（土木工程专业论文）新型平板式太阳能集热器的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复印手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：幺：噬 导师签名： 日蝴伽f p 厂 日期：丝! ： 摘要 摘要 太阳能集热器以其节能环保、结构简单、便于维护等优点已在全球得到了广 泛应用。目前，按集热器类型分，应用广泛的太阳能热水器产品主要为真空管式 和平板式两大类。尽管真空管式具有真空保温的突出优点，技术成熟，但其主要 类型全玻璃管太阳能热水器存在炸管、结垢、不承压、不易建筑一体化等缺陷； 平板式以其承压、热效率高、免维护、寿命长等优点，并随着对太阳能建筑一体 化的要求越来越高而将成为未来太阳能热水器发展趋势。然而，现有普通平板式 有诸多问题需要解决：( 1 ) 管内结垢问题。( 2 ) 管内结冰问题。( 3 ) 管内空气腐蚀 问题。( 4 ) 表面热损大。此外现有热管式太阳能集热器存在成本高、可靠性低等 缺陷。总之，目前应用的各种太阳能集热器在抗冻能力、热效率、工作可靠性上 存在着这样或那样的缺陷，从而使得应用上受到较大的限制，降低了太阳能利用 的推广和发展。因此开发高效、不受地域限制、易于建筑一体化、高技术经济性 能的新型平板式太阳能集热器对推动太阳能热水器行业发展，从而促进国家节能 减排工作顺利进行、提高人民生活质量、实现可持续发展等方面具有重大意义。 本文利用二维微通道阵列平板热管，首次提出了全新平板微热管式太阳能集 热技术，测试了平板微热管基本性能，将其应用于平板太阳能热水器，研制成功 了新型平板热管式太阳能集热器及其热水系统。本文主要工作如下： 1 热管机理与平板集热器性能理论分析； 2 平板微热管设计与制作； 3 平板微热管进行基本性能测试实验； 4 设计新型平板微热管太阳能集热器并加工实现； 5 从户外实验入手，测试了应用不同涂层的集热器和热水器性能，并进行性 能分析； 6 开发其他类型如玻璃平板热管式太阳能集热器等系列样机。 实验结果表明平板微热管基本性能优良，等温性能很好，每米长温降小于l ，热响应时间短，5 s 以内。新型平板微热管式太阳能集热器瞬态效率高达 8 7 9 7 ，热损系数为4 7 4 w m 2 k ，相应热水系统日平均效率超过7 0 ，有效得热量 高出国家标准7 0 ，且不受时域和地域限制，并具有成本低、抗冻、承压、紧凑、 北京工业大学工学硕士学位论文 轻巧、不结垢、适合建筑一体化等优点，整体性能优越，应用前景极其广阔。 关键词：太阳能，平板太阳能集热器，新型平板热管，微平板热管阵列，太阳 能热水器 a b s t r a c t a b s t r a c t s o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o ns u c ha sd o m e s t i cw a t e rh e a t i n gs y s t e m si so fg r e a t i m p o r t a n c ef o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dc o n v e n t i o n a le n e r g ys a v i n g c u r r e n t l y , f lv a r i e t yo ff l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r sa n de v a c u a t e dt u b u l a rs o l a rc o l l e c t o r sh a v e b e e nw i d e l yp r o d u c e da n da p p l i e da r o u n dt h ew o r l d a l t h o u g he v a c u a t e dt u b e c o l l e c t o r sp r e s e n tb e r e rp e r f o r m a n c et h a nf l a t - p l a t ec o l l e c t o r sf o rh j l 曲t e m p e r a t u r e o p e r a t i o nb e c a u s eo fr e d u c e dc o n v e c t i o nh e a tl o s sd u et ot h ev a c u u me n v e l o p e a r o u n dt h ea b s o r b e rs u r f a c e ，t h e yh a v es u c hs h o r t c o m i n g sa sg l a s st u b ee x p l o s i o n , 1 1 i g hh e a