（化学工程专业论文）温室型太阳热水系统实验与理论研究.pdf

中文摘要 能源和环境问题是可持续发展战略的两大主题。作为新能源和可再生能源的 重要组成部分的太阳能，是对环境不产生污染的洁净能源。开发利用太阳能对缓 解常规能源短缺，保护人类生态环境有着十分重要的意义。 本文将太阳能温室技术与太阳能热水技术相结合，组建了温室型太阳热水系 统。考察了温室温度、集热板温度、储水箱温度随时间的变化以及系统的平均日 效率和非稳态效率，结果表明系统循环良好，集热温度高，最高可达7 3 ，但 平均日效率偏低，测试期间的平均值为3 0 2 。 为了优化系统性能，建立了温室型太阳热水系统数学模型。在多天不同的天 气条件下，将数学模型的预测结果与测试数据进行了对比，结果说明数学模型具 有较高的准确度和较广泛的适用性。然后，利用数学模型对储水箱与集热板之间 高差、系统储水量和循环管径等因素对系统性能的影响进行了预测分析。分析结 果表明，储水箱与系统间高差对系统性能影响不大；系统储水量是影响系统性能 的主要因素，随着储水量的增加，系统平均日效率明显提高，而储水箱平均温度 有所降低；循环管径对系统性能影响也不十分明显，热水系统并不是循环管径越 粗越好，具体系统具有一个最优管径。最后，以1 6 ：0 0 时储水箱平均温度高于4 5 。c 的条件下平均曰效率为优化目标对系统的几何参数迸行了优化，给出了不同水量 配比下的优化结果，并对系统进一步优化提出了建议。 关键词：太阳热水系统温室自然循环数学模型 a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n ta r et w o m a i nt o p i c sa b o u ts u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a sa n e wa n dr e n e w a b l ee n e r g y , s o l a re n e r g yi sc l e a nt ot h ee n v i r o n m e n tw i t h o u t p o l l u t i o n d e v e l o p i n ga n du s i n gs o l a re n e r g yh a sm u c hs i g n i f i c a n c et ob o t hr e l e a s e t h et r a d i t i o n a le n e r g ys c a r c i t ya n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , s o l a rg r e e n h o u s ea n dh o tw a t e rt e c h n o l o g i e sw e r ec o m b i n e dt o e s t a b l i s hg r e e nh o u s e - t y p es o l a rh o tw a t e rs y s t e m m e a s u r e m e n t sw e r et a k e no n t e m p e r a t u r e so fg r e e n h o u s ea i r , c o l l e c t o rs u r f a c e sa n ds t o r a g ew a t e r b a s e do nt h e s e ， s y s t e mp e r f o r m a n c e sr e p r e s e n t e db ya v e r a g ed a i l ye f f i c i e n c ya n dn o n - s t e a d ys t a t e e f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d t h em e a s u r e dr e s u l ts h o w ss y s t e mc i r c u l a t i o ni sw e l l a n ds t o r a g ew a t e rt e m p e r a t u r ei sv e r yh i 魏u pt o7 3 c b u ta v e r a g ed a i l ye f f i c i e n c yi s al i t t l el o w e ra n di t sa v e r a g ev a l u ei nm e a s u r e dp e r i o di s3 0 2 i no r d e rt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，g r e e n h o u s e - t y p es o l a rh o tw a t e rs y s t e m m a t h e m a t i cm o d e lw a sd e v e l o p e d u n d e rs e v e r a ld i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s ， c o m p a r i s o n sw e r em a d eb e t w e e np r e d i c t e dr e s