太阳集热器

太阳集热器（精选九篇）

太阳集热器篇1

目前, 我们常用的局部加热设备有:燃气热水器, 电热水器, 太阳能热水器。

燃气热水器的安装对外部环境条件的要求相对严格一些。首先, 对建筑物和部位的要求:工厂车间和旅馆单间的浴室内, 学校 (除食堂外) 、疗养院、疗养所的浴室内, 锅炉房内的淋浴室内等不得设置。其次, 燃气热水器应安装在通风良好或单独的房间内, 当条件不具备时, 也可安装在通风良好的过道内或阳台上, 但不宜装在室外。另外, 对安装房间的要求:房间高度应大于2.5 m, 热水器应安装在操作、检修方便, 不易被碰撞的地方, 热水器前应有大于0.8 m宽的空间, 热水器与煤气表、煤气罩的水平近距不得小于300 mm等。热水器对排烟方面也有一定要求, 这里不再一一阐述。

电热水器耗电量大, 为了安全, 要求供电电源设独立回路, 并采用防溅水型、带开关的接地插座, 电器线路符合安全和防火的要求。在浴室安装电热水器时, 插座应与淋浴喷头分设在电热水器的两侧。

太阳能热水器相对来说, 没有煤气热水器对安装条件要求高, 也没有电热水器对电器线路安全保证方面的要求, 它对外部安装条件的要求只是集热水器与建筑物需有可靠连接, 设在屋面上的集热水器影像结构专业提供其荷载要求。

综上所述, 利用太用能热源制备生活热水, 既节约能源又保护环境。因此, 凡太阳能资源较好的地区, 应积极推广应用太阳能热水器。

2太阳能集热器性能的粗略估算

集热器是太阳能热水器的核心部分, 为了大致了解集热器的性能, 我们可以采用一种简便的方法, 对它进行一些粗略的估算。

2.1 集热器的性能方程式

集热器的总光热性能, 通常可用集热器在某种运行工况下的总光热效率η来表示, 它定义为集热器收集到的有用热量与太阳入射热量之比。即η=收集的有用热量/太阳入射的热量。

以上定义的光热总效率η, 实质上是由两部分组成:1) 光效率;2) 热效率。对于某个具体的集热器, 光效率基本上是个恒定值, 而热效率则与其他很多运行因素有关。它可以通过如下性能方程式来表示:

η=A-BX (1)

其中, A为集热器的光学性能系数, 决定于玻璃的透过率τ, 涂层吸收率α, 以及入射阳光对倾斜面的修正系数ξ;B为集热器的热损失系数;X为决定于集热器工作状态和环境条件的运行因子。

2.2 性能系数的确定

确定不同集热器的结构, 式 (1) 中的光学性能系数A可以分别采用下列公式计算:

对单层玻璃盖板平板集热器:A=ξτα。

对双层玻璃盖板平板集热器和真空管集热器:A=ξτ2α。

可以看到, 性能系数A主要取决于集热器各部件所使用的材料。国产玻璃的透过率和选择性吸收涂层的吸收率如表1所示。

集热器的热损失系数B, 主要取决于集热器的结构和各部件所使用的材料与工艺, 比较难以精确计算, 可以采用表2所列的数值进行估算。

运行因子X定义为X= (Tw-Ta) /I, 其中, Tw为集热器工质的人口温度, ℃;Ta为环境温度, ℃;I为太阳辐射量, 对平板集热器和真空管集热器, 采用集热器倾斜面上的太阳总辐射的数值, 可根据所要估算的具体运行情况进行计算。

总的来说, 采用上述的公式和表1, 表2的数据, 对集热器性能进行估算, 最关键的是确定性能方程式 (1) 中的系数A和系数B的合理数值, 所取系数的精度越高, 则估算结果也越精确。

摘要：通过对太阳能热水器的概述, 就太阳能集热器性能的估算进行了探讨, 给出了集热器的性能方程式, 并对其性能系数的确定作了分析, 得出所取的集热器性能系数的精度越高, 估算结果越精确的结论。

关键词：太阳能,集热器,吸收率,真空管

参考文献

太阳集热器篇2

摘要：本文综述了平板型太阳能集热器的发展现状，对平板型太阳能集热器的国内外市场进行了分析，并分析了平板型太阳能集热器的技术优势和有待解决的问题，展望了平板型太阳能集热器的市场前景。

关键词：太阳能，平板集热器，建筑一体化

0引言

我国拥有全球最大的太阳能热水器（系统）生产能力，也是全球最大的太阳能热水器（系统）的应用市场。根据我国的可再生能源发展规划，2020年太阳能热水器（系统）的安装量将达到3亿m2，每千人拥有量为203 m2[1]。目前，随着世界能源价格的不断上涨和全世界环保意识的增强，面对严峻的节能减排形势，我国正在加速发展和利用可再生能源，太阳能技术和产品的进步以及太阳能热水器与建筑结合技术的发展，将使太阳能热水器（系统）继续保持快速增长的势头。其中平板型太阳能集热器（以下简称平板集热器）因其固有优势而逐渐受到高度关注。

1国内外平板集热器的发展概述

1.1 我国平板集热器发展现状

平板集热器早在17世纪后期就被发明，是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管如此，但直到1960年以后它才真正被深入研究并进入实际应用。

在我国的太阳能光热应用中，平板集热器也是最早得到应用的产品，而且一度发展得很快。但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右的市场份额。首先，作为集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而导致热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器（系统）基本上都采用直接加热太阳能集热器中水的方法。如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常运转，严重时还会导致集热管的涨裂。而随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏而受到了市场的欢迎。同时，由于全玻璃真空管技术的不断创新，使其成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进了全玻璃真空管型太阳能热水器市场的迅速扩大。

另外，在商业运作方面，全玻璃真空管热水器被生产厂及商家宣传为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。其主要理由是真空绝热，这一宣传极易为我国大众接受。因此，目前

家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低端市场中全玻璃真空管热水器仍将占据主流。

目前，随着太阳能光热利用技术的不断成熟，以及人们对于太阳能光热产品的要求不断提高，特别是太阳能与建筑一体化技术的提出，平板集热器的优势日渐突出，其市场份额在近两年中也在逐步上升。

1.2 国外平板集热器的发展现状

据霍志臣、罗振涛对欧洲15个国家、美洲2个国家、大洋洲1个国家、亚洲3个国家(21个国家)的统计，国外生产平板式太阳能热水器的厂家(含经销商)共401家,占企业总数的92.61%;真空管太阳热水器12家,占企业总数的2.77%;简易太阳能集热器20家,占企业总数的4.62%。显然,平板型太阳能热水器生产经营企业远远多于其它产品类型企业数量。国外市场中，2003年平板太阳能热水器占市场销售份额的94.88%,真空管太阳能热水器占

2.46%。

究其原因主要是国外太阳能热水系统设计理念的不同，国外系统一般采用间接式系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统的初期投资一般较高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势：

第一，国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，有些发达国家太阳能热水器基本上都是双回路承压型分体结构。这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。

第二，国外平板太阳能集热器采用高吸收率及低发射率的可选择涂层。

国际上发达国家，尤其是欧洲，平板集热器所使用的选择性吸收涂层主要有两种方法，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺，产品的光学性能及耐候性都很理想。

真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题，涂层光学性能优良，但连续化生产线投资较大，涂层生产成本较高，北京融德绿能科技有限公司生产的平板集热器板芯涂层就是采用这种工艺生产加工的。湿法镀膜技术采用电化学方法生产，涂层（如黑铬涂层）连续化生产线投资较小，涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能，也是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

第三，平板集热器最有利于实现太阳能热水器与建筑相结合。实现太阳能热水器与建筑相结合是太阳能热水器产业发展的必然趋势。以平板集热器为主体的家用太阳能热水器和公用太阳能热水系统，无论从整体外形、结构强度，还是从安装调试、维护保养等各个角度[3]

考虑，平板集热器都是最适合实现太阳能与建筑相结合，因而也是最受建筑设计师欢迎的产品。

第四，国外平板太阳能热水产品的产品热性能好，系统安全可靠，有效采光面积大。平板太阳能集热器在国外的研发已有多年，其产品的热性能已接近真空管太阳能集热器。

第五，国外平板太阳能热水产品材料的可再生利用率高。平板太阳能集热器材料以铜、铝或符合材料为主，回收利用率高。

第六，平板集热器多以铜铝等金属材料为主，其产品材料的回收利用率高。

第七，产品热性能好。平板集热器在国外已研发多年，其产品热性能已等同或超过全玻璃真空管集热器。

因此，国外太阳能集热器市场格局并没有因全玻璃真空管太阳能集热器的引入而发生重大变化，直至今日平板太阳能集热器、热水器仍占主流地位，并且继续稳步发展。2平板集热器的发展前景及技术革新方向

平板集热器在我国已有20多年的生产和应用经验。现在，平板集热器和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位，即使在北方地区也有不少用户。近年来由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运行等问题，直插式全玻璃真空管集热器在实际使用中受到了限制。于是，平板集热器得到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。

平板太阳能集热器的优势是易与建筑有机结合，且十分可靠，同时，平板集热器还能够代替传统物的屋顶和屋面，显著降低成本[4]。这一优势也已逐渐为建筑师、建筑商所认同。我国平板太阳能集热器、热水器发展已显现新的商机，如能借鉴国外成功经验，发挥自己的优势，扬长避短，进行实事求是的宣传推广，平板集热器一定能发展起来。这对于完成我国的可再生能源规划，实现我国节能减排的阶段性目标，有着非常重要的意义。

平板太阳能集热器关键技术革新方向

第一，应针对平板型集热器研发新型保温材料，改进生产工艺,在各个环节控制散热，采用多重保温处理技术使太阳能系统更加稳定，免去客户在使用其他太阳能热水产品会产生的系统不稳定等后顾之忧。

第二，平板太阳能生产企业应学习借鉴国内外先进的生产加工工艺，结合自身特点，勇于不断创新，采用高吸收率低发射率的太阳能集热板芯镀膜技术，从而提高平板集热器的集

热效率。

第三，采用高透过率低反射率的新型玻璃盖板，使采光效率更高。采用高效低铁玻璃，可见光直透率高达94％，太阳光直透率高达91.5％。

第四，采用先进防水处理，将集热器玻璃盖板与集热器边框实现无缝隙紧密结合，有效的防止雨水的渗透对集热器的影响。

第五，采用先进的加工设备并不断创新生产工艺，在保证集热产品质量的前提下减少生产运行成本。

3结论

平板型太阳集热器和热水器在太阳能光热利用中，特别是在应对世界环境和完成节能减排的指标中有着极大的优势。随着社会和技术的不断进步,在太阳能与建筑一体化方面,平板型太阳能热水器近年来已取得了较大的技术进步。居民生活水平的提高也使得开发、生产高品质的太阳能热水器产品成为今后的发展方向。我们也相信，通过我们的不断努力，将会把制约我国平板太阳能产品的几大问题逐一攻克。随着平板型太阳能集热器和热水器技术水平的提高，平板型太阳能集热器和热水器将会获得更大的发展,在市场中所占的份额也将不断增加。