tc a p a c i t y , r e v e r s e dc y c l ed u r i n gc l o u d yp e r i o d so ft h ed a ya n dt h en i g h t s c a l ef o r m a t i o n ，d i f f i c u l tt o i n t e g r a t i o ni n t ob u i l d i n g se t c c o n v e n t i o n a lf l a tp l a t e c o l l e c t o r sh a v e h i g h e re f f i c i e n c y t h a ne v a c u a t e dt u b ec o l l e c t o r s d u r i n g l o w a n d - m e d i u mt e m p e r a t u r eo p e r a t i o nb e c a u s eo fh i g h e rr a t i oo fa b s o r b e ra r e at o a p e r t u r ea r e aa n dg r e a tq u a l i t yo fb u i l d i n gi n t e g r a t i o n ，b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m s s u c ha sf r e e z i n gi nc o l da r e a , c o r r o s i o ne f f e c to fw a t e r , h i 曲r e q u i r e m e n tf o rw e l d i n g a n ds oo n b e s i d e s ，c u r r e n ts o l a rt h e r m a lc o l l e c t o rb yh e a tp i p er i c e sp r o b l e mo f l l i g hc o s ta n dp o o rr e l i a b i l i t y i nc o n c l u s i o n , c u r r e n ts o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r ss u f f e r f r o ms o m ed r a w b a c k si nt e r m so fa n t i - f r e e z i n g ，e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n ds oo n , w h i c ha f f e c tt h e i rw i d e ra p p l i c a t i o n s s o ，d e v e l o p m e n to fan e ws o l a rt h e r m a l c o l l e c t o r , w h i c hi sh i 曲e f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，a b s e n c eo fs p a c e - t i m el i m i t a t i o na s w e l la se a s yi n t e g r a t i o ni n t ob u i l d i n g s ，i so fg r e a ti m p o r t a n c ef o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , c o n v e n t i o n a le n e r g ys a v i n g ，i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d ，s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n te t c t h es t u d yf n s t l yp u t sf o r w a r dan e ws o l a rt h e r m a lc o l l e c t i n gt e c h n o l o g yb y m i c r of l a tp l a t eh e a tp i p ea r r a y an e wf l a tp l a t es o l a rt h e r m a lc o l l e c t o ra n ds o l a r w a t e rs y s t e ma r ei n v e n t e db a s e do nt h et e c h n o l o g y t h ew o r ko