u l t sa n dm e a s u r e dd a t a , w h i c hs h o w t h a tt h em o d e lh a sp r e f e r a b l ea c c u r a c ya n dw i d ea p p l i c a b i l i t y t h e n , t h ee f f e c t so f h e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e ns t o r a g et a n ka n dc o l l e c t o r , m a s so fs t o r a g ew a t e ra n dc y c l e p i p ed i a m e t e ro ns y s t e mp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d t h ep r e d i c t i o n ss h o wt h eh e i g h t d i f f e r e n c eh a sal i t t l ee f f e c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h em a s so fs t o r a g ew a t e ri sa m a i nf a c t o ro ni n f l u e n c i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e s y s t e ma v e r a g ed a i l ye f f i c i e n c y b e c o m e sh i g h e ro b v i o u s l yw i t hi n c r e a s i n gm a s so f s t o r a g ew a t e r , w h i l es t o r a g ew a t e r t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s o nv e r s e t h ee f f e c to fc y c l ep i p ed i a m e t e ro n s y s t e m p e r f o r m a n c ei sn o tv e r yo b v i o u s a d d i t i o n a l l y , i ti sn o ta l w a y sa na d v a n t a g et oe n l a r g e c y c l ep i p ed i a m e t e rt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，s oas p e c i f i cs y s t e ms h o u l dh a v e a l lo p t i m i z e dc y c l ed i a m e t e r f i n a l l y , a v e r a g ed a i l ye f f i c i e n c yb e i n gc h o s e na st h e o b j e c t i v ef u n c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs t o r a g ew a t e rt e m p e r a t u r ea t16 ：0 0h i g h e r t h a n4 5 c ，s y s t e mg e o m e t r yp a r a m e t e rw a so p t i m i z e da n dt h eo p t i m i z e dr e s u l t sa t v a r i o u sm a s sa r e ar a t i o sw e r ep r e s e n t e d b a s e do nt h e s eo p t i m i z e dr e s u l t s ，s o m e a d v i c e sw e r ep r o p o s e dt of i l r t h e ro p t i m i z et h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：s o l a rh o tw a t e r s y s t e m ，g r e e n h o u s e ，n a t u r a lc i r c u l a t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗太茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 叫手节 签字日期：砂哆年月叩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鎏盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 咐纷 签字日期：、瞳f 年月及日 导师签名： 签字日期： 幻扣 己 ， 1 孵 刖吾 能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、可靠的能源供应 和高效、清洁的利用能源是实现社会经济持续发展的基本保证。