参考文献：

太阳集热器篇3

目前，应用于软包装行业的加热方式主要有电加热、蒸汽加热、空气能（热泵）辅助加热、太阳能辅助加热等。其中，电加热是最传统的，也是应用最广泛的加热方式，但因电费昂贵，已有部分被其他加热方式所替代；蒸汽加热需要当地政府部门配合建造热电厂，否则无法使用；空气能（热泵）辅助加热的加热温度只有60℃左右，存在加热温度偏低的现象，更多的可以应用到洗浴等日常生活中；太阳能辅助加热自身加热温度可达到80℃以上，能够满足软包装生产（如印刷机、复合机、熟化室的加热和烘干系统等）的使用需求，而且太阳能也是“节能环保、低碳经济”主要应用能源之一，是节能减排、低碳环保的主要方式。当前，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

作为一家绿色先行企业，我公司根据自身产业结构特点，于2012年12月引进了一套太阳能集热节能系统，在使用过程中大幅降低了能耗，可节省50%电耗，加热部分可节能70%，带来了显著的经济效益。下面，笔者将对其工作原理和能耗进行详细介绍。

工作原理

太阳能集热节能系统的工作原理是：利用太阳能的辐射，通过集热管对水进行加热，热水经过管道输送进入保温水箱，然后将水箱内的热水输送至设备的进风口及熟化室，通过散热器将热能输出，进而进行烘干、固化，达到使用电加热的同等效果，从而节约电能。这套系统可广泛应用于印刷机、复合机及熟化室的加热、烘干系统，可为加热系统节约电能60%以上。

印刷机的热能供给是通过安装在水箱旁边的智能太阳能控制器来直接控制热水的温度，当太阳能的热水温度和输送到印刷机进风口的热水温度相差6℃以上时，太阳能控制器就会使水泵自动打开，将不够热的水泵用太阳能加热，同时引进更热的水来提高温度。太阳能集热节能系统在印刷机上的应用如图1所示。

而熟化室加热的实现则通过管道将水箱中的热水输送至熟化室，通过散热片使熟化室内的温度升高，进而达到固化产品的目的。目前，熟化温度为30～40℃的产品，完全可以靠太阳能提供的热能来满足，无需使用电能，只有熟化温度为50℃的产品，才需要补充一些电能。

这套系统的室外集热部分安装无需特定或者单独的建筑结构，可以充分利用闲置空地或厂房、办公楼屋顶就可以安装，我公司的厂房屋顶就铺设了8000根太阳能集热管（如图2所示）。

佛山地处珠江三角洲腹地，绝大部分地区位于北回归线以南，气候类型为南亚热带海洋性季风气候，太阳能分布量从全国范围来看属于中等地区。因此受天气影响，太阳能集热节能系统不稳定。为了解决这个问题，我公司利用燃烧生物燃料作为太阳光照不足时的补充热能，这些生物燃料是由稻草、麦秆、木屑等压缩制成的高密度颗粒，燃烧1元的生物燃料可节约3元的电费。

能耗分析

从社会价值分析：通过换算，1根太阳能集热管产生的热能相当于150瓦电能，而节约1度电就可以节约0.4千克标准煤、4升水，减少0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳、0.015千克氮氧化物、0.03千克二氧化硫的排放。

从商业价值分析：8000根集热管产生的热能相当于300千瓦电能，运行中无人工成本投入，少量水因挥发需补给；太阳光照不足时需要补充生物燃料来提升热能；基本无维护成本，极少易损件的更换。

下面，笔者以我公司一台8色印刷机和熟化室为例，来分析使用太阳能集热节能系统前后的用电费用对比（如表1所示）。

表1中，我公司很好地将太阳能集热节能系统应用在一天中用电量高峰期，显著降低了印刷机的用电量。当室温为20℃时，高速印刷机正常运转需要的电流是200A以上，而当太阳能、生物能提供80～85℃温水后，到达印刷机烘箱的温度可达45～55℃，印刷机所需电流下降至100A以下。也就是说，使用太阳能集热节能系统可以帮助整机用电量下降50%以上。

另外，在使用太阳能集热节能系统之前，熟化室的水泵功率为20千瓦，在使用太阳能集热节能系统之后，换一个5.4千瓦的水泵来实现热水循环，即可满足固化温度要求。熟化室应用太阳能加热和生物能加热两个系统，随温差交替运行，能确保复合产品48小时内保持50～55℃恒温，产品受热均匀，固化效果更好。以面积为25平方米的熟化室计算，有阳光时，每天可节约电费158.43元，使用生物能每天可节约132.3元。

按目前6条生产线计算，我公司1个月可节约电费6万～8万元。印刷机和复合机的节能率1年能够达到65%以上，熟化室节能率达到60%以上，投资回报期短，一般在阳光较为充沛的情况下，印刷机8～10个月即可收回投资成本，熟化室12～14个月可收回投资成本，而太阳能集热节能系统正常情况下的使用年限为12～15年。

在当今经济形势下，一方面原材料价格上涨，另一方面客户要求降低成本，各大软包装企业都在为微利而挣扎，为生存而努力。为此，如何降低内部成本就成了各大软包装企业管理工作的重中之重。改用太阳能、生物能就是软包装企业的明智之举，不但可以为企业带来一定的经济效益，同时还可以取得良好的社会效益。

节能环保是软包装未来发展的必然趋势。希望软包装企业能够运筹帷幄，打好最坚实的基础，敢用新设备、新技术、新材料，敢于创新，在竞争激烈的软包装行业，走出一条稳健而快速的发展之路。

太阳能集热器的研究进展篇4

全球变暖已成为一个日益紧迫且急需解决的问题。使用可再生能源, 特别是太阳能, 被视为一种解决全球变暖, 实现人类可持续发展的有效手段。太阳对外释放巨大能量, 在地球大气层上界获得太阳辐射能是174 PW (1 PW=1 015 W) [1]。太阳辐射进入地球大气层后, 经过云层、空气和水汽的反射、散射和吸收后强度显著减弱, 大约51% (89 PW) 到达土地和海洋[1]。很明显, 太阳能显著衰减, 但到达地球表面的太阳能总量仍然是巨大的。然而因为太阳能的低密度和间歇性的特点, 所以需要将太阳能收集利用。

太阳能集热器是一种常见的太阳能收集装置, 具有良好的光驱性能 (能够尽可能多的吸收热量) [2], 本文总结讨论了两种典型的太阳能集热器:聚光型集热器和非聚光型集热器。

1 太阳能集热器

太阳能集热器, 是一种特殊的能量转换器, 既可以把太阳辐射能量通过工质转化为热能, 也可以直接利用光伏系统转化为电能。太阳能集热器通常分为两类:非聚光型集热器、聚光型集热器。非聚光型集热器的面积与吸热面面积相等;带有追光系统的聚光型集热器, 通过面镜将太阳能集中在小区域, 获得更高的工作温度, 从而实现更高的卡诺循环效率。

1.1 非聚光型集热器

1.1.1 平板集热器

平板集热器通常固定安放, 因此需要适当调整安装角度。典型的平板式集热器通常由玻璃盖板、吸收板、隔热层、热管 (输送热工质) 组成。玻璃盖板是由单个或多个组合使用, 具有太阳透射比高, 红外透射比低等特点。起到透射太阳辐射, 保护吸热板, 形成温室效应并降低由于吸热板温度升高造成的与外界环境之间的对流换热作用[3]。低铁玻璃是一种具有高太阳辐射透射比 (大约0.85~0.87) 和长波热辐射透射比接近于零的玻璃材料[4]。Hellstrom等人对平板太阳能集热的光学和热学性能影响的研究发现增加一层聚四氟乙烯膜在玻璃盖板与吸热板之间, 在50℃时集热器效率提高5.6%, 如果采用蜂窝状聚四氟乙烯, 通过减少对流换热损失可以使集热器效率提升12.1%[5]。

为了尽可能多的吸收热量, 吸热板通常涂有黑色涂层, 各种彩色涂层也在文献[6,7]中提出。选择性涂层通常由具有对太阳短波辐射吸收率高的表层, 和对长波辐射具有高反射率、低发射率的底层构成。这种选择性涂层具有理想光学性能并且制造成本通常较高, 文献[8]提出了几种低成本的制造方法。此外, 为进一步提高集热器的性能, 吸热板热损失也需要降低。发现由透明材料制成的蜂窝, 放置在玻璃盖板与吸热板之间的空域上, 有利于减少热损。

由吸热板吸收的热量需要迅速转移到工质中, 以防止系统过热[9]。因此吸热系统的传热性能是非常重要的。Kumar和Reddy研究发现通过安装多孔体促进传热的集热器, 传热性能提高了64.3%[10]。Lambert等人发现采用振荡流, 通过提高工质在太阳能集热器中的热扩散系数可以显著提高传热[11]。何启东等采用工质在吸热板正、背两面流动的集热器, 取得了较好的导热率[12]。Ackermann等采用数值计算的方法得出在集热器流道中安装肋片能够有效提升集热器的传热性能, 并且通过降低翅片间距以及改进翅片的材料可以进一步提高热导率[13]。Sopian等人的研究表明, 在第二个通道中插入的多孔介质, 能够获得更高的出口温度, 从而提高系统的热效率[14]。如图1所示。Martinopoulos等采用聚碳酸酯蜂窝提高太阳能集热器的传热效率[15]。

在太阳能集热器的热分析和数值模拟研究方面。Saha和Mahanta研究了平板太阳能集热器的热力学优化[16]。葛众等人结合能量和对平板太阳能收集器也进行了优化分析, 他们认为当增大光学效率和增加入射太阳光时, 效率也将增大, 但是当环境温度和风速增加时, 效率迅速下降[17]。他们还确定了一个最佳工质进口温度。此外, 还发现热管管径对效率有很小的影响。Selmi等利用商业CFD软件通过采用混合传热模型对平板太阳能集热器的热现象进行了模拟, 并且所取得的结果与试验数据吻合较好[18]。

1.1.2 光伏光热混合集热器

光伏光热混合集热器可以同时将太阳能转换成电能和热能。一个典型的光伏光热集热器是由一个峰值效率在5%~20%之间的光伏模块和一个附着在光伏模块的后面吸热板 (作为一个散热装置) 构成。吸热板收集光伏模块的余热使其冷却到适当的温度而获得更好的电气性能, 同时可以实现太阳能光热低温应用, 如供应家庭热水[19]。