ft h i ss t u d yf o c u s e s o nt h e s ep o i n t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i so n h e a tp i p ea n df l a tp l a t es o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r s e c o n d l y , d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fm i c r of l a tp l a t eh e a tp i p e t h i r d l y , e x p e r i m e n t so np e r f o r m a n c eo fm i c r of l a tp l a t eh e a tp i p e f o u r t h l y , d e s i g na n dm a n u f a c t u r e o fm i c r of l a tp l a t eh e a tp i p e f i f t h l y , o u t s i d ee x p e r i m e n t so np e r f o r m a n c eo f f l a tp l a t es o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r a n di t ss o l a rw a t e rs y s t e mb ym i c r of l a tp l a t eh e a tp i p ea r r a y s i x t h l y , d e v e l o p m e n to fo t h e rt y p e so fs o l a rt h e r m a lc o l l e c t o ra n ds o l a rw a t e r s y s t e mb ym i c r of l a tp l a t eh e a tp i p ea r r a y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fm i c r of i a tp l a t eh e a tp i p ei sg r e a t t h e i s o t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a tp i p ei se x c e l l e n t t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e t h r o u g ht h eh e a tp i p el e n g t hi sl e s st h a nl t h et i m er e s p o n s eo f t h eh e a tp i p ei s l e s st h a n5s e c o n d s t h en e ws o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r sm a x i m a mi n s t a n t a n e o u s 1 1 i 北京工业大学工学硕士学位论文 e f f i c i e n c yi su pt o8 8 w h i c hi sh i g h e rt h a nc o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r db y 2 0 t h ec o l l e c t o r st o t a lb e a tl o s si s4 7 4 3 9w m 2 kw h i c hi sl o w e rt h a nt h e c o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r db ya b o u t2 0 t h ed a i l ye f f i c i e n c yo ft h en e w f l a t p l a t es o l a rw a t e rs y s t e mi sm o r et h a n7 0 w h i c hi sh i g h e rt h a nc o r r e s p o n d i n g n a t i o n a ls t a n d a r db y7 0 。