在过去的2 0 年 里我国的能源消费量随着经济的发展已翻了一番，超过了1 3 亿吨标准煤，成为 世界上的第二能源消费大国。能源和能源消费引起的环境问题己成为制约实现我 国可持续发展的重要问题之一。未来2 0 年经济翻两番全面实现小康社会，能源 和能源消费引起的环境问题同过去2 0 年相比将会更加突出、更加严峻。 从国内能源资源的情况来看，虽然我国煤炭资源比较丰富，但石油、天然气 资源相对十分贫乏。截至2 0 0 0 年末，我国煤炭探明可采储量占世界储量的1 l 石油只占2 4 ，天然气仅占1 2 。由于人口基数巨大，中国人均能源资源占有 量远比世界平均值要低，人均煤炭占有量仅约为世界人均水平的1 2 ，石油仅约 1 1 0 ，天然气约1 2 0 。从长期看，国内能源供应将面临潜在的总量短缺，尤其是 石油、天然气供应将面临结构性短缺。能源己成为制约经济发展的“瓶颈”。 要缓解国内能源紧张局势，减轻环境污染除了提高能源利用效率外，还应大 力开发利用可再生能源。可再生能源是实现人类社会可持续发展的基础。只有大 力发展可再生能源才能有效解决能源开发利用与生态环境保护之问日益严峻的 矛盾。为此我国也制定了一些政策来促进可再生能源的开发利用。国家计委、国 家科委、国家经贸委制订的1 9 9 6 - - 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要明 确提出，要按照社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产 业建设步伐。2 0 0 3 年，全国人大常委会将制定中华人民共和国可再生能源促 进法列入五年立法规划和2 0 0 3 年立法计划。并责成全国人大环资委负责起草 工作。这标志着我国可再生能源立法进入实质性运作阶段也意味着我国可再生 能源的发展将获得更大动力。 本文是在大力开发利用可再生能源的背景下，对一种新型的太阳热水系统一 一温室型太阳热水系统进行了研究。该系统建在一个四层宾馆的楼顶上面，供应 整个楼内的洗澡用水。该热水系统将温室和自然循环太阳热水系统相结合，简化 了太阳集热器结构，省去了保温材料，用新型材料建造的温室大棚能与建筑完美 结合，充分利用了两者的优点。为考察系统性能，对温室内气温、集热板温度及 其进出口水温、储水箱内温度变化进行了测试，并得到了温室内气温和储水箱内 平均水温的经验预测方程。为了说明系统性能的特点将系统的温升特性与一普通 热水系统进行了对比。为了进一步分析系统性能优化系统结构，将温室与自然循 环热水系统建模思想相结合，对系统的传热过程进行了分析，建立了温室型热水 系统的数学模型。利用系统数学模型分析了集热板与储水箱高差、系统储水量、 循环管径等因素对系统性能的影响，并对系统结构进行了初步优化分析，为将来 提高系统性能，提出了优化建议。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 研究背景与太阳能利用发展现状 能源是经济的首要问题，是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生 活水平的重要物质基础。能源的开发和利用，对国民经济和社会发展都有着重大 的意义。化石能源一直是人类社会发展的主要动力，人类所需的初级能量8 0 以上均来自化石能源。但是，随着工业发展和人口增长，人类对能源的巨大需求 和对化石能源大规模的开采、消耗已导致能源的资源基础在逐渐削弱、退化，并 在化石能源开采利用过程中造成了严重的环境污染与不可逆的环境破坏。加快对 新能源和可再生能源的开发和利用已成为缓解能源危机、改善环境的有效途径。 1 1 1 化石能源利用带来的问题 能源问题、环境保护是当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署 ( v n e p ) 资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的9 5 ，且其使用在世界范围 内以每十年2 0 的速度增长【”。然而，化石能源的使用带来了越来越多的问题， 主要表现在： 1 ) 能源短缺 由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应 不足，不能满足其经济发展需要。据2 0 0 0 年国土资源部信息中心资料，全球已 探明可采储量按当前世界生产规模推算，石油还可开采4 0 年，天然气为6 1 年， 煤炭为2 1 1 年 2 1 。而且能源需求在逐年增加，美国能源部能源信息暑( e i a ) t 3 】预测 到2 0 2 5 年的能源需求将比2 0 0 1 年增加5 4 。因此，如不尽早设法解决化石能源 的替代能源，人类迟早将面临化石能源枯竭的危机局面。 2 ) 环境污染 当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排放， 使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成 酸雨，严重污染水土。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能 等可再生洁净能源来解决。 