最近大量关于光伏光热混合集热器的研究, 尤其是对于空气集热器的研究重点大都放在吸热板和热管的尺寸[20]、工质流速[21]、箱体大小[22]、太阳能电池的填充因子[23]、使用非晶硅[24]、使用金属肋片[25]和多通道配置等问题。此外, 文献[26]对低聚光非成像光学光伏光热混合系统的应用也进行了研究。

对光伏光热混合系统和传统的光伏系统之间的性能进行比较, 结果表明:光伏光热混合系统可以显著的提高能量转换效率和潜在的成本效益[27]。随着光伏光热混合系统理论模型的发展, 复杂的热输出和电气输出之间的平衡问题得到了研究[28]。此外, Joshi和Tiwari基于热力学第二定律对光伏光热混合系统进行了分析[29]。

1.1.3 增强型光伏光热混合集热器–双面系统

光伏光热混合集热器一般以水或者空气做为热介质。水具有高比热容和优良的光学特性, 是一种理想工质。Tina等人对以水为热介质的太阳能电池板系统测试发现一层4 cm厚的水可以减少系统反射光和热漂移, 使光电效率提高了15%[30]。效率提高的原因有两个:首先, 水主要在红外波段吸收阳光;其次, 水在短波长区域是完全透明的, 所以, 长波辐射可以被水吸收产生热量, 同时短波辐射可以利用光伏系统发电。

图2显示了厚度1.5 cm水层的光学透射谱, 以及厚度为50μm的单晶硅层太阳能光伏电池的吸收光谱[31]。图2表明, 水的光谱吸收率对光伏电池的工作区域只有轻微的影响, 对波长约为950 nm的光线水的透射率降低, 对波长在1 100 nm以上的光线有强烈的吸收性。因此, 充满水的集热器与双面硅片的光伏模块组成的混合系统具有很好的发展前途。

(1) 1.5 cm厚水层传输特性曲线, (2) 50μm厚单晶硅层的吸收特性曲线

Robles等人发明了一种双面被水覆盖的光伏模块, 能吸收长波辐射产生热量和短波辐射产生电能[31]。短路电流数如图3所示。最低的曲线代表底部面板在一天中不同时间的短路电流Isc。中间曲线代表前面板的短路电流, 最高的曲线代表系统所有面板总的短路电流。总的最高短路电流值是7.1 A, 正面和底面相应的短路电流值分别为5.1 A和2 A。结论表明, 双面光伏系统比普通单面系统输出电能增加了40%, 并且成本几乎没有增加。

双面系统还可以通过吸收余热生产热水进一步提高系统效率。要获得更高的效率, 就需要研究系统流道的优化设计和传热特性。双流道双面系统可以更有效地去除多余的热量, 从而提高系统效率但是这种水型光伏光热系统有一个缺点:在寒冷地区, 因为冷冻会造成系统的损坏。此外由裴刚等提出的一种热管式光伏光热系统, 在热传递过程中几乎没有任何温度下降, 而且还可以减少腐蚀[32]。

图3光伏板短路电流的时间变化曲线:曲线1、2、3分别代表背面、正面和总面的短路电流

1.2 聚光型集热器

1.2.1 塔式集热器

聚光型集热器通常配备有太阳跟光设备, 相对于非聚光收集器有更高的聚焦比, 可以获得更高的工质温度, 也就意味着能够获得更高的热力学效率。塔式集热器, 有若干平面镜构成, 整个镜场阵列需要有精确的定位, 将太阳辐射反射集中在一个高塔上。每一个镜面都是由采用经纬仪跟踪技术的自动控制系统调节方向。为获得更高的整体效率, 因此需要对镜场布置优化设计。魏秀东等人用蒙特卡罗光线追迹法建立镜场聚光的数学模型, 采用参数搜寻算法实现对镜场结构的优化获得了很好的效果[33]。

塔式太阳能集热器按照中央接收器的类型可分为外部型和腔型。位于美国加利福尼亚州太阳能一号光热电站使用的是外部型接收器, 如图4 (a) 所示, 外部型接收器的高径比通常是1∶1至2∶1。为了减少热损失, 接收器体积通常被设计的尽可能最小。但是接收器体积过小容易造成工质过热, 因此使用耐高温热管或者散热能力强的传热工质可以进一步减小接收器的体积。传热工质包括水、蒸汽、合成油, 液体钠熔盐, 其中熔盐和液体钠比蒸气和合成油有更高的散热能力[34]。腔型接收器的设计如图4 (b) 所示:太阳能辐射由镜面通过腔体上的孔 (孔面积约占内部吸收表面面积的三分之一到二分之一) [34]反射到腔壁上的吸热面。因此孔径越小接收器的热损失越小, 但最佳空腔尺寸应与场地的布局有关。

当前关于接收器设计的首要问题是计算从吸热壁吸热传递到传热工质中的热流量, 并保证吸热壁面和传热工质不过热。文献[34]给出了典型设计峰值。整个吸收壁的平均热流量通常占峰值的三分之一到二分之一。此外, 太阳能吸热板温度梯度和每日热循环也是影响热流量的两个重要因素。

1.2.2 抛物面聚光集热器

抛物面聚光集热器是使用一组外形类似卫星接收器的抛物型碟形反射镜, 将太阳能辐射聚焦在一个共同的焦点上, 接收器内的传热工质被加热到工作温度和压力, 驱动发动机发电。发动机主要有两种, 一种是斯特林发动机, 另一种是布雷顿发动机。抛物面聚光发电系统具有以下优点:光效率高, 启动损失小和模块化生产, 便于推广可满足偏远地区的电力需求[35]。

图4两种太阳能接收器[49]: (a) 外部型; (b) 腔型

聚光器、接收器和发电机是在碟式太阳能热发电系统中最重要的组成部件, 碟式聚光器主要有玻璃小镜面式、多镜面张膜式、单镜面张膜式等[36]。接收器包括直接照射式和间接受热式, 是碟式发电系统的核心部件。接收器包括直接照射式和间接受热式。德国航空航天中心设计了一种性能优良的热管接收器, 设计容量为40 k W, 理论最高热流密度为54×104W/m2;南京工业大学提出了一种组合式热管接收器, 并从接收器总体结构、热管单元结构以及接收器工作原理等方面做了详细阐述。并对热管接收器的传热过程进行了分析计算, 结果表明组合式高温热管接收器具有优良的热传递性能[37]。另外, 还有一种由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的混合式热管接收器, 但由于加入了燃料系统, 使其结构复杂、成本提高。

1.2.3 槽式抛物面集热器

根据槽的尺寸, 槽式抛物面集热器的聚光比大约是40。聚焦线上的温度可高达350℃至400℃。这种集热器的关键部件是一组抛物反射镜, 将太阳能辐射聚焦在一条线上。在聚焦线上安装真空管集热器吸收太阳辐射。

槽式抛物面集热器既可以固定在东西方向, 从南北方向跟踪太阳, 也可以固定在南北方向, 从东西方向追踪太阳。实验得出双轴追光系统太阳辐射收集量比固定系统多出46.46%, 通过对双轴、垂直轴、东西轴、南北轴四种追光系统与固定面系统实验对比, 四种追光系统的发电量比固定系统分别高43.87%, 37.53%, 34.43%和15.69%[38]。

与其他类型的太阳能集热器对比槽式抛物面集热器有多种特色和优势。首先, 他们是可扩展的, 因为他们的槽镜像元件可以安装在普通焦线。其次, 他们只需要二维跟踪 (蝶式发电系统需要三维跟踪, 系统更复杂) , 所以他们可以获得更高的跟踪精度。

2 结论

太阳集热器篇5

低温多效蒸馏是多效蒸馏技术的一种改进技术, 操作温度较低, 避免和减轻了海水对设备造成的腐蚀与结垢问题, 降低了淡化水的成本, 也可利用工业余热及低品位蒸汽为热源, 进行能源的有效回收利用。相对于多级闪蒸而言, 多效蒸馏海水淡化技术具有进料海水预处理工艺比较简单;操作弹性更大;能源动力的消耗量也较低;系统热效率较高;操作运行安全可靠等特点。

本文针对目前太阳能海水淡化装置的不足, 提出了一种新的太阳能海水淡化装置。通过理论分析和计算, 比较了以水和导热油作为热媒介质的太阳能海水淡化装置的特性, 研究结果可指导太阳能海水淡化装置的设计, 有很好的工业应用前景。

1 系统流程

平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型, 其结构简单、运行可靠、成本适宜, 还具有承压能力强、吸热面积大等特点。横管降膜蒸发技术是一种低温多效蒸发海水淡化技术, 管外水膜产生波动可加强对流传热, 传热系数比较高, 并且传热温差小, 所需温度驱动力也相对比较低, 热消耗量小, 可采用低品位热量, 在低温多效蒸发海水淡化方法中横管降膜蒸发技术用广阔的发展前途。

因此, 结合横管降膜多效蒸发海水淡化技术的优点, 并与平板型太阳能集热器技术相结合, 以太阳辐射总量为5000～5850MJ/m2的三类地区为例, 用蒸馏水和导热油为热媒介质, 提出了一种新的太阳能横管降膜多效蒸发海水淡化工艺, 并设计了一套产水率约为100 kg/h (2.4 t/d) 的太阳能海水淡化装置 (见图1) 。

阳光充足时, 由太阳能集热器加热热媒 (水或导热油) , 热媒进入蓄热箱储存。热媒经过循环泵依次进入一效蒸发器和二效蒸发器的热媒换热管, 使海水吸热并蒸发, 最后返回蓄热箱, 由太阳能集热器重新进行加热。一效蒸发器产生的水蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出, 进入二效蒸发器的蒸汽换热管, 冷却放出部分热量, 用于海水吸热和蒸发。二效蒸发器所产生的蒸汽和蒸汽换热管的蒸汽由蒸汽循环泵抽出, 进入三效蒸发器的蒸汽换热管, 加热和蒸发海水。最后所有的蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出, 进入冷凝器凝结成淡水, 放出的热量用于预热海水。

经过预处理后的海水, 经冷凝器预热后, 与一效蒸发器来的部分浓海水混合, 进入三效蒸发器, 经喷淋管进行喷淋, 形成的液膜均匀分布在各换热管外表面, 进行换热和蒸发, 未蒸发的海水在三效蒸发器的底部蓄积, 与经过预热的部分海水按比例混合, 再进入二效蒸发器的喷淋管进行喷淋, 进行换热和蒸发。二效蒸发器未蒸发的海水再进入一效蒸发器的喷淋管进行喷淋, 进行换热和蒸发。最后, 一效蒸发器内未蒸发的浓缩海水大部分进行循环利用, 底部高浓度海水作为污水排放。