i na d d i t i o n ，t h es y s t e mo f f e r st h ea d d i t i o n a lb e n e f i t so f k g hp r e s s u r er e s i s t a n c e ，l i g h t ，g o o dr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y , e a s yi n t e g r a t i o ni n t o b u i l d i n g sa n da b s e n c eo ff r e e z i n gd u r i n gw i n t e rm o n t h sc o m p a r e d 、析廿1c o n v e n t i o n a l e v a c u a t e dg l a s st u b es o l a rw a t e rh e a t e r c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf l a t p l a t es o l a r w a t e rs y s t e mw h i c hi sm a i n l ys b e e t - a n d t u b ec o n c e p t ，a d v a n t a g e so ft h es y s t e ma r e ： h i g h e re f f i c i e n c y , m u c hc h e a p e r , a b s e n c eo ft u b e - b o n d i n ga n df r e e z i n ge t c a sa r e s u l t , t h es y s t e mp r o p o s e sau n i q u ea l t e m a t i v et oc o m m o ns o l a rw a t e rh e a t i n g s y s t e m s ，w h i c hs h o w sp r o m i s i n gp r o s p e c ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y , f l a tp l a t es o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r , i l e wf l a tp l a t eh e a t p i p e ，m i c r of l a tp l a t eh e a tp i p ea r r a y , s o l a rw a t e rs y s t e m - i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 太阳能利用特点与资源1 1 2 1 太阳能利用三点意义1 1 2 2 太阳能自然资源2 1 3 太阳能热水器发展状况与前景3 1 3 1 太阳能热利用市场4 1 3 2 太阳能热水器技术发展环境一5 1 4 新型平板热管式太阳能集热器研究意义7 1 5 国内外研究现状8 1 5 1 国内研究现状8 1 5 2 国外研究现状9 1 6 本章小结1 1 第2 章新型平板热管设计与实验1 3 2 1 热管的发展简史1 3 2 2 热管的基本工作原理1 4 2 3 热管的基本特性1 4 2 4 两相闭式热虹吸管15 2 4 1 热虹吸管的传热过程基础理论1 5 2 4 2 热虹吸管传热过程及热阻分析18 2 5 热管的传热极限分析2 1 2 5 1 热虹吸管传热极限与不稳定因素2 2 2 5 2 影响热虹吸管传热的因素2 4 v 北京工业大学工学硕士学位论文 2 6 两相闭式热虹吸管在太阳能热水器中的应用2 4 2 6 1 两相闭式热虹吸管在平板太阳能热水器中的应用2 4 2 6 2 重力热管应用在太阳能集热器中的优点2 4 2 7 新型平板热管太阳能集热技术2 5 2 7 1 平板热管设计加工与制造2 5 2 7 2 平板热管基本性能测试。2 8 2 8 本章小结3 2 第3 章新型平板热管太阳能集热器设计与实验3 3 3 1 平板集热器集热理论分析3 3 3 1 1 平板集热器的能量平衡方程3 3 3 1 2 平板集热器效率3 5 3 1 3 平板集热器透过率一吸收率乘积分析3 6 3 1 4 平板集热器热损系数理论分析3 8 3 2 新型平板热管式太阳能热水器结构4 l 3 3 新型平板热管式太阳能集热器性能实验4 2 3 3 1 测试参数4 2 3 3 2 瞬态效率测试4 4 3 3 3 日平均效率测试4 5 3 3 4 贮热水箱热损的确定4 8 3 4 新型平板热管太阳能热水器检测结果4 9 3 5 其他平板热管系列集热器与热水系统简介5 2 3 6 本章小结。5 4 第4 章结论与展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 l 致谢6 3 第1 章绪论 1 。1 引言 第l 章绪论 能源是国民经济发展的命脉，是促进社会经济可持续健康发展的重要基础。 