3 1 温室效应 第一章文献综述 化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的c 0 2 等温室气体 而产生温室效应，引起全球气候变化。有关资料表明每年全球c 0 2 排放量为 2 3 9 1 0 9 t ，而且还有逐年增加的趋势。这一问题已提到全球的议事日程，其影响 甚至己超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国温室气体 的排放量。 1 1 2 太阳能在能源利用中的优势 人类很早以前就直接或间接地利用太阳能，但太阳能作为一种能源仅3 0 0 多年的历史，且长期以来太阳能利用一直缓慢发展。随着2 0 世纪7 0 年代的能源 危机，全球环境污染的日益严重，加上各个领域新兴技术的迅猛发展，遂形成太 阳能利用的新高潮。 太阳辐射能作为一种能源，在能源发展中有其独具的优势。 1 1 储量极其丰富 太阳- n 不停地向四周空间放射出巨大的能量，其总量平均每秒钟即达 3 8 6 5 x 1 0 2 # j ，相当于每秒钟烧掉1 3 2 x 1 0 1 6 t 标准煤所释放出来的能量。而地球表 层所接受到的能量仅是其中2 2 亿分之一。即便这样，太阳每秒钟辐射达到地球 表面的能量还高达1 7 5 7 1 0 1 7 j ，相当于6 1 0 6 t 标准煤。德国太阳能专家伯尔科 说，只需开发非洲部分地区的太阳能发电，便能满足全世界电力需求。而且太阳 辐射可以源源不断地供给地球，取之不尽，用之不竭。 2 ) 普遍性 太阳能不像其他能源那样具有分布的偏集性。世冥不少国家因为能源分布的 不平衡性不得不花去庞大的输电设备和交通费用。而太阳能处处都可就地利用， 有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，能解决偏僻边远地区及交通不便的农 村、海岛的能源供应，更具有其巨大的优越性。 3 ) 无污染性 为实现可持续发展，环境保护是发展进程的个整体组成部分，环境与发展 不能相互脱离。在众多环境问题中，矿物燃料燃烧形成的污染十分严重。而利用 太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排出，无噪声，不产生有害物质，这在环 境污染日益严重的今天尤为可贵。 4 ) 经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭， 第一茚文献综述 化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的c 0 2 等温室气体 而产生温室效应，引起全球气候变化。有关资料表明每年全球c o = 排放量为 2 39 1 0 9 t ，而且还有逐年增加的趋势。这一问题已提到全球的议事日程，其影响 甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制备国温室气体 的排放量。 1 1 2 太阳能在能源利用中的优势 人类很早以前就直接或间接地利用太阳能，但太阳能作为一种能源仅3 0 0 多年的历史，且长期以来太阳能利用一直缓慢发展。随着2 0 世纪7 0 年代的能源 危机，全球环境污染的日益严重，加上各个领域新兴技术的迅猛发展，遂形成太 阳能利用的新高潮。 太阳辐射能作为一种能源，在能源发展中有其独具的优势。 1 ) 储量极其丰富 太阳一刻不停地向四周空间放射出巨大的能量，其总量平均每秒钟即达 3 ，8 6 5 x 1 0 ”j ，相当于每秒钟烧掉1 3 2 x 1 0 1 6 t 标准煤所释放出来的能量，而地球表 层所接受到的能量仅是其中2 2 亿分之一。即便这样，太阳每秒钟辐射达到地球 表面的能量还高达1 7 5 7 x 1 0 ”j ，相当于6 1 0 6 t 标准煤。德国太阳能专家伯尔科 说，只需开发非洲部分地区的太阳能发电，便能满足全世界电力需求。而且太阳 辐射可以源源不断地供给地球，取之不尽，用之不竭。 2 ) 普遍性 太阳能不像其他能源那样具有分布的偏集性。世界不少国家因为能源分布的 不平衡性不得不花去庞大的输电设各和交通费用。丽太阳能处处都可就地利用， 有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，能解决偏僻边远地区及交通不便的农 村、海岛的能源供应，更具有其巨大的优越性。 3 ) 无污染性 为实现可持续发展，环境保护是发展进程的一个整体组成部分，环境与发展 不能相互脱离。在众多环境问题中，矿物燃料燃烧形成的污染十分严重。而利用 太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排啦，无噪声，不产生有害物质，这在环 境污染日益严重的今天尤为可贵。 4 1 经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭， 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭， 第一章文献综述 可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如 太阳能热水器一次投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在 使用时仍需耗费，有关研究结果表明，已具很强的竞争力。