喷淋的海水每次进入蒸发器时, 都要重新经过喷淋器进行喷淋, 以保证每一级的横管外液膜都能均匀分布, 避免出现换热管局部干壁现象。部分用于蒸汽和海水流动的泵和流量调节阀门图中未全部示出。每级蒸发器换热管均为6根×6排的顺排布置, 其中, 二效蒸发器的蒸汽换热管为2×6根, 热媒换热管为4×6根。换热管均为φ19mm铝黄铜, 长度1m。

该工艺流程和装置的主要特点如下:

(1) 采用平板型太阳能集热器, 最大限度降低制造成本。

(2) 该装置可以用水或导热油作为热媒介质。

(3) 横管降膜多效蒸发海水淡化工艺能充分回收蒸汽汽化潜热, 提高系统效率。

(4) 系统中设置了蓄热装置, 解决太阳能不连续的问题。

2 系统的理论研究与结果分析

2.1 计算方法

当热媒为水时, 管道内强制对流传热采用关联式DittusBoelter公式:

管外蒸发侧传热系数根据文献分析总结结果, 横管降膜蒸发换热系数计算公式:

其中, h为管外蒸发换热系数, W/m2·K;μ为液膜动力粘度, Pa·s;ν为液膜运动粘度, m2/S;λ为液膜导热系数, W/m·K;g为重力加速度, m/S2;Γ为喷淋密度, kg/m·S。

以管外侧面积为基准的圆管传热系数计算公式:

式中:D为管外直径, m;d为管内直径, m;λ为管壁材料的导热系数, W/m·K;为铝黄铜管的导热系数为105W/m·K;、分别为换热管内、外侧换热系数, W/m·K。

考虑到污垢的影响, 实际工程中清洁系数取0.85, 传热温差为Δt, 则蒸发器的传热量为:

装置的尺寸和大小均不变, 当热媒为导热油时, 计算方法类似。以导热油D12为例, D12是一种合成油, 它能够在很宽的温度范围内保持良好地传热性能, 工作温度范围为-85℃至190℃, 适用于无超压或不超过260℃的加压系统, 特别适合用于冷却和加热的系统应用。

导热油D12的物性参数随温度而变化, 从常温20℃上升到190℃高温, 密度不断降低, 从760 kg/m3降低到625 kg/m3;比热不断升高, 从2.1 kJ/kg·K增大到2.8 kJ/kg·K;导热系数不断降低, 从0.11 W/m·K降低到0.079W/m·K。

2.2 计算结果

对于常压工作的平板型太阳能集热器, 以水为热媒介质时, 为了降低集热器制造成本, 避免水沸腾和汽化, 防止集热器损坏, 通常热媒水温不超过90℃, 热媒介质为导热油D12时, 常压下, 导热油的温度不超过190℃, 则太阳能集热器不会产生沸腾和汽化, 制造成本也不会显著增加。因此从太阳能集热器出来的导热油的温度分别假定为110℃、130℃和150℃, 并分别计算其换热量和淡水产量。结果见表1。

注:表中蒸发器的压力为绝对压力。

2.3 结果分析

由表1可知, 采用相同型式的太阳能集热器, 海水淡化装置的结构尺寸相同时, 分别采用水和导热油作为热媒介质, 该装置具有以下特点:

(1) 采用热水作为热媒介质, 海水蒸发量即产水量为111.5kg/h, 可以达到设计产水量。采用导热油D12作为热媒介质, 计算所得的海水蒸发量即产水量为119～552 kg/h, 产水量显著增加。导热油温度为150℃时, 该装置的产水量增加了4倍。

(2) 采用热水作为热媒介质, 一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.02MPa、0.01 MPa和0.006 MPa, 蒸发器必须维持较大真空度, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高, 使海水淡化装置的制造成本比较高。

(3) 采用导热油作为热媒介质, 蒸发器的绝对压力都较大, 真空度较小, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都比较低, 因此海水淡化装置的制造成本显著降低。尤其是导热油温度为150℃时, 一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.1MPa、0.1 MPa和0.047 MPa, 一效和二效蒸发器均在常压下工作, 制造成本和运行成本都很低。

(4) 横管降膜蒸发传热具有较高的传热系数, 并且以导热油为热媒时, 总传热系数是以热媒水的2倍。导热油具有更高的传热系数, 有利于提高产水率和减小装置体积, 降低制造成本。

(5) 蒸发器必须维持较大真空度, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高, 使海水淡化装置的制造成本比较高。

(6) 导热油温度越高, 装置换热系数就越大, 换热量越大, 产水率越高。导热油的传热系数较大, 这是导热油的物理特性决定的。常压工作的平板型太阳能集热器, 完全可以将导热油加热到150℃以上。所以, 综合其他因素的影响, 在条件允许的情况下, 尽量提高导热油的温度, 可以提高产水率和减小装置体积。

(7) 蓄热箱有利于提高装置的运行时间, 避免和减小夜间和阴雨天的影响。采用导热油作为热媒介质, 其比热小于水, 但是蓄热温度较高, 因此该装置储存热量的能力与水相当。

(8) 该装置将产生的蒸汽多次回收, 充分利用水蒸气的汽化潜热, 提高了系统的热效率。

3 结论

以水和导热油作为热媒介质, 通过热力学和传热学的理论分析与计算太阳能海水淡化装置的主要特性和指标, 得到以下主要结论:

(1) 采用导热油作为热媒介质, 太阳能海水淡化装置的主要特性和指标均较好, 该技术和装置具有很好的应用前景。

(2) 采用导热油作为热媒介质优于水, 能够显著提高太阳能海水淡化装置的产水量, 蒸发器维持常压或真空度较小, 装置的制造与运行成本显著降低。

太阳集热器篇6

常见的非聚焦太阳能集热器有平板式、真空管式和真空热管式集热器。平板式太阳能集热器以其造价低廉、可承压、不爆管和集热面积大等优点获得广泛的应用;但由于普通平板式集热器热损大,高温段热效率偏低,在太阳能发电有机朗肯循环、制冷空调等场合应用效果不够理想。为此我们设计了一种小流量、大温差的蛇形管平板式太阳能集热器,通过试验测试其空晒温度及其瞬时热效率,分析试验结果,提供改进的措施,使之更好的满足于对太阳能中高温应用的要求。

1 试验装置和测量系统

1.1 集热器

要获取更高的温度和提高平板集热器集热效率,一方面要减小集热器热损,另一方面要增大得热。为此我们设计了以下结构,如图1所示(表1为集热器的几何尺寸参数):

从图1可看出,蛇形管平板式集热器主要由铝质外框、铜铝复合板(吸热板,电镀选择性吸收涂层)、钢化超白玻璃(内层)、普通玻璃(外层)、硅酸铝保温材料、铜管组成。内通载热工质的铜管通过压合与铜铝复合板联接。

2.2 试验和测量装置

试验采用导热油VP—1作为循环工质,通过高温导热油泵实现强制循环。如图2所示。

整个试验系统由油循环系统和测试系统构成,油循环系统包括蛇形管平板集热器、油冷却器、铜阀门、铜管、PVC管(冷却水管)、高温油泵。测试系统包括:百叶箱、压力表、铂电阻、质量流量计和太阳辐射测量仪组成。系统共设置9个测温点,沿吸热板对角线均布3个测温点,自吸热板左上角至右下角分别为2号、4号、6号;沿内玻璃内侧对角线布2个测温点,标号自内玻璃内侧左上角至右下角分别为1号、5号;3号测温点布于外玻璃外侧中心,用于测量外玻璃外侧温度;9号测温点悬空布置于百叶箱内,百叶箱用纸箱做成,四面用刀切割成百叶状,试验时放置于无太阳直射处,箱体离地面大于1 m。太阳辐照度和流量的数据分别由太阳辐射测量仪和质量流量计测得,太阳辐射测量仪安装在平行于集热器板面的支架上,其所测得的值即为集热器采光面所获得的太阳辐照度。表2、表3分别为测试仪表详细参数、集热器的安装环境。

3 结果与讨论

3.1 集热器空晒试验

为了验证集热器的最大集热温度,本试验进行了空晒性能测试。对系统充加载热工质前用硅酸铝保温材料包裹集热器进出口管,并把集热器铜管进出口封闭,避免管外与管内空气间的对流对空晒测试结果的影响。

试验时,每10 min记录一次1、2、3、4、5、6、9测点的温度数据和太阳辐照度数据;取2、4、6测点的平均温度为吸热板温度,1、5测点平均温度为玻璃内侧温度。测试时间2010-9-16日9:40~17:00,当日天气晴朗,间或少云,微风。结果如图3所示。

试验结果表明:(1)吸热板温度、内玻璃内侧温度、外玻璃外侧温度随着太阳辐照度的变化而变化,且变化幅度依次减小,即吸热板温度随太阳辐照度的变化最大,外玻璃外侧温度随太阳辐照度的变化最小;(2)在太阳辐照度达到全天最大值1 285 W/m2,吸热板温度最高温度可达170.2℃,吸热板与环境温差最高达147.4℃;(3)吸热板温度升高幅度随着太阳辐照度的增大而变得缓慢,这是由于随着板温的升高,热损也随之增大导致的。

平板型集热器的热损主要是通过玻璃面板的向外散热。对于双层玻璃组成的面板,当玻璃间的空气隔热层厚度为20 mm左右时,热阻最大[6]。而本集热器面板双层玻璃间空气层厚度仅10 mm。因此,若增大玻璃间空气层厚度,尚能进一步提高集热器的集热性能。

3.2 瞬时效率试验

3.2.1 试验理论分析

瞬时效率试验可以让我们对集热器的热效率有个定量的了解。本实验通过测得的温度和辐照度参数计算集热器瞬时效率,并拟合出瞬时效率拟合方程,公式推导如下。

以载热流体的进口温度表示的平板型太阳能集热器热平衡方程为:

式(1)中:

Qu—有用的有效收益,W;

Aa—集热器采光面积,m2;

FR—集热器热转移因子;

I—采光面太阳辐照度,W/m2;

(τα)e—有效透过吸收率;

UL—集热器总热损系数,W/(m2·K);Tf,i—载热流体进口温度,℃;Ta—环境温度,℃。

瞬时集热效率为实际获得的有用功率与集热器采光表面接受的太阳辐照度之比:

式(2)中:

η—瞬时集热效率;

式(2)代入式(1)可得:

式(3)中:

η0—Tf,i=Ta时的效率;

T*—归一化温差,(K·m2)/W;

U—以T*为参考的集热器总热损系数,W/(m2·K)。

实际有用的有效收益计算如下:

式(4)中:

m—载热流体质量流量,kg/s;

cf—载热流体在集热器内平均温度下的比热容,J/(kg·K);

ΔT—载热流体进出口温差,℃;

由试验测得的载热流体进出口温度、载热流体流量、环境温度、太阳辐照度等参数,代入式(3)、式(4)计算得出各离散点的值,通过线性拟合,即可得出以归一化温差为参考的集热器总热损系数。

3.2.2 集热性能测试与分析

测试时间2010-10-23日10:00~17:00,当日上午天空无云,下午少云,微风,载热工质流量(190±10)kg/h。吸热板内各测温点温度、载热流体进出口测温点和环境测温点温度的变化趋势曲线如图4所示。

从图3中可以看出:

(1)吸热板温度与载热流体出口温度变化趋势一致,即吸热板温度的微小变动都会引起载热流体出口温度的变化;

(2)由于采用了蛇形管设计,增加了载热流体在集热器内流道长度,相比于普通平行流道式平板集热器,载热流体进出口温差较大,最大温差11.2℃;

(3)随着吸热板温的升高,吸热板与流体出口的温差也逐渐增大,最大温差出现于13:00,此时吸热板达到最大温度,吸热板与载热流体出口的温差为15.7℃。吸热板与载热流体出口温差较大,其原因为两者间的热阻比较大,因此,采取必要措施提高载热流体出口温度,减小吸热板至载热流体的传热热阻,以进一步改善集热器性能。可主要通过以下措施来增强吸热板至载热流体的传热性能:(1)使铜管与吸热板压合紧密,尽量避免两者之间出现空气层,达到减少甚至消除接触热阻之目的;(2)增大管内壁对流体的对流换热系数。

3.2.3 集热瞬时效率测试

从图4可看出,下午时段太阳辐射不稳定,为了拟合准确,取10:10~12:50的数据,此时段太阳辐照度稳定,阶跃点较少,测试结果列于表4。

在进行瞬时效率曲线拟合之前进行了以下工作:(1)各时间点数据的选择;从表4中可看出,10:10的数据与其他时间点数据差异较大,舍弃;(2)载热工质比热的拟合;由于载热工质VP—1的比热分段给出,在瞬时效率方程拟合之前对其比热进行处理,其拟合曲线如图4所示;根据各时间点集热器内工质的平均温度查取比热填入表4。

由表4的数据,拟合的集热器效率曲线如图6所示。

拟合得到的集热器瞬时效率方程如式(5)。

从该瞬时效率方程及特征曲线可以看出:(1)当集热器载热工质进口温度等于环境温度时,吸热板与外界基本无热交换,效率截距0.754;(2)当集热器载热工质进口温度大于环境温度时,吸热板便对外界散热,效率呈下降趋势,效率曲线斜率-5.239,即集热器热损系数为5.239 W/(m2·℃)。进口工质温度越高,环境温度越低,瞬时效率越低,此时高温运行时集热器的性能也就越差。

4 结论

通过对集热器的试验,结果表明:(1)在对集热器的空晒试验时,当太阳辐照度为1 285 W/m2,集热器空晒温度达到170.2℃,吸热板与环境温差147.4℃;(2)在进行负载试验时,当太阳辐照度为1 137 W/m2,载热流体进出口温差达11.2℃;吸热板与载热流体出口的温差为15.7℃。且吸热板温度与载热流体出口温度变化趋势一致。(3)从瞬时效率曲线可以看出,集热器在中高温运行时,效率为52%—59%;通过对瞬时效率的拟合,得出此平板集热器的热损系数5.239 W/(m2·℃)。(4)可通过如下措施进一步提高集热器集热性能:(1)调整玻璃间距,减小吸热板通过面板向环境的散热损失,(2)减小吸热板至载热流体间的热阻。

由上可知,本论文设计的蛇形管平板式太阳能集热器集热性能优于常规的平板式太阳能集热器;蛇形管式平板集热器保温性能好、载热工质低流量大温差、中高温运行性能较好等优点使其更适合用于有机朗肯循环、制冷空调等场合。

参考文献

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太阳集热器篇7

当前,人类正处于全球化石能源日趋枯竭的困境,面临着化石能源的大量使用所带来的生态环境恶化的问题。新能源的使用是引发绿色能源革命和绿色建筑的交汇点,是节能的主流[1]。太阳能作为一种可再生清洁能源,可免费使用,资源又丰富,有良好的发展前景。直接利用太阳能主要有两种方式:太阳能集热器和太阳能电池。目前,太阳能集热器已经广泛应用到工业和日常生活中,如太阳能光热发电、太阳能热水器、太阳能热泵等。但由于太阳位置随时间而变化,集热器的太阳辐照量也随之改变,降低了太阳能利用率[2]。鉴于此,科研人员采用当地经纬度和时间来计算太阳位置,使太阳能集热器精确跟踪太阳,以获得最大太阳辐照量。

随着网络及通信技术的飞速发展,人们对无线通信的需求越来越大[3]。目前,国内工业上的太阳跟踪监控系统基本采用有线通信方式,给整个工程的施工布线和网络管理带来较大难度,不能满足人们的需求。而短距离无线通信技术的发展,不仅降低了系统成本,而且为复杂工业现场和恶劣气候环境的施工和维护带来便利。Zig Bee无线通信协议在组网和数据可靠性方面有不容忽视的优势,为提高集热器太阳辐照量和集热器吸热效率,并降低系统成本和布线难度。

本研究研制基于Zig Bee技术的太阳能集热器无线跟踪系统,以实现低成本、高可靠性的无线环保节能系统。

1 总体方案介绍

传感网络通讯模型及硬件构成如图1所示。

由图1可见,系统控制分为传感器检测器和太阳能集热器无线控制器。传感器检测器用来检测GPS数据获得当地地理位置,并检测当地温、湿度状况及风速,把这些数据通过Zig Bee无线网络广播给集热器无线控制器。一个区域的太阳能集热器阵列只需安装一个传感器检测器,不仅降低系统成本而且布线极其简单;而无线控制器根据接收到的数据计算太阳位置、判断天气状况,以控制集热器电机的运行状态。

因此,研究者需要先计算出太阳位置,可由太阳高度角α与方位角β来确定,即:

式中:δ—太阳赤纬角,φ—当地纬度,h—时角[4]。

太阳赤纬角与时角可由当地时间确定,同时纬度也是确定的,因此只要得到当地地理位置与时间信息就可以确定此时此刻的太阳位置。

2 系统总体设计

2.1 无线网络架构

目前,最常见的几种短距离无线通信技术有Wi Fi、蓝牙和Zig Bee[5]。与其他无线通信技术相比,Zig Bee具有成本低、功耗低、可靠性高、组网能力强等特点,主要应用于低数据速率场合[6,7]。系统中采用Zig Bee Pro协议栈,该协议栈适合规模较大、较复杂的无线传感网络,如用于家庭自动化、环境监测和智能能源应用的Mesh网。在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为接入点和路由器使用,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点直接通信[8]。采用Mesh网拓扑的另一个原因在于节点能够灵活地加入和退出网络。因此,Zig Bee比较适用于近距离的无线传感网络。

2.2 硬件设计

系统硬件由传感器检测器和太阳能集热器控制器两大部分组成。检测器和控制器的核心MCU都是STM32W108,它们的基本外围电路和Zig Bee无线通信部分的外围电路相同,其功能模块电路不同。STM32W108是意法半导体(ST)公司最新推出的一个完全集成的系统级芯片,该芯片集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz收发器、32位ARM Cortex-M3微处理器、Flash闪存、RAM存储器以及基于Zig Bee系统使用的很多通用外设[9,10]。STM32W108无线接收器使用差分信号通路,以减少对噪声干扰的敏感性。STM32W108芯片不同版本分别固化了802.15.4 MAC、Zig Bee、RF4CE等协议栈,程序员无需理解、开发网络协议,就可以进行符合相关标准的无线网络产品开发,这不仅给开发程序员带来了方便,也是目前与其他2.4 GHz So C的最大区别之一。

传感器检测器主要由电源、传感器检测电路和调试接口组成。传感器检测器的功能是检测GPS数据、风速传感器和温湿度传感器,并把数据广播给太阳能集热器控制器;其另一个功能是作为终端设备,通过RS458总线与监控计算机通信,通过上位机软件查看设备网络状态和设备运行状态,便于系统监控管理。传感器硬件整体框图如图2所示。

在设计硬件电路时特别需要注意的是无线RF部分阻抗平衡和电感、电容组成的匹配网络。STM32W108核心板无线部分阻抗匹配电路设计如图3所示。图3中,本研究采用外置50Ω阻抗匹配变压器T1,提供了不平衡50Ω阻抗变换,实现了STM32W108的最佳负荷。

风速传感器测风速范围是0~50 m/s。传感器输出5 V脉冲信号,频率0~1 000 Hz;而单片机由3.3 V供电,故不能直接接入单片机,该脉冲信号通过光耦隔离后才可输入单片机。本研究通过STM32W108的通用定时器输入捕获功能采集该脉冲信号,并通过单位时间内的脉冲数计算出实际风速。温湿度传感器使用SHTxx系列的芯片,该芯片能够提供全量程标定的数字输出。该传感器通过串行通信把所采集到的温度值与湿度值传给单片机。

太阳能集热器控制器主要由电源、电机控制、角度传感器和调试接口组成。电源和调试接口与传感器检测器的电路相同。由于太阳能集热器需横向和纵向转动,故一个方向的来回转动需使电机正、反转,分别由两个固态继电器控制电机的正、反转,转动的角度通过角度传感器反馈给单片机,使电机控制构成负反馈系统提高控制精确,减小集热器跟踪太阳精度,保持系统运行的稳定性。

2.3 单片机软件设计

STM32W108已经把Zig Bee协议栈固化在芯片内部。当开发应用层的时候,这些协议栈相当于为用户提供了一系列API函数,用户只要使用这些API函数就可以在应用层进行应用程序的开发,因此意法半导体把复杂的协议栈抽象成了一个API函数的集合,为程序员提供最直接的接口。

软件设计的整体思路如下:当检测到风速过大时,系统使集热器保持水平状态,以免对集热器造成损坏;若在雨天或者天气湿度很大、无太阳的情况下,也使集热器保持水平,无需电机做任何的动作;当天气状况较好,系统通过GPS数据和当地时间计算出太阳高度角和方位角确定太阳位置,单片机定时控制电机,使集热器保持正对太阳,提高太阳能集热器吸热效率。

软件设计具体流程如图4所示。

在初始化部分,本研究需要设置网络模式:建立网络、设置网络发送功率等级、网络PAN ID和信道号。Sink节点配置的代码如下:

图4中的网络状态通过枚举变量定义了5种网络状态:

Application Tick()函数在程序中主要完成用户需求性功能,如检测风速、温湿度、处理接收到的数据及控制跟踪等;该函数还提供特定服务保持网络正常运行。

当太阳能集热器控制器(即Sensor节点)加入了由传感器检测器(即Sink节点)建立的网络后,它们之间就会进行信息交互。首先,Sink节点开始组播自己的身份;若Sensor节点接收到了MSG_SINK_ADVE-RTISE信息,把Sink节点的地址放到自己的地址表中,并发送SENSOR_SELECT_SINK信息应答Sink节点;接着Sink节点就会收到该信息,它会先判断发送该消息的Sensor节点的地址是否已经加入到它的地址表,如果没有就把Sensor节点的地址加入到自己的地址表中,同时发送SINK_READY信息;当Sink节点和Sensor节点建立连接后,就可以进行数据的发送和接收。在DATA阶段,Sensor节点就可以向Sink节点发送数据,其中最重要的一点就是调用ember Send Unicast()函数,进行单播发送信息;当Sink节点收到Sensor节点发送过来的数据后就回复一个ACK。

3 调试结果

经测试,太阳能集热器无线控制系统的Zig Bee网络节点能灵活地加入和退出网络,且集热器能精确地跟踪太阳位置。传感器检测器作为Sink终端节点通过RS485总线与监控计算机通信,其通信波特率为115 200 bps。第一次配置网络的时候在上位机软件中需设置控制模式和跟踪频率。控制模式分为自动控制和手动控制;跟踪频率即太阳能集热器校对太阳位置的频率。软件测试过程如下:

(1)上位机监控软件开启监控后,发送数据通知传感器检测器组建无线网络。Sink节点广播组网信号,如周边的节点收到此信号就自动加入到网络中来;它还把检测到的风速、温湿度、经纬度、时间值以及本身的ID号和网络信息都传给上位机并在软件中显示。主界面显示的Zig Bee网络参数:Sink节点ID为0080E102000020A1,频道号为0X1A,广播频率为60 s,并允许节点加入网络。

(2)组网形成后,网络中的Sensor节点都会单播自身信息给Sink终端节点,Sink节点把以下这些Sensor节点发生的事件信息发送到上位机:加入网络节点ID号、该节点加入/离开网络的时间、当前网络状态和集热器跟踪状态。

监控软件主界面如图5所示。图5中,ID号后4位为20B5的节点在第1条记录中加入网络,第6条中离开网络,并在第10条记录中再次加入网络,最终在第12条记录中离开网络。

4 结束语

本研究研制的太阳能集热器无线跟踪系统采用内嵌Zig Bee协议的STM32W108为核心处理器,提高了系统的性价比。Zig Bee无线数据传输在本方案的应用,使系统施工布线简单,大大降低了成本,整个系统数据传输可靠性高、功耗低。集热器还能精确跟踪太阳,提高了集热器吸热效率,而且能适应强风等恶劣环境,使机械损伤程度降到最低,便于整个系统管理。Zig Bee无线通信不仅适用于布线复杂、气候恶劣等工业环境,在日常生活中也具有广阔的应用前景。

无线跟踪系统还可应用到太阳能光伏发电系统中以提高发电效率,在未来的太阳能应用中具有广阔前景,意义深远。

参考文献

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[3]蔡型,张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术,2004(3):65-67.

[4]杨培环.高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究[D].武汉:武汉理工大学机电工程学院,2010.

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[7]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[8]HOSSAIN E,LEUNG K K.无线Mesh网络架构与协议[M].北京:机械工程出版社,2009.

[9]沈建华,郝立平.STM32无线射频ZigBee单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

太阳集热器篇8

关键词：集热器,集热效率,传热方式,强化传热

0 引言

能源是人类社会存在和发展的基础。太阳能作为一种清洁、高效、绿色能源,在人类社会发展史上发挥了巨大的作用,提高太阳能热利用率是人类一直追求的目标。太阳能热利用最关键的是如何提高集热器的集热效率,而提高集热效率可以从优化集热器结构以及开发出新型的集热工质两方面入手[1]。鉴于目前传统的集热方式及集热工质,人们开始探索新的研究工质。目前传统的平板太阳能集热器和真空管式太阳能集热器基本都是采用间接式集热方式,这种集热方式存在的问题是集热效率偏低、热损失较多。近几年,有学者开始开展纳米流体在太阳能热利用方面的研究,由于纳米颗粒的小尺寸效应、量子效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性,使得纳米微粒的光学特性有较大的变化,具有特殊的光吸收性质[2]。考虑到纳米颗粒优异的光吸收性能和纳米流体良好的热输运性能,已有研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳能集热器的循环工质,利用纳米流体直接吸收太阳辐射能,以达到提高集热器热效率的目的[3,4,5]。本文就太阳能集热系统的主要强化传热方式的研究情况展开论述。

1 平板太阳能集热器的基本构造及工作原理

平板太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成[6],如图1所示。

平板太阳能集热器的基本工作原理可概括为:阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上,其中大部分太阳辐射能被吸热板所吸收而转变成热能,并将热量传给流体通道内的工质,从集热器底部入口的冷工质在流体通道内被太阳能加热,温度逐渐升高,加热后的热工质带着有用的热量从集热器的上端出口注入到贮水箱内以备使用。

2 平板太阳能集热系统的集热方式

常规的集热方式分为间接吸收式集热和直接吸收式集热(见图2)。间接吸收式集热是太阳照射在涂覆着吸收涂层的金属板或玻璃管壁上,选择性吸收涂层吸收太阳辐射转化为热量,然后将热量通过金属板或玻璃管壁导热传递给管内工作介质,将工作介质加热来满足人们的需求,这种非直接的吸热方式极大地影响了集热器的集热效率。1975年Mi-nardi[7]首次利用黑液作为吸收材料的直接吸收式太阳能集热系统,并制作了第一个黑液太阳能集热器,集热器中的工作流体黑液直接吸收太阳能,有利于减少热损失,提高热效率。直接吸收式集热方式是太阳光直接被透明管内集热工质吸收,无需采用吸收涂层,避免了吸热管镀膜以及涂层氧化、脱落等问题,而且在聚光工况下吸热管周围温度分布更均匀,减少了管周热流不均、局部受热而造成损坏。

3 影响集热器热性能的因素研究

应用强化传热技术的目的是提高集热器的换热能力、减小设计传热面积以减小集热器的体积和质量、减小集热器的阻力以减小集热器的动力消耗。提高平板集热器传热性能的方法有两类[8]:一是增大集热器对太阳辐射的有效吸收率;二是减小集热器向周围环境的散热损失。增大集热器对太阳辐射的有效吸收率,主要包括优化集热器摆放倾角、采用光谱选择性透过(吸收)涂层等途径。减小散热损失则主要包括降低吸热板温度、使用透明盖板形成温室效应、使用高热阻隔热层等途径。本文主要从吸热材料对强化传热的影响、集热器优化设计及传热工质强化传热以及其他方面分类进行研究分析。

3.1 吸热材料对强化传热性能影响的研究

光谱选择性吸收涂层是太阳能光-热转化技术的核心,其主要作用是使吸热板最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能。表1列举出了不同选择性吸收涂层、合成方法及性能对比。许多国家都在努力研究制备成本低廉、工艺简单、稳定性好、耐候性强、吸收率高、热发射率低的光谱选择性吸收涂层[9]。

清华大学殷志强[10]教授经过多年研究采用磁控溅射技术设计出多层膜体系Al-N/Al选择性吸收涂层,吸收率为0.93,发射率为0.05,主要应用于中低温光热领域,在900W/m2太阳辐射强度下,应用该图层集热器高温管内温度可达270 ℃,表现出优异的光热性能。魏海波[11]利用磁控溅射技术在吸热板为铜基底上沉积4层膜SiO2/AlN/(LMVF)Al-N/(HMVF)Al-N/Al,所得涂层的吸收率为0.93,发射率为0.083;同时在铝基底上沉积4层膜SiO2/AlN/(LMVF)Al-N/(HMVF)Al-N/Al,所得到涂层的吸收率为0.93,发射率为0.093。Du Miao等[12]利用磁控溅射技术将Ti0.5Al0.5N和Ti0.25Al0.75N作为吸收层,AlN作为减反射层,制备出高性能光谱选择性吸收涂层,在82 ℃ 进行测试,其吸收率为0.945,发射率为0.04。

Ding D W等[13]采用磁控溅射法制备了Cu-CuAl2O4涂层,24h、200 ℃处理后吸收率由0.923降到0.86。2010年Antonaia A等同样采用磁控溅射法在不锈钢基底上镀W涂层,然后镀W含量渐变的W/Al2O3吸收层,最后在表面镀Al2O3减反射陶瓷层,经过2天、580 ℃真空退火后,吸收率由93.9%下降到93.7%。

目前关于选择性涂层的研究还存在一定的局限性,还需根据具体应用领域,结合集热器本身特点进一步细致加以应用选择。选择性吸收涂层的改进可以有效提高吸热板的吸热效率,进一步提升集热器的集热效率,但是通过选择性吸收涂层达到较高的集热效率比较困难,而且耗费比较大,生产工艺复杂。

透明盖板是平板集热器中覆盖吸热板并由透明材料组成的板状部件。其主要作用是透过太阳辐射,使其投射在吸热板上;保护吸热板,使其不受灰尘及雨雪的侵蚀;形成温室效应,阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向四周环境散热。

我国目前常用的透明盖板材料是普通平板玻璃,由于玻璃中有较多的Fe2O3,造成玻璃的太阳透射比不高,降低了集热器的集热效率。张志强[14]研究了平板太阳能空气集热器使用薄壁玻璃管材料为蜂窝单元的透明蜂窝盖板,并对其进行了实验和模拟分析。研究结果表明,小高宽比下,倾斜放置的蜂窝,内部均有自然对流;蜂窝内流场强度随蜂窝直径的增大而增强;对相同直径的蜂窝,内部对流强度随其高宽比的增大而减弱。

汪艳伟等[15]采用多种玻璃深加工制品作为透明盖板进行集热器集热性能和保温性能实验,研究结果表明:透明盖板采用充氩气中空玻璃和添加Low-E膜均明显提高了集热器集热性能、保温性能,但是添加Low-E膜之后透明盖板的透射性能不如充氩气中空玻璃。Hellstrom[16]采用聚四氟乙烯膜作为第二层盖板,平板太阳能集热器效率提高5%,采用蜂窝状的聚四氟乙烯膜,效率可提高12.1%。