目前，能源供给仍以煤炭、石油为代表的化石能源为主。随着社会的不断发展， 能源短缺已成为制约我国经济社会发展的突出瓶颈。化石能源储量的不可再生性 和有限性以及环境污染性，严重影响了全面建设小康和谐社会的目标。因此如何 开发环保型可再生能源，以满足我国未来的能源发展战略需求，已成为举世瞩目 的焦点。太阳能以其清洁、源源不断、安全等特色，备受瞩目。 就国际形势而言，自从1 9 世纪7 0 年代产业革命以来，化石燃料的消费猛增。 初期以煤炭为主，进入2 0 世纪以后尤其第二次世界大战以来，石油和天然气的 开采与消费呈现大幅度的增加，并保持高速持续增长。尽管上世纪7 0 年代的两 次石油危机导致石油价格高涨，但其消费量不见有任何减少迹象。对此，世界各 国纷纷针对性地制订了能源政策。例如，美国为此采取了“代用能源战略”。在 “代用能源战略”中，太阳能利用占据着突出地位。太阳能的开发，功在当代， 利在千秋。2 l 世纪，如何在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己 成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，一方面常规能源匮乏不足，另一方 面，化石能源的开发利用带来了诸多如环境污染，温室效应等问题。因此，人类 要解决上述能源问题，以实现可持续发展，唯一的出路就是大规模地开发利用以 太阳能为代表的可再生洁净能源。太阳能特色鲜明，其开发利用必将在世界能源 结构调整中担当重任，成为2 1 世纪后期的主导能源。 1 2 太阳能利用特点与资源 1 2 1 太阳能利用三点意义 替代常规能源：人类社会目前消费的能源，以煤炭、石油和天然气等化石燃 料为主。常规的化石燃料由于资源有限，终究面临枯竭。开发利用太阳能，可以 替代和节省常规能源，是一条可持续发展之路。据统计，每安装1 万平方米太阳 热水系统，每年可节油1 9 5 0 吨，或节气1 7 6 万立方米，或节电1 5 1 8 万度，或节 煤3 0 0 0 吨n 1 ；积极推广太阳能利用技术，对减少我国常规能源消费量，优化我 国能源结构，都将具有十分重要的意义。 北京工业大学工学硕士论文 减少环境污染：化石燃料的使用会排放出大量的c o ，c o 。以及其他污染物，严 重影响人体的健康以及动植物生存环境。太阳能利用不会排放任何污染大气和环 境的物质，系与生态环境相协调的清洁能源、绿色能源。据统计，每安装1 万平 方米太阳能热水系统，每年可减少排放二氧化碳9 0 0 吨，二氧化硫2 5 吨，粉尘 2 5 0 吨。每安装光伏电池1 m w p ，将每年减排近1 0 0 0 吨二氧化碳n 1 ；积极应用太 阳能，可以减少因耗用化石燃料而产生的污染物的排放量，对于减轻我国大气污 染，保护生态环境，都将发挥十分重要的作用。 提高人民生活质量：随着我国经济的发展，人民对生活用水的需求越来越大， 要求越来越高。安装太阳热水器，不仅可省电省气，而且使用简单，安全可靠， 系解决城乡居民生活热水需求的良好途径。另外，利用太阳能解决冬季采暖问题， 不仅降低能耗，而且清洁干净，居住舒适，可极大地提高城乡居民的生活质量。 1 2 2 太阳能自然资源 在太阳能利用的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟 的，其产业化进程较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。我国太阳能资源非 常丰富。太阳能年辐照总量大于5 0 0 0 m j m 2 、年日照时数在2 2 0 0 h 以上的地区约 占我国国土面积的2 3 以上：全国年地表吸收的太阳相当于1 7 万亿吨标准煤， 相当于我国年消耗能源总量的1 0 0 0 多倍：丰富的太阳能资源为太阳能热水器的 发展和推广普及提供了良好的资源基础u 。 第1 章绪论 图1 - 1 中国太阳能资源分布图 f i g 1 一ld i s t r i b u t i o no fs o l a re n e r g yr e s o u r c ei nc h i n a 资源带号 名称指标 i i i 资源丰富带6 7 0 0 m j ( m 2 年) 资源较富带 5 4 0 0 - 6 7 0 0 m j ( m 2 年) 资源一般带4 2 0 0 - 5 4 0 0 m j ( m 2 年) 资源贫乏带 4 2 0 0 m j ( m s 年) 1 3 太阳能热水器发展状况与前景 我国太阳能热水器行业萌芽于上世纪7 0 年代，于9 0 年代进入产业化，其间 经过了比较漫长的发展历程。上世纪7 0 年代，主导产品以闷晒式太阳能热水器 为主。到了8 0 年代，“磁控溅射渐变铝一氮铝太阳选择性吸收涂层镀膜工艺” 的发明，使得太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成为可能。进入9 0 年代， 随着技术进步和企业规模的扩大，太阳能热水器逐步形成了真空管、平板和闷晒 三种技术系列，实现了产品的系列化和规模化生产。