随着可以发展以及人 类开发太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 当然，太阳能利用也有缺点，如能量密度低、不易收集、不稳定、随季节气 候天气昼夜变化而变化等。但总的来说，太阳能有很多其他能源无法相比的优点， 有极其广阔的利用前景。 我国大部分地区位子北纬4 5 。以南，有着丰富的太阳能资源。据估算，我国 陆地表面每年接受到的太阳辐射能约为5 0 1 0 1 8 k j ，约相当于1 7 0 0 亿吨标准煤。 而且，全年日照时间大于2 0 0 0 h 的地区占总面积的三分之二。和纬度相当的日本、 美国的太阳能资源相比较，除四川盆地和与其毗邻的地区外，我国绝大多数地区 的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本优越的多，特别是青藏高原中南部 的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。总之，我国是太阳 能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越条件1 4 j 。 1 1 3 太阳能利用发展概况 自上世纪7 0 年代能源危机以来，许多国家投入不少人力物力，用于大力研 究和开发太阳能利用技术。经过几十年的研究开发，有些技术已经商业化，到 2 0 0 1 年底世界太阳热水器保有量达1 亿m z l ”，2 0 0 3 年世界太阳电池的产量达 7 4 4 0 8 m w 。，而且每年以3 0 的速度递增，价格也有很大的下降，晶体硅太阳电 池大约3 0 元，w 。1 6 】。2 0 0 2 年世界风力发电累计装机量3 2 0 4 k w ，风电发电量6 4 8 亿k w h ”。我国太阳能事业近些年也蓬勃发展，2 0 0 3 年中国各类太阳热水器产 量达1 2 0 0 万m 2 ，位居世界第一，保有量为5 2 0 0 万m 2 占世界的4 0 8 】。我国太 阳电池起步较晚，9 0 年代发展速度较快，2 0 0 2 年我国太阳电池和组件实际生产 量达到1 1 m w ，到2 0 0 2 年底光伏产业生产能力达到3 0 m w t 9 1 。太阳能供热供冷、 太阳能制氢、海水淡化等技术也取得了较大发展。但是，由于太阳能的季节性、 随机性和能量密度低等特点，其大规模利用存在一定的技术障碍和经济障碍，有 很多技术问题需要去深入研究进行改进。 1 2 太阳热水系统简介 太阳热水是目前太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也已具有竞争力 的绿色能源技术。当前各种太阳热水装置在生活和某些生产领域得到了相对普遍 的推广、应用。太阳热水系统一般有集热器、储水箱、管道和控制设备组成。集 第一章文献综述 热器是太阳热水系统的核心部件，目前家用集热器主要有两大类：平板太阳集热 器和真空管集热器。太阳热水系统的类型主要有循环式、直流式和整体式三种。 1 2 1 集热器主要形式 目前太阳能市场上，主要有平板和真空管两类太阳集热器，下面分别对其结 构形式及其优缺点进行简单介绍【1 0 0 1 。 1 1 平板太阳集热器 平板太阳集热器的基本结构如图1 1 所示，主要有吸热体、透明盖板、隔热 层和壳体四个部件组成。 图1 - 1 典型平板太阳集热器构造示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fat y p i c a lf i a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r 吸热体吸热体也叫集热体，它是集热器内吸收太阳辐射能，将其转换为 热能，并向工质传递热量的部件。实际上是吸热面板和与之具有良好热结合的流 体管道或通道的结合体。吸热体大都采用金属制作，目前国内外基本上都采用铜、 不锈钢或铜铝复合结构。吸热面板表面涂有选择性或非选择性吸收涂层。从结构 上看，吸热体大致可概括为如图1 2 所示的三种基本类型。类型a ：称为管板式。 吸热板与管子之间以焊接或紧配合方式连接。吸热板与管内流体之间传热性能取 决于它们之间的热结合状况。一般，管板式吸热体的热容量较小。这是平板太阳 集热器规模生产初期最早采用的一种型式。类型b ：称为扁盒式。吸热体本身即 为通道的一个组成部分，故其传热性能较好，但热容量较大。承压也有一定的限 制，对焊接工艺有较高的要求。因此其成本较高，这种结构目前已较少采用。类 型c ：称为管翼式。通道本身带有吸热翅翼，其传热性能好，能承受较高的压力， 不漏水，制造工艺也较简单。目前国内外生产的平板太阳集热器的吸热体基本上 都采用这种结构型式。 第一章文献综述 p “_ _ 。、i 万飞r 画下 - t 扳式 = 趣筘= 刊 c 蕾一式 图1 - 2 平板集热器集热体的基本类型 f i g 1 - 2p r i m i t i v et y p eo f t l a tp l a t ec o l l e c t o ra b s o r b e r 透明盖板在吸热体的上方，集热器壳体的顶部，盖有一层或若干层能很 好地透过太阳辐射的透明盖板，以减少吸热体对环境的对流和辐射热损失，并保 护吸热体和其它部件不受雨、雪、灰尘、污物等的直接侵袭。 隔热层为了降低集热器的热损失以提高其热效率，在吸热体的底部和四 侧，必须填充一定厚度而绝热性能良好的隔热层，用作平板太阳集热器隔热层的 绝热材科，除要有较低的热导率外，还要求不吸水。