流量的关系(12.1)

实验表明,当腔内流体的流量减小时,吸热器功率有所下降,如图5.1所示。这 与计算所得吸热器热效率随壁面温度升高而下降的趋势一致。

5.1.4集热器实际热效率的计算
D,

集热器的实际热效率为:

矿=告
‘4

(5-3)

5新型高效太阳能集熟器的实验研究与数据分析

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图5.1集热器的实际热效率

5.2数据分析
如图5.2所示,从图中可以看出,吸热腔体的辐射热损失、对流热损失、导热热 损失随着腔体内表面温度升高而增大,其中辐射熟损失增幅最大,而反射热损失与随 腔体内表面温度无关,只与腔体内表面对太阳辐射的吸收率有关。 图5.2集热器的计算各项热损失

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本文还对不同气候情况下的数据进行了比较如图5.3,可以发现气候条件对太 阳能热水器的各方面性能有着显著的影响。此处的气候条件主要指太阳辐射、环 境温度等等。由表5.2和表5.3可以看出不同时间的环境温度、水温等均有所不 同,它们直接影响集热器的损失,从而导致效率也有所不同。

图5.3不同气候条件下吸热器实际功率比较图 从图5.3集热器计算热效与实际热效率基本接近,说明本文的计算基本可靠。 随着流量的减小,吸热器的热效率趋于下降,这是由于随着流量的减小,腔体内 表面温度也随之升高,吸热器的辐射热损失、对流热损失和导热热损失均增大, 导致吸热器的热效率下降。从图5.4发现,随着流量减小,热效率下降的幅度增 大,吸热器上下底板处,温度比较高,而且这部分保温不太好,故造成导热损失 的急剧增加,从而导致热效率的下降。

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图5.4实际热效率与计算热效率的比较

6结论

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6结论
1.本文根据碟式聚光镜聚光后,焦平面处辐射能能流分布情况,同时考虑腔体 吸热器尺寸对各种热量损失的影响,设计出新型黑体式腔体吸热器,其计算热效率与 实验热效率基本吻合。 2.本文详细分析了新型黑体式腔体吸热器的反射、辐射、对流以及导热热损失。 结果表明:随着壁面温度升高,辐射热损失、对流热损失及导热热损失均增大;反射 热损失由于只与腔体内表面的吸收率有关,与壁面温度无关,所以保持不变。 腔式吸热器的热效率随壁面温度的升高而下降。 3.通过计算和实验表明,其热效率能达到85%以上,其热性能稳定

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攻读硕士期间发表的论文

辽宁工业大学硕士学位论文

攻读硕士期间发表的论文
胡锦达.太阳能集中供热系统在住宅区的应用阴.辽宁工学院学报文章编号1005.1090
(2006)I?-0053?-02

致谢

辽宁工业大学硕士学位论文





两年半的求学生活就要结束了,回首往事,这段难忘的岁月、这个难忘的地点、 众多可敬可亲的老师、同学、朋友将永远留在我的心中。学业的完成由自己的努力付 出,更多的是许多老师、同学、朋友和家人给予的帮助和支持。在这里请允许我用片 言只语表达我的感激之情,并祝愿大家岁岁平安、身体健康、家庭幸福、事业有成! 首先感谢导师李杰教授,在这两年半的求学期间,李老师对我的学习、生活和 个人成长给予了无微不至的教诲、关心和鼓励。为我提供了许多走出去学习的机会, 使我受益匪浅;课题研究上给予了悉心的指导;特别在生活上给予了大力的帮助,使 学业得以完成,在此自己及代表家人谨向李老师表示衷心的感谢和深深的敬意 由于课题的实验部分是在锦州石化精细化工有限公司下属天元公司二部进行 的,期问得到了该公司技术发展部李永祥主任的大力支持,在此也对他表示诚挚的谢 意。 在即将离开美丽的校园,踏上新的工作岗位之际,也谨以本论文的完成为起点, 勉励自己不断努力、不断进步!

一种新型高效太阳能集热器的设计与研究
作者: 学位授予单位: 胡锦达 辽宁工学院

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太阳能集热器热性能分析
所以,太阳能 集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效应用至关重要。 1 ...热超导管管全玻璃真空管集热器的热 性能分析.机械设计与制造,2007,10(10). ...
306一种新型太阳能集热器——阳光板集热器
一种新型太阳能集热器-阳光板集热器重庆大学 彭三兵 付祥钊;深圳市建筑科学研究院 罗刚摘要: 针对深圳市的气候特点及建筑特点, 太阳能热水器的推广与应用首先得解...
太阳能集热器的设计与计算
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新型高效聚光中高温太阳能集热器项目资金申请报告
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第十八章 能源与可持续发展
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一种新型太阳能集热系统
一种新型太阳能集热系统_能源/化工_工程科技_专业...热管是利用工质的汽化潜热高效地传递热能的强化传热...1)与建筑相结合设计安装适应性强,不会突兀于建筑之...
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