9 0 年代后期，住宅商品化 的发展以及家庭对热水需求的大幅度增长，为太阳能热水器的发展提供了巨大的 市场空间 。据权威资料显示l992 年，我国太阳能热水器产业年生产量只有 北京工业大学工学硕士论文 50 万平方米，而到2005 年，我国太阳能热水器年产量已突破l5 00 万平 方米，是2 0 0 0 年6 4 0 万平方米的2 倍多。2 0 0 6 年国家统计局的资料表明中国太 阳能热水器年产量已突破1 8 0 0 万平方米，行业总产值已逾2 0 0 亿元口羽。根据2 0 0 9 年度太阳能热利用行业年会公布的数据，太阳能热利用产业总产值5 7 8 5 亿元， 比2 0 0 8 年增长3 4 5 。截至2 0 0 9 年底，我国太阳能热水器总保有量达1 - 4 5 亿 平方米。预计我国太阳能热水器将每年以2 0 9 卜3 0 的速度迅猛发展。 图卜21 9 9 8 年一2 0 0 4 年太阳能热水器总产量与总保有量变化 f i g1 2v a r i a t i o no ft o t a lp r o d u c t i o na n da c c u m u l a t i v eq u a n t i t yo f s o l a rw a t e rh e a t e rf r o m1 9 9 8 - 2 0 0 4 1 3 1 太阳能热利用市场 太阳热水器以其节能、环保的性能，得到了广大用户的青睐，经过二十多年 的改革开放和发展，我国综合国力和人民生活水平都有了很大提高，人民对家庭 热水的需求越来越强烈。据研究测算，到2 0 2 0 年，若以人均每天需要生活热水 4 0 k g 计，全国年需求量将达到约2 0 0 亿吨。届时我国太阳热水器保有量达到3 亿m 2 ，可产生生活热水1 3 0 亿吨，可节省电力约1 3 5 0 亿千瓦时，占需求量的 6 5 。国家可再生能源中长期发展规划明确指出太阳能热利用是可再生能源 发展的重点领域。计划提出到2 0 1 0 年，太阳能热水器总集热面积达到1 5 亿 平方米，替代约2 0 0 0 万吨标准煤，相当于7 0 0 亿度电；到2 0 2 0 年，太阳能热水 器总集热面积将达到3 亿平方米，替代约5 0 0 0 万吨标准煤，相当于1 4 0 0 亿度电， 总产值会超过3 0 0 0 亿元。 第1 章绪论 表1 1 太阳能热水器发展趋势 t a b l el - 1t r e n do fq u a n t i t yi nd e v e l o p m e mo fs o l a rw a t e rh e a t e ri nc h i n a 1 3 2 太阳能热水器技术发展环境 技术开发与投入 太阳热水器的研发一直得到国家的重视和大力支持。国家各级政府设立了诸 多太阳能热利用研发项目，如自然科学基金、8 6 3 计划等。仅国家在“七五”至 “十五”四个五年计划期内，就投入了超过1 亿元的攻关项目，“十五”期间 8 6 3 计划亦将太阳能热水器作为攻关重点。经过多年攻关，已经取得了许多重大 成果，例如“七五”期间研发成功真空管技术，“八五”期间开始形成产业，目 前已占热水器产品总量9 0 以上。 产品质量保证体系 太阳热水器标准化体系初步形成 到目前为止，我国己颁布1 6 项太阳热水器国家标准，以及3 项行业标准， 初步构成了我国太阳热水器技术标准体系，为我国太阳热水器产业发展和市场规 范提供了技术法规依据。 北京工业大学工学硕士论文 第l 章绪论 表1 - 2 现有太阳能热水器国家标准 t a b l e1 - 2p r e s e n tn a t i o n a ls t a n d a r d so fs o l a rw a t e rh e a t e r 初步形成检测和认证体系 为促进我国太阳热水器产业的健康发展，国家开展了国家级太阳热水器质检 中心建设以及产品认证工作。目前已经建成北京、武汉、昆明三个国家级太阳热 水器产品质量检测中心，并在北京建成了太阳热水器产品认证中心，这标志着我 国太阳热水器产品质量进入依法执行的新阶段。 综上所述，太阳能利用节能减排，利国利民，顺应国家发展要求，具备良好 的发展前景。在国内，太阳能热水器经过数十年的发展，在规模，技术水平，发 展环境等方面都有了长足的进步，并具备极好的发展前景。但还存在诸多不足： 1 自主创新能力不足 国内太阳能热利用技术在真空玻璃管方面虽然具备良好的竞争优势，但整体 而言，和国际先进水平还存在较大差距，缺乏核心技术，企业自主创新能力不足， 在很多方面仍需努力。 2 太阳能与建筑一体化技术缺乏 国内太阳能与建筑一体化技术几乎空白。 3 缺乏平板集热器核心技术 平板集热器具有效率高，免维护，寿命长，极易建筑一体化等优点，是国际 主流产品，国外9 0 为平板集热器，国内由于种种原因，在平板集热器研发方面 大大落后于国际先进水平。 4 市场不规范 国内热水器市场存在品牌混杂，产品参差不齐，缺乏售后服务和有效监督机 构等等现状。 