这样，就可以用较薄的隔热 层达到较好的保温效果。 壳体壳体用于将吸热体、透明盖板和隔热层装配成一体，构成一个完整 的太阳集热器。壳体要有一定的刚度和机械强度，便于安装，同时保护吸热体和 隔热层不受外界环境的影响。 2 ) 玻璃真空管集热器 玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管。它采用高真空技术， 并应用性能优越的选择性吸收涂层，极大地降低了玻璃真空集热管的热损失。与 普通平板太阳集热器相比，玻璃真空集热管的热损失系数大约降低2 个数量级。 这样，全玻璃真空管太阳集热器可以在中、高温下运行，也能在寒冷地区以及低 日照与天气多变地区全年运行，从而大大扩展了太阳能应用领域和地区范围。 作为玻璃真空管集热器的核心部件玻璃真空太阳集热管按工作原理大致可 以分为两类。 一般玻璃真空集热管 图1 - 3 表示最常见的三种典型玻璃真空集热管。 i 将一个小型平板吸热板封装在直径为l o o m m 的玻璃管内，吸热板面涂以 选择性吸收涂层，管内抽真空，如此构成一个集热单元，如图1 3 a 所示。这种 集热管的关键技术是集热管两端都需作玻璃与金属密封，从而会影响其使用寿命 与实际应用场所。 第一章文献综述 i i 一根u 型金属吸热管，表面涂以选择性吸收涂层，放置在玻璃管的底部。 玻璃管内壁的下半部涂以反光材料，产生一定的聚光效用，其理论聚光倍率可达 2 n , - - 2 0 ，如图1 3 b 所示。玻璃管内抽真空，其一端作玻璃与金属密封。就是说， 这种玻璃真空集热管结构的关键也是金属与玻璃密封问题。 以上两种玻璃真空集热管可以组成平板玻璃真空集热管太阳集热器。 i i i 将一根铜管，外壁涂以选择性吸收涂层，套在玻璃管内，并抽真空，两 端作玻璃与金属密封，如图1 3 c 所示。这种玻璃真空集热管，用作槽型抛物面 聚光集热器的吸收管。 图1 - 3 三种玻璃真空集热管 f i g 1 - 3t h r e ek i n do fg l a s se v a c u a t e dt u b e 带奢选择性 暇收谂的 羹热蕾 全玻璃真空集热管 以上介绍的三种玻璃真空集热管，在结构和技术上的主要难点是，都需要作 玻璃与金属密封。这不但影响器件本身的使用寿命，而且成本也比较高，难以制 作普及的家用太阳热水器，进行推广应用。 全玻璃真空集热管是套着的双层内外玻璃管，它们的一端相互封接。内层玻 璃管的一端用金属卡与外管固紧，其外壁涂以选择性吸收涂层。内外玻璃管之间 的夹层抽真空。像拉长了的热水瓶胆。其结构原理如图1 - 4 所示。它可以直接贮 水换热，也可以将各种结构设计的金属换热器从开口端插入管内换热，组成各种 全玻璃真空管太阳热水装置。这就避开了技术要求高的玻璃与金属封接，使高性 能太阳热水系统易于普遍推广应用。 常规的全玻璃真空管太阳热水器，其真空集热管为南北放置，内管全部充水。 由于存水过多，管内水温上升缓慢，管中的热水也无法全部取出，致使系统的热 水利用率降低。针对这种情况，目前还发展有几种其它型式的真空集热管。比如 在全玻璃真空管插入玻璃棒、带肋翼的金属u 型管和同心圆管来改善热水利用 效率。 第一章文献综述 1 内玻璃管；2 选择性吸收滁层：3 真空夹层； 4 罩玻璃营：5 支承件弹簧卡子 6 吸气剂：7 | 殁气膜 图1 - 4 全玻璃真空集热管结构原理图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f a l l - g l a s se v a c u a t e dt u b e 除传统的平板集热器和玻璃真空管集热器外，还有一种高效的热管式集热 器。这种集热器将热管与平板或玻璃真空管相结合，可以避免普通集热器系统储 水箱中热水倒流散热的现象；可基本上消除集热器的腐蚀问题，另外还具有优良 的防冻功能。 1 2 2 太阳热水系统的类型 普通的太阳热水系统主要由集热器、贮水箱和提供冷水和热水的管道等组 成。其流动方式大体可分为三类：循环式、直流式和整体式1 呲0 1 。 1 ) 循环式 循环式太阳热水系统按形成水循环的动力分为自然循环式和强制循环式两 类。 e t 自嚣循环 h 蕊锄循环 图1 - 5 循环式太阳热水系统 f i g 1 - 5c i r c u l a t i n gs o l a rh o tw a t e rs y s t e m 第一章文献综述 自然循环式热水系统是依靠集热器与储水箱中水的温差形成系统的热虹吸 压头，使水在系统中循环并将集热器的有用收益传输至水箱予以贮存，如图1 5 a 所示。其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便。其 缺点是为了维持必要的热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，储水箱必 须置于集热器上方，大型系统水箱很大，在建筑布置和荷重设计上带来很多问题。 强制循环系统依靠水泵使水在集热器与储水箱间循环。系统中设有控制装置 以集热器出口与水箱间的温差来控制水泵的运转。在水泵入口处，还装有止回阀 以防止夜间系统发生倒流而引起热损失，如图1 5 b 所示。 2 1 直流式 所谓直流式，就是水一次通过集热器就被加热到所需的温度，所以又称一次 式。 