目前国内外研究者对集热器透明盖板的选择进行了大量的研究,主要集中在透明盖板材料的选择、透明盖板的层数及间距的选择,结果证实通过研制优质盖板材料以及选择合适的盖板层数及间距可以有效提高集热效率,改进集热器热性能。

3.2 集热器设计优化及传热工质强化传热的研究

吸热板是平板集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件,其基本是平板形状。吸热板的基本结构形式包括管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式,表2给出了不同结构类型的连接方式及优缺点,不同形式的吸热板对太阳能集热器的强化换热能力不同,为此,研究者对吸热板进行了各种改进,以达到最佳换热效率。

Bhushanb等[17]采用人工方法改变空气集热器集热板的粗糙程度来强化集热效果并进行了实验研究,实验结果表明,Nu数和摩擦阻力系数分别为原来的3.8 倍和2.2 倍。Omojazo等[18]利用在太阳能空气集热器的集热板上添加肋片,并覆以丝网来强化其集热效率,发现采用该种强化传热方式在空气流量相同的前提下,可使双通道太阳能空气集热器比单通道的集热效率大7%~19.4%。

李秦宜等[19]将火积理论应用于吸热板导热过程分析的厚度布局的优化设计,结合吸热板二维导热微分方程,从理论上得到了吸热板集热性能的优化目标,并且以吸热板材料总体积一定和满足导热微分方程为约束条件,建立了厚度布局优化设计的约束极值,通过变分方法得到温度梯度场均匀的优化准则,根据优化准则通过数值模拟对吸热板的厚度布局作优化设计,结果说明风速为3m/s、太阳辐射强度为800W/m2、环境温度为300K、质量流量为0.003kg/s、进口温度为305K时,优化后的集热器效率比优化前提高8.8%。此研究为通过优化设计吸热板厚度布局来提高集热器性能起到了一定的推动作用。

刘国新[20]对3种典型的非金属平板集热器进行了性能分析,通过对比实验验证了计算模型的可行性,结果表明密排管式集热器性能优于扁通道带式集热器。K.K.Ma-trawy[21]对蛇形管式(STS)、管板式(PTC)和双平行平板式(TPPC)集热器进行了对比研究,针对不同集热器分别建立了理论分析模型,模拟计算了集热器吸热板温度、全天有用能和平均效率,模拟计算结果显示,TPPC效率比STC高6%,比PTC高10%。

张青等[22]设计了一种间距为0.7mm的平行微尺度通道,这种微尺度通道集热器的特点是吸热板和底板之间距离较小,流体与吸热板间的传热系数较大,水的质量流率低,热容小,可使水温快速提升。通过对微尺度太阳能集热器与传统尺度太阳能集热器传热性能的分析对比,可看出微尺度集热器在水的升温速率和对流传热系数方面有显著的优越性,为太阳能集热器用于海水淡化提供了一条高效应用的途径。

大量的研究表明,集热器通过改进吸热板的结构设计、优化流道通道尺寸设计以及增加肋片装置等可以有效提高集热器的集热效率。由于流道内流场及温度场无法观察到,可以通过建立合理的物理模型和数学模型进行模拟,大量研究结果说明,在假设合理的情况下,模拟结果与实验结果是基本吻合的。

按照集热介质的不同,目前用于直接吸收式太阳能集热系统的集热介质主要有黑色液体、气-固或液-固悬浮体系、熔盐及其三者的相互混合物[23]。集热介质是直接吸收式太阳能集热系统的关键,集热介质对太阳辐射吸收性能的好坏决定了整个集热系统的优劣。优异的集热介质应满足太阳辐射吸收率高、发射率低、工作温程宽、长期耐辐射性能好、热导率高、与容器相容性好、价格便宜等优点。

将纳米流体技术引入太阳能利用领域,通过调控太阳能与纳米粒子的相互作用过程,可有效提高太阳能的吸收能力,强化太阳能的利用效率。Tyagi等[4]研究了粒子体积浓度为0.1%~5%的Al-H2O纳米流体工质的太阳能集热器的效率,结果表明,粒子体积浓度小于1%时,集热器的效率明显提高。与水工质相比,纳米流体工质的太阳能集热器效率提高了约10%,而当体积浓度高于2%后,集热器的效率就不再继续升高。

Otanicar等[5]从理论与实验研究了不同种类的纳米流体工质对太阳集热器性能的影响,研究表明,加入少量的纳米颗粒可以使集热器效率显著提高,当纳米颗粒的体积浓度达到0.5%之后,集热器的效率保持平稳不变,甚至随着体积浓度的升高有轻微降低。在所研究的几种纳米流体中,0.24%体积浓度的20nm银-水纳米流体的强化效果最佳。

潘志东等[24]采用磁性纳米流体(MNF)作为直接吸收式太阳能集热器(DASC)的工作介质并研究了其集热性能,通过超声辅助共沉淀法合成Fe3O4纳米颗粒分散在乙二醇(E-G)中制备MNF。研究结果表明,采用该MNF作为DASC的工作介质时,集热器的导热效率比单纯采用E-G作为工作介质时高,并且可在较低体积分数的条件下获得较高的导热效率;在工作介质的入口处添加磁场可以提高其导热效率;磁场和MNF的协同作用有利于提高DASC系统的集热效率。

王文婷等[25]对纳米流体应用于直接吸收式太阳能高温集热器领域的研究现状进行了整合,从理论方面研究了纳米流体辐射特性,并通过理论计算,得到太阳能集热器的集热效率,结合一定的实验模型进行验证。

毛凌波等[26]采用直流碳弧法制备了平均粒径为25nm的碳包铜纳米颗粒,采用超声波振荡和添加分散剂的方法,将碳包铜纳米颗粒均匀稳定地分散在体积比为1∶1的乙二醇水溶液中,获得了用于直接吸收式太阳集热器的循环工质———碳包铜纳米流体。通过闷晒实验,研究了碳包铜纳米流体的光热转换性能,通过对集热器热效率的测试,研究了碳包铜纳米流体太阳集热器的热性能,结果表明添加纳米颗粒后,碳包铜纳米流体的光热转换性能明显优于基液和涂有黑漆的铜管表面。直接吸收式的碳包铜纳米流体太阳集热器显著提高了集热器的集热效率,实验中的最高集热效率可达74.688%,比传统平板集热器的集热效率提高了近10%。

杜胜华等[27]分析了乙二醇及其混合工质的热物理学特性,建立了平板热管的物理与数学模型,采用数值计算模拟方法,分析了混合工质平板热管集热器的传热性能,研究了集热器的效率、温升和启动性能随工作时间的变化规律。研究表明,乙二醇水混合工质平板热管集热器适宜于低温寒冷地区,具有较高的集热性能。

徐国英等[28]提出并探讨了采用导热油基液纳米流体为集热介质的太阳能直接吸收式集热方法,分别对添加纳米CuO、Fe3O4、石墨颗粒的导热油基液纳米流体进行了闷晒实验研究。结果显示:添加上述纳米颗粒均可显著提高导热油对太阳辐射的吸收;80 ℃以内工况下,纳米流体的直接吸收集热效率要高于传统镀膜真空管内导热油间接吸收的集热效率;但在更高温度工况下其对外散热损失增大,效率迅速下降。同时,实验对比分析了添加纳米颗粒的质量分数对导热油-CuO纳米流体集热效率、散热损失系数等性能参数的影响规律,得出了最佳纳米颗粒添加比例范围。

2011 年,Gabriela Huminic等[29]将平均直径为4~5nm、体积浓度分别为2%和5.3%的Fe2O3纳米颗粒添加到水中作为热虹吸热管的工作液,研究表明,随着热管倾角的增大,热管的传热速率也增加;添加纳米颗粒的热管热阻小于纯水的热阻,同时随着纳米颗粒体积浓度(2%~5.3%)的增加,热阻减小,显著提高了热管的传热性能。

Mohammed等[30]采用体积分数分别为1% ~5% 的Al2O3-H2O纳米流体作为冷却介质,对微通道换热器的性能进行了分析。结果表明,当纳米流体的体积分数增大时,矩形微通道换热器的总热阻减小,压降很小,换热性能将提高;但当体积分数增大到5%时,却几乎与纯水作冷却介质时的换热系数相当。因此,当采用Al2O3-H2O纳米流体作为冷却介质时,并非体积分数越大越好,应从热阻压降温度曲线摩擦系数等综合考虑,寻求最佳的体积分数。

张燕等[31]采用CNT纳米流体作为冷却介质,发现CNT的加入能大幅提高冷却介质的对流传热特性,并且不会对微通道冷却器进出口的压降产生明显的影响。

Dorin Lelea[32]研究了纳米颗粒浓度对微通道换热性能影响,同时还研究了纳米颗粒直径对换热效果的影响,在实验中采用直径分别为13nm、28nm、47nm的Al2O3纳米颗粒,结果显示,添加纳米颗粒能提高换热性能,并且随着纳米颗粒直径的增大,换热效果会逐渐降低。

王维等[33]以1% 的醋酸作为分散剂制备了水基Al2O3纳米流体,研究了其在微槽道中的强化换热特性。研究发现,水基Al2O3纳米流体的传热系数随质量流速的增大而略有上升,而纯水的传热系数随质量流速的增大而几乎无变化。相比之下,热流密度对水基Al2O3纳米流体和纯水的传热系数的影响则都比较大。

刁彦华等[34]用R141b取代水作为基液,添加TiO2纳米颗粒制成体积浓度为0.001%、0.01%、0.1%的纳米流体,并对其在微槽道结构蒸发器上的强化换热特性进行了实验研究。实验表明,体积浓度对换热特性影响较大,体积浓度为0.001%和0.01% 的纳米流体的传热特性曲线与纯工质接近,且换热系数随着纳米流体体积浓度的增大而增大,而当体积浓度增大到0.1%时则出现了传热恶化的现象。

熊建国等[35]对水基氧化铜纳米流体在平板热管微槽道表面的传热特性进行了研究。实验发现存在一个最佳的浓度(1.0%)使纳米流体能最大程度地强化传热,但根据Rohsenow公式分析,由于纳米流体宏观物性参数对沸腾换热影响很小,因此认为是纳米流体浓度的变化导致了微观运动的变化,如纳米粒子的布朗运动。在大气压下,浓度为1.0%的纳米流体的换热系数提高了40%,临界热流密度(CHF)提高了50%,但当压力降至7.2kPa时,换热系数和CHF则增加了1倍。覃超等[36]将纳米流体换为多壁碳纳米管悬浮液(MWNT)后同样发现,较低的压力对蒸发换热的强化率和最大热流密度的强化率是有提高作用的。在一定的压力下,当热流密度较大时,MWNT浓度对换热特性的影响并不是单调性的,同样存在一个最佳浓度2.0%,此时换热热阻减小约50%;当热流密度较小时,添加MWNT效果不明显,这是因为MWNT还未在水中充分悬浮。