5 太阳能热利用专项法规缺乏 国内外的经验证明，国家支持是新能源和可再生能源的利用取得发展和进步 的根本保障，其代表形式即国家立法。目前我国已有可再生能源法，但仍缺 乏可再生能源体系法律，如“太阳能利用法”等。 1 4 新型平板热管式太阳能集热器研究意义 目前，市场上常见的太阳能集热器主要有平板式、真空管式、热管式等。各 北京工业大学工学硕士论文 种类型各有优缺点，一般都是用户根据当地气候特征以及所需的热水温度、用途 进行选定璐3 1 。 平板式太阳能集热器的热效率较高，采用金属管板式结构，强度、寿命及工 作可靠性均好，可免维护，易于建筑一体化，工作寿命可达1 5 年，具有较高的 性价比；但其存在不抗冻、结垢等问题，在寒冷地带无法应用。 真空管式太阳能集热器既具有抗冻的特性，且性价比也比热管式、u 型管式 太阳能集热器高，但其存在不承压、易结水垢、易爆裂，不易于建筑一体化等缺 点。 热管式太阳能集热器能够抵御- 4 0 的低温，这是平板式太阳能集热器和真 空管式太阳能集热器所无法比拟的，但是现有热管式太阳能集热器的造价很高， 这严重妨碍了其大规模推广。 综上所述，目前应用的各种太阳能集热器在抗冻能力、热效率、工作可靠性 上存在着这样或那样的缺陷，从而使得应用上受到较大的限制，降低了太阳能利 用的推广和发展。因此开发并推广高效、不受地域限制、易于建筑一体化、高技 术经济性能的新型平板式太阳能集热器对推动太阳能热水器行业发展，从而促进 国家节能减排工作顺利进行、提高人民生活质量、实现可持续发展等方面具有重 大意义。 1 _ 5 国内外研究现状 1 5 1 国内研究现状 我国太阳能集热器开发利用始于二十世纪五六十年代的闷晒式，到了七八十 年代平板型太阳能集热器开始应用。近年来，我国太阳能热水器发展迅速，产量 已经跃居世界首位，但我国的家庭太阳能集热器的普及率还很低，太阳能利用具 有广阔的市场前景乜3 3 。其中平板太阳能集热器以其结构简单廉价和安装方便在 世界范围内得到广泛应用，为了进一步推进太阳能集热器的发展，我国科学家积 极开拓思路，进行了一系列的研究开发，在太阳能集热器的实验及理论研究、太 阳能选择性吸收材料以及低辐射材料等与集热性能有关的技术等方面都取得一 定的成绩。 在新型平板集热器探索方面，主要体现在热管与平板技术的结合，早在1 9 8 3 年陆维德等人就对太阳能平板集热器在当量太阳辐射强度热流密度下的传热特 性进行了实验研究，发现热管工质的最佳充装量约为2 5 左右，实验结果还指出， 热管集热器的热容小，起动快，它的全日效率略高于常规集热器h 1 。2 0 0 1 年，陈希 章等人介绍了在原有铜铝复合板的基础上，试制的一种结合多层建筑的集中供热 第1 覃绪论 热管式集热器太阳能供热系统，克服了原有的平板式和真空管式集热器易炸管、 易冻裂及结垢、单管损坏后整个系统失效等问题哺1 。奚阳对平板式热管太阳能集 热器的冬季运行和热量传递进行了实验和分析研究，给出了该种集热器的冬季运 行性能实验参数，证实了平板式热管太阳能集热器完全能够在严冬寒冷条件下正 常运行，并具有高抗冻性能和低生产成本，为平板式热管太阳能集热器的推广和 应用提供了科学依据拍1 。江晴在新型热管式平板集热器的设计中介绍了一种新型 热管式平板集热器的结构设计，热力设计和加工工艺，评价了其性能。它优于现 有的铜铝复合板和热管式平板集热器，具有很强的使用价值和市场竞争力盯8 1 。 2 0 0 4 年，赵春江设计了一种易与建材形成一体的平板式太阳能集热器，该集热 器的芯板和外框采用耐腐蚀铝合金，挤压成型，无焊接点，抗腐蚀性极好：壁厚 比较薄，质量轻，整体性和刚度较好：各部件间采用非永久固定接合，给安装、 拆卸、维修和更换带来很大便利：太阳能吸收面采用高吸收率微细复合涂料。测 试结果为该集热器的平均集热效率在5 0 以上砷1 。2 0 0 2 年浙江大学施慧烈研究了 热管技术和蜂窝技术的平板式太阳能热水器。研究表明在热管式太阳能平板集热 器的吸收表面上放置蜂窝结构时，基本上能消除吸收表面和盖板之间的空气自然 对流热损失，并可大大降低辐射损失，显著提高集热器的热转换效率n 引。2 0 0 4 年浙江大学王世锋研究了山真空玻璃盖板热管平板式集热器构成的分体式太阳 能热水器的性能。研究表明真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器应用了真空玻 璃和热管技术后集热性能和保温性能都得到了显著的提高n 。 在集热器性能测试技术以及标准制订方面，我国经过科技工作者的不断探 索，测试技术不断完善，相关标准制订工作进展顺利，正逐步与国际接轨n 2 。”1 。 在选择性吸收涂层和盖板方面，我国科技工作者也进行了许多有益的探索。 涂层发展大致经历了普通黑漆一电镀和阳极化着色一磁控溅射的历程，并朝着环 保、多层化方向发展n 8 j 射。对盖板研究也不乏成果圆卫。 