热虹唛量 b 定甚敲水基 图1 - 6 直流式太阳热水系统 f i g 1 6s e r i e s c o n n e c t e ds o l a rh o tw a t e rs y s t e m 直流式热水系统是由平板集热器，贮热水箱，补给水箱和连接管道组成的开 式热虹吸系统，如图1 6 a 所示。补给水箱的水位由浮球阀控制，使之与集热器 出口热水管( 上升管) 的最高位置一致，根据连通管原理，在无阳光照射时，集热 器、上升管和下降管均充满水但不流动。当集热器接受太阳辐照后，其内部的水 温升高，在系统中形成热虹吸压头，使热水由上升管流入贮热水箱，补给水箱中 的冷水则自动经下降管进入集热器。日照愈强，热水的温度愈高，产生的热水也 愈多。在太阳升起一段时间后，储热水箱中即可收集到一定数量的热水。这类热 虹吸型直流式热水系统的流量有自动调节的功能，但供水温度不能按用户的要求 自行调节。为得到符合使用要求的热水，往往采用定温放水型直流式热水系统， 第一章文献综述 如图1 6 b 所示。该系统集热器的出口处装有感温元件，通过控制器操纵集热器 入口管路上的电磁阀或电动阀，使出口水温能始终满足使用要求。电磁阀( 开闭 式1 形成的供水方式是间歇的；而电动阀，则是根据出口温度波动讯号的反馈调 节流量其形成的供水方式是连续的。在这种系统中可以取消补给水箱，冷水管直 接与自来水管连接；贮热水箱可置于室内。近年来，定温放水型直流式太阳热水 系统正在我国使用推广。 直流式太阳热水系统有很多优点，如：储水箱可以因地制宜地放在室内，既 减轻了屋顶的载荷，也有利于储水箱的保温，减少热损失；完全避免了热水与集 热器入口冷水的掺混；便于实现冬季夜间系统放空防冻的设计；可用热水的时间 比自然循环式要早等。此外，直流式太阳热水系统必须当天将储水箱的热水全部 用光，否则将影响次日的正常运行。 3 1 整体式 整体式太阳热水装置是人类最早使用的一种太阳热水器。它的特点是集热器 和储水箱合二为，实际上是一个表面涂黑的储水容器。水在容器中不流动，依 靠容器壁吸收太阳辐射能加热。经过一整天，容器中的水被加热到一定温度，傍 晚即可取用，所以也称闷晒式。整体式太阳热水器的优点是结构简单，成本低。 缺点是装置的保温性能差，热水必须在当天傍晚及时用完，因此应用范围受到很 大限制。 1 2 3 前人主要研究工作 从美国马里兰卅i 的肯普于1 8 9 1 年发明世界上第一台被他命名为“顶峰”的 太阳热水器以来，太阳热水器的使用，已有1 0 0 多年历史。在此期间人们对太阳 热水进行大量的研究。下面对近几十年的研究进行介绍。 1 ) 系统结构改进的实验研究 以上我们对常见的集热器和热水系统的机构形式进行了介绍，但是对其结构 改进以应用于不同的场合，或提高其性能仍是研究重点。 g r o e n h o u t l 2 ”设计了一种新型集热器，将双面平板吸热体安装在一个固定的 聚光器上，使其两面接受阳光，从而使总热损系数比传统设计低3 0 7 0 。 s m y t h 2 2 1 等人报道了一种新型低成本整体式防冻热水器( i c s s w h ) ，将整体 式集热器安装在一个密封的反光部件内，可以增加吸收的太阳辐射能，降低向外 的长波辐射。在冬天经过三个月的测试，结果表明系统的热损失系数在 第一章文献综述 2 4 2 2 4 7 w ( m l 目之间，可以在北爱尔兰地区整个冬天内操作而无须采取其他保 温措施。 k a r a g h o u l i 2 习等人为了考察一种热虹吸热水系统在冬天的性能进行了实验研 究。使用冬天几个晴天多云有雾的天气的数据，结果表明平均效率为3 8 ，水温 5 0 。c 以上，说明这种系统十分适合在b a h r a i n 天气下使用。p r a p a s 2 4 1 通过改变一 种太阳热水系统的管路连接形式，使其性能得到了显著提高。 2 1 测试方法的研究 为了更好的检验热水系统产品性能，对不同系统性能进行对比，各个国家都 制定了相关的标准。但这些标准存在一些不完善的地方，不少学者对这些测试方 法进行了研究提出了一些改进的建议。 c a r v a l h o 和n a r o n 2 副对比了d s t ( i s o d i s9 4 5 9 5 ) 和c s t g ( i s o9 4 5 9 2 ) 两种 测试方法，给出了两种测试方法的转换因子。王志峰和王德芳【2 6 1 也对我国的国家 标准g b t 1 2 9 1 5 9 1 中不完善的地方提出了一些修改建议。 集热器的测试方法有多种，但基本上采用室外准稳态试验方法。室外准稳态 方法对目照条件要求比较严格，会使测试周期较长。为克服上述缺点，很多学者 对非稳态条件下对集热器热效率进行测试的方法进行了研究a r n e r 2 7 报道了一种 新的在非稳定天气条件下平板太阳集热器的测试方法。这种方法基于一种模型， 这种模型从基本的能量平衡推导而来，采用集总热容分析，将吸热板、排管、集 管和流体认为是一个节点，温度采用流体平均温度。在模型中定义的参数可以与 稳态测试结果直接相比较。该方法在多种不同天气条件下得到了证实。在测试过 程中只需控制质量流率，非线性优化程序将用来从实验数据中估计集热器参数。 按该方法得到的测试结果与按a s h a r a e 9 3 8 6 标准的测试结果非常接近，偏差 在3 以内，离散度在2 以内。徐益峰和王兴安【2 8 2 9 1 采用滤波的方法也对平 板集热器热性能非稳态测试进行了研究。 一般热虹吸热水系统中的热性能计算考虑了能量收集阶段的性能和系统降 温阶段的热损失，c h a n g 3 0 ) 等人建议还应考虑系统在应用阶段热转移的效率。