朱建军等[37]研究了碳纳米管(CNT)悬浮液在微细管中的强化换热特性。实验结果表明,纳米流体在微细管中的流动通常都属于低Re流动,在较低的Re数下,纳米流体的Nu数随Re的增大而显著增大,当Re=65时,纳米流体的Nu数为纯水的10倍,此时强化传热的效果最显著。但是CNT纳米流体的泊肃叶数(Po=f×Re,其中f为沿程阻力损失,对于圆管内不可压缩粘性流体层流,Po=f×Re=64)仅为达西公式计算值的1/2,而蒸馏水的值与理论计算值符合很好。

与传统的纯液体工质及在液体中添加毫米或微米级固体粒子相比,在液体中添加纳米粒子用于高效传热的优势主要体现在以下几方面[38]:一是纳米颗粒悬浮液由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞,破坏了流动层,降低了传热热阻,增强了流动湍流强度,使传热增加。在液体中添加纳米粒子,可显著增大液体的导热系数,使传热增强。二是由于在粒子体积含量相同的情况下,纳米粒子的表面积远远大于毫米或微米级粒子的表面积,因此,纳米颗粒悬浮液的导热系数大于添加了毫米或微米级固体粒子的液体的导热系数。三是由于纳米材料的小尺寸效应,其行为接近于液体分子,纳米粒子强烈的布朗运动有利于其保持稳定悬浮而不沉淀,不像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。而且悬浮液中含有纳米固体粒子,粒子在流动时有可能起到润滑的作用,更适用于日益增长的微小管道系统中。

目前,对纳米流体流动和传热特性的研究主要是以实验为主,而实验手段通常很难得到纳米流体的流体动力特性的详细信息。采用数值模拟的方法则可以获得实验研究无法得到的详尽信息,因此成为研究流动和传热的有力工具。然而,现有的文献中很少有关于纳米流体流动和对流传热的数值研究,特别是涉及到纳米流体的流动和传热的耦合情况更少。

3.3 其他因素对强化传热影响的研究

张彦峰等[39]对平板集热器中存在的自然对流现象进行了理论分析,解决了不同倾角集热器空气夹层最佳间距的确定问题,提出了几种倾角下空气夹层最佳间距的推荐值。陈则韶等[40]研究了平板太阳能集热器空气夹层间距的确定问题,分析了自然对流换热系数随空气夹层厚度的变化趋势,介绍了不同工况下不同空气夹层间距对自然对流换热系数的影响,确定了最佳合理间距为4~6cm,并且建议在吸热板与透明盖板间使用蜂窝器可以得到更好的综合性能。郑振宏等[41]对V形隔热膜平板集热器进行了理论和实验研究,结果显示V形隔热膜可以有效抑制对流热损失,减小顶部热损失系数,提高集热器效率10%左右。

邓月超等[42]采用数值模拟技术研究了平板太阳能集热器空气夹层内的自然对流换热,并对影响夹层内自然对流换热的因素进行了分析。结果表明:集热器内自然对流换热热损失随夹层间距的变化而改变,为降低自然对流换热热损失,最佳的空气夹层间距应为3cm;夹层间距一定时,吸热板温度越高,对流换热系数越大,自然对流换热作用越强;集热器水平放置时,自然对流换热作用最强,热损失最大,当放置角度超过30°后,自然对流换热热损失基本不变。

Bhagoriaetal J L等[43]在集热器透明盖板与吸热板之间增加了一层聚四氟乙烯膜,集热器集热效率提高了5%,若采用蜂窝状聚四氟乙烯,则集热器效率能提高12.1%。Kundu B[44]在同时考虑温度对集热器热损失系数和吸热板导热系数影响的基础上,建立了全新的平板集热器优化模型,研究了环境温度和太阳辐射强度对集热器优化结构的影响。Cadafalch J[45]建立了平板太阳能集热器的一维瞬态数学模型,该模型针对多层盖板、空气夹层、表面涂层、保温层等不同的结构和部件进行分析,还利用实验数据对模型结果进行了对比验证。

目前研究者对封闭空间内的自然对流进行了比较深入的研究,但针对平板集热器空气夹层内自然对流的分析尚显不足,多数文献只针对影响封闭空腔内自然对流的某一方面因素进行分析,且使用定壁温边界条件、温度范围及纵横比等并未直接针对集热器的运行工况及几何尺寸。而平板集热器上部封闭空气夹层内的自然对流是受夹层空间几何尺寸、上下壁面温度、放置倾角等因素共同影响的,且玻璃盖板上表面温度随气象参数(温度风速)变化,定壁温的边界条件是否适用于平板集热器的分析还有待考察。

4 展望

目前的强化换热手段已经达到了一定的极限,为了满足人类发展对强化换热的要求,新的研究目标是从工质本身入手研制具有高传热性能的高效新型换热工质[46]。提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子,可增大液体导热系数,强化其传热性能[47]。高效利用太阳能是可再生能源科学与技术领域的重要目标之一。将纳米流体技术引入太阳能利用领域,是突破传统工质低导热特性瓶颈的一种强化传热新方法,通过调控太阳能与纳米粒子的相互作用过程,可有效提高太阳能的吸收能力,强化太阳能的利用效率[48]。

太阳集热器篇9

太阳能空气集热器采暖系统是利用太阳能空气集热器加热空气为建筑提供冬季采暖的系统。图1所示为该系统的运行原理图, 该系统首次与蓄热器和换热器结合, 更有效地利用了太阳能资源, 达到了延长冬季采暖时间和春夏秋三季为用户提供热水的目的。

系统具有无需防冻、无需二次换热等优点, 因此太阳能空气集热器采暖系统拥有比太阳能热水采暖系统更高的采暖效率[1,2];通过系统的测试, 基本能满足冬季采暖需求, 但仍存在一些安装和设计方面的问题。

本文主要对测试结果、节能效果和经济效益进行分析, 并对设计、施工和测试中出现的注意事项进行系统的总结。

1 系统测试方案及测试结果

1.1 测试方案

项目地点选取华北地区的山东德州, 项目为2012年太阳能空气集热器采暖示范工程。选取其中一间卧室作为计算对象, 其采暖面积17.13m2。

1) 采暖测试。在系统正常采暖情况下 (不开启蓄热系统) 进行测试 (适合仅白天有采暖需求的用户, 例如学校、办公楼等) [3]。

2) 采暖和蓄热系统效率测试。开启蓄热系统, 通过空气集热器加热的热空气, 先经过蓄热器进行蓄热, 再为室内供暖[4]。

1.2 测试仪器

通过安装温度传感器、风速测量仪、压力传感器、辐照表, 经数据采集仪、触摸屏电脑采集数据, 测试仪器详细参数如表1所示。

1.3 测试结果分析

1.3.1 采暖测试工况

采暖测式工况数据分析如表2所示。测试结果分析如图2所示。

由表2和图2分析可知, 此系统采暖工况运行较稳定, 11月份集热器效率稳定在58%~63%, 系统效率在30%~34%;12月份集热器效率和系统效率偏低, 其中集热效率为48%~54%, 系统效率为26%~29%, COP值维持在10~13;影响系统效率的原因主要为受到当日辐照情况和室外温度的影响[5]。此外, 虽然该工况系统效率和COP值较高, 但由于建筑保温较差, 只能维持采暖到16:30~17:30, 因此比较适合白天采暖的工程, 例如办公楼和小学。

1.3.2 蓄热-采暖测试工况

蓄热-采暖测试工况数据分析如表3所示。测试结果分析如图3所示。

1) 由表3和图3可分析出, 11月18~12月9日集热效率维持在60%~70%, COP值9.58~12.8, 采暖时间可持续到20:30左右。

2) 2月份集热器效率在45%~55%, 系统整体效率在22%~25%;COP值在4.8~8, 维持放热采暖4.5~6.5h。

1.4 测试总结

1) 蓄热系统冬季蓄热温度较低, 且蓄热时间较短。

2) 放热较缓慢, 且出风温度较低, 尚可维持室内温度22~16℃。

3) 当达不到蓄热条件时, 蓄热箱本身能储存一部分热量, 可维持1~2h采暖。

4) 与11月和12月相比, 2月份集热器出口温度相对高出20~30℃, 同时延长蓄热采暖时间1~3h;但其集热效率、系统效率和COP值却整体降低, 分析主要原因有:

a.2月份, 集热器进口温度高达6~18℃ (12月份为-9~12℃) , 因此集热效率略有下降;

b.由于集热器出口温度升高, 因此经过风阀及风道的热量损失增加, 其中盘管换热器进口风阀处温度最高可达40~50℃;

c.与12月份相比, 相同辐照条件下, 2月份系统得热量略有升高;但由于外界温度和室内温度的升高, 集热效率下降且采暖时间有所延长, 故COP值整体较低。

2 系统节能效果分析及经济效益分析

系统选取太阳能保证率f=50%, 平均每日采暖负荷为1666.6W时, 通过计算需要集热面积12.68m2, 单台集热面积为3.25m2, 故选取型号为JKS18/2.1的空气集热器4台;其中蓄热设备由300个70#蓄热球和100L蓄热器组成, 换热系统主要由3k W换热器、500L水箱组成, 则系统节能量及费效比如表4所示。

3 系统隐患点分析

1) 真空管式空气集热器效率高、集热快、温度高, 但存在压降高、出风困难等问题;因此需进一步改进集热器结构来降低压降, 并特制与集热器相匹配的低风量且高风压的风机。

2) 目前市场上的相变材料普遍存在放热慢的现象, 通过测试发现, 蓄热球维持采暖1~2h后, 出现释放温度慢、释放时间长的现象, 但不能作为有效采暖温度利用;

3) 由于采暖系统设计工况较多, 系统切换复杂, 导致系统运行时出现:管路损失和风阀处热量损失较大;末端出风压力较小, 导致室内温度由上到下分层严重的现象 (在调试时增加室内引风机1台) [6]。

4 结语

太阳能采暖热源主要来源于太阳能, 电能消耗主要用于集热工质 (热空气) 的输运, 回收期仅5~7 a;为我国北方常规能源匮乏地区开辟了一种新的取暖途径, 其生态效益、社会效益尤为显著。

该系统运行稳定且集热效率较高, 但仍存在系统管路热损大、空气集热器压降大、蓄热材料放热慢等亟待解决的问题。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院建筑设计研究所.民用建筑采暖通风设计技术措施[M].北京:中国建筑工业出版社, 1983.

[2]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社, 2011.

[3]何梓年, 朱敦智.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[4]阮德水.相变贮热材料在太阳房中的应用研究[J].华中师范大学学报, 1992, 26 (4) :456-460.