总体而言，我国太阳能热水器经过数十年的发展，在很多方面都有了长足进 步，但在核心的集热部件方面仍鲜有自主成果，缺乏高效、低成本、广适性、易于 建筑一体化的集热器。 1 5 2 国外研究现状 平板式集热器技术是二次大战结束以后发展起来的，在2 0 世纪7 0 年代二次 石油危机时期得到了大规模的发展，危机过后由于油价的回落，其发展速度也随 之回落并进入一个平缓的发展时期。近年来，由于平板太阳能集热器的经济性、 实用性以及可大规模开发利用等优势，使得该项技术在国外得到更为广泛的研究 及应用。国外对平板太阳能集热器的研究主要围绕如何提高集热器效率、在各领 9 北京工业大学工学硕士论文 域的推广应用，以及改进集热器形式结构等方面。 国外学者在理论方面的研究是相当丰富的。j k n y a k a 对平板太阳能集热器 的九种测试方法进行评价，对每种方法的理论基础、技术参数评估和测试过程进 行了对比啪1 。2 0 0 1 年，e t o r r e s m r y e e s 以最小熵变为基础进行了分析计算，为 实验用太阳能集热器选择最佳参数提供了一种有效方法。而j k n y a a k a 以建 立在a s h r a e 9 3 8 6 基础上的稳态值为基础，对三种测试平板太阳能集热器的转 换方法进行了比较，得出d s c 方法与测量值更接近的结论m 3 。 由于热管具备优良的传热特性，国外学者越来越重视热管在太阳能集热器中 的研究心州1 。h u l lj r 和b o n g t y 等人对热管式平板集热器的热性能进行了较 深入的理论和实验研究，分析了热管平板太阳集热器的热性能，测试了瞬时效率、 热迁移因子和出水温度啮矧：e v a n s 对热管平板集热器的效率因子做了初步的分 析口刀：f r a n c k e n 进一步作了有关热阻的分析和计算3 ：b i e n e r t 研制了r 1 1 一b o n d 式热管平板集热器并测定了它的热性能汹1 ：h f w d e v r i e s 等对强追循环热水系 统中热管集热器的流动控制特性与常规集热器作了预示和比较，然而，以上工作 都没有对平板太阳能集热器中的热管本身深入地进行传热性能的研究，尤其对重 力热管的研究更少啪1 ：h m s h u s s e i n 等人进行了平板式太阳能集热器中的热管 优化的研究，对影响热管平板式太阳能集热器瞬时效率的因素进行了分析，包括 太阳辐射强度、l ：1 冷却水温度、吸热板温度和厚度、冷凝段长度。实验结果指 出，热管之间的距离影响着具有高冷凝端传热系数的吸热板的选择，并对冷凝端 的传热关联式进行了模拟和总结口l 3 2 ，捌：w o n g e e c h u n 等人进行了太阳能热水器热 管利用的实验研究，对不同工质其蒸发段、绝热段、冷凝段分别为1 7 0 0 1 l l m 、 l o o n m 、2 0 0 m m 的热管进行了实验，分析了热管的工作情况m 。 提高平板太能集热器的效率，是众多研究太阳能学者面对的重要课题， i a f n k u r t b a s 于2 0 0 4 年对平面太阳能集热器效率的影响因素进行了研究，通过 对5 块不同形状的集热板的实验，最终得出集热效率与集热板的形状和数量有关 的结论m 1 。s r i t t i d e c h 等人研究了一种新型的振荡式热管集热元件的实际集热 性能m 1 。e a z a d 对热管太阳能集热器传热过程进行了系统的理论分析，并通过实 测进行了验证，结果表明理论值与实际值吻合度较好，此外还得出了所用热管最 佳蒸发与冷凝段比例，实测结果表明日平均效率接近6 0 口7 1 。 总体而言，国外在理论与实验方面都有比较深入的研究，并呈较好的系统性。 但在核心集热器件创新不多。 针对现有集热器存在的不足，本文提出了新型平板热管集热技术，基于此技 术，开发了新型平板热管集热器及其热水系统，并进行了理论分析及长期实验研 究，旨在克服现有集热器的缺点，并实现高效率与低成本的完美结合，为推动太 第1 章绪论 阳能集热器及其热水系统的发展做出积极贡献。 1 6 本章小结 本章对太阳能集热器及热水器发展历程以及现状和前景进行了归纳和总结， 太阳能集热器及其热水系统绿色，环保，政府大力支持，具备良好的发展前景。 此外，对太阳能集热技术进行了分析，阐述了国内外发展状况，指出了目前存在 的不足，提出了新型平板热管太阳能集热技术新概念，意图以此为基础开发新型 平板热管太阳能集热器及其热水系统，以克服目前集热器和热水器存在的不足， 推动太阳能事业的发展。 1 2 第2 章新型平板热管设计与实验 第2 章新型平板热管设计与实验 热管( h e a tp i p e ，简称h e ) 是一种高效传热元件，它依靠内部工质的相变潜热 把大量的热量从一端传到另一端。除传热效率高之外，它还具有紧凑、轻便、无 噪声、无传动部件等特点；因此被广泛地应用在能源、动力、低温、医学、电子、 化工、航天、食品等领域，以满足各个领域散热、冷却、加热、和温度控制等多 方面需求。热管的种类很多，一般根据管内工质回流方式可分为标准热