并 对c n s1 2 5 5 7b 7 2 7 6 标准进行了改进，采用精确的在线操作的方法测定系统的热 转移效率，对1 2 个系统的热性能和热转移效率进行了测定。并定义了效率因子r 。 为传统热性能参数可：和热转移效率叩：的乘积。建议用该效率r 。= r ：叩：来代表 系统总体性能，因为该效率代表了用户从系统收集的太阳能中得到能量多少的有 效度量。根据台湾以往的规定，商业化的太阳热水产品r ：2o 5 才能得到政府的 津贴。改进后的效率更实用更能代表一个热水系统的实际热性能。经过研究 建议将o 4 1 作为标准代替现在的标准r ：o 5 。 第一章文献综述 3 ) 理论研究 太阳热水作为太阳能领域最为成熟的技术，对太阳热水的理论研究也是十分 的多。热水系统的数学模型是理论研究的重要组成部分，也是本文研究使用的主 要方法，将对其单列一节进行介绍。本小节将对近些年其它一些理论研究进行概 述。 一部分学者对系统的结构对系统性能的影响进行了研究，以指导系统的设 计。h a s a n t3 1 俑t r n s y s 对热虹吸太阳热水系统的储水箱体积与结构对效率的影 响进行了研究，较大体积的储水箱可以提高系统效率，水平和垂直放置储水箱是 系统效率基本相同。b e l e s s i o t i s 3 2 1 等人提出了一种热虹吸太阳热水系统的简单有 效的模拟方法，并与实验数据进行了对比。这种方法通过理论分析确定系统能量 收益方程的性能系数，使其系统结构设计参数和能量输出联系在一起。这种方法 不仅可以用于系统设计阶段的优化，也可用于评价现有系统测试结果，以进一步 指导提高系统性能。b o j i c 3 3 等人采用时间序列模型对带辅助加热的家用热水系 统进行了模拟。该模型用来预测在不同水箱体积，不同需求热水温度，不同水箱 初始水温，不同的热水需求量分布下，太阳保证率在一年中的变化。大体积的水 箱将有大的太阳保证率。太阳保证率随着降低需水的温度、增大水箱平均水温与 需求水温的温差而增大。但是使用大储水箱时太阳保证率对操作参数的变化不敏 感。陆维德 3 4 】等人也对热水系统设计中集热器的结构、材料，系统几何配置等因 素对系统性能的响进行了分析。刘群生 35 j 等人给出了一种自然循环平板式太阳热 水系统设计的工程计算方法。 集热器作为热水系统的核心部件，有不少学者对集热器的性能进行了更为深 入的研究。g o r l a 3 6 】运用二维有限元的方法对平板太阳集热器性能进行了分析， 传统一维模型利用集热板平均温度进行集总分析，使得一维模型的对集热器效率 的预测偏高。二维模型没有假定集热器平均温度，对集热器瞬时性能进行了预测， 可以更好的用来优化太阳集热器的设计。o u z z a n e 3 7 对倾斜放置的带翅片的管( 集 热器的基本组成元素) 中的混合对流进行了数值模拟。研究表明，增加翅片的热 传导可提高集热性能，对于固定尺寸的集热器，增大翅片的宽度将降低其热性能。 h i l m e r 和v a j e n 【3 8 】等人采用一种数值方法，对工作在不同流率下的太阳集热器的 短期动态行为进行了计算。这种方法基于一组偏微分方程组，并将该方法用于一 个给游泳池加热的无盖板系统，实验数据表明，该方法在固定质量流率和变化质 量流率的情况下都有一个很好的准确度。张鹤飞1 3 9 l 对金属直管型、金属蛇形管型、 非金属直管型和非金属蛇管型四类集热器的理论问题进行了深入的讨论。给出了 各类集热器热性能分析的统一方法，并给出了许多无因次图线，可直接用于各类 第一章文献综述 集热器的工程设计。王兴安和胡立刚对管板式太阳集热器列阵的流动与传热进 行了分析，考虑了支管流量分布不均匀、吸热板二维导热及浮升力等因素，建立 了离散型的二维数学模型，研究了集热器列阵的布置方式和支管流量分布对列阵 热性能的影响。 另外，有一部分学者从热力学角度对太阳集热器进行了研究。林树勋【4 “从不 可逆过程热力学局部平衡公理出发，将平衡热力学的结论推广，并将其用于了计 算太阳空气集热器、液态集热器以及相变集热器。也有学者将炯的概念应用到集 热器的研究上。s u z u k i | 4 2 1 用一个线性模型来得到集热器特征温度( 流体出口温度) 与传热介质热容之间的关系。将这个关系与炯概念相结合，推导出了一个一般形 式的最优操作条件来满足出口温度达到最优的要求。最优操作条件可以作为太阳 热水系统选择恰当形式集热器的标准。为了证实分析结果，对一种平板型集热器 作了实验，实验结果与理论值符合良好。我国学者卞卫、王崇琦 4 3 也用热力学基 本定理分析了太阳集热器进口温度和流量对其炯效率的影响；提出了全天最佳进 口温度和全天最大炯效率的概念。 也有学者采用一些经验关联的方法来描述太阳热水系统性能。s i d d i q u i 埘 自然循环热水系统的集热器排管内的传热和流动进行了研究。得出了努塞尔准数 和雷诺数与无因次参数s = s ( 疋一乃) 的关系，反映了一些重要的特征。另外 将n u 、r e 、g r 和p r 数关联成了一个无因次数群，来反映热虹吸太阳热水系统 内水的自然循环行为。 人工神经网络( a 1 州) 是模仿生物脑结构和功能的一种信息处理系统。有 些学者利用人工神经网络技术来对太阳热水进行了研究。k a l o g i r o u 4 5 ：6 l 和j f f j a i 神经网络对太阳热水系统性能的预测进行了较为全面的研究，并对人工神经网络 在可再生能源领域的研究做了一个全面的评述【4 ”。f a