（机械制造及其自动化专业论文）三维翅化结构表面太阳能集热板的研究.pdf

摘要 篁! ! 竺! !：= ：= = = = = ! 墨! ! ! ! 暑! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺= ! = = = = = ! 皇! ! 竺皇= = = = = = = = = = ! ! = ! 曼 摘要 作为新能源和可再生能源重要组成部分的太阳能，是对环境不产生污 染的洁净能源，它的开发利用越来越受到了人们的重视。虽然现在太阳 能的热利用装置形式多样，种类繁多，但仍不能满足人们对太阳能设备 越来越高的使用要求。这主要是由于目前市面上太阳能热利用装置的核 心部件一太阳能集熟器的热效率仍然较低，工作特性较差，使用性能不稳 定等诸如此类的问题仍有待解决。 本文运用和发展了翅化技术，针对广泛使用的铜铝复合管冀式太阳能 集热板，探索并研究了在其表面加工出三维翅结构的形式和方法，利用 翅表面结构提高太阳能集热板的辐射吸收率和转化率，从而提高其工作 性能及效率。 建立了三维翅表面结构采光量计算的数学模型，先后计算和分析了半 球形、圆锥形及三棱锥形的翅表面结构。理论和试验均表明半球形翅表 面结构采光能力较好，且合理翅尺寸下，三维翅结构排列越致密越好。 利用能量平衡方程建立了翅化表面集热板的瞬时效率方程，分析了影 响其瞬时效率的主要因子：在大量试验的基础上绘制了瞬时效率曲线， 从而分析四种表面结构的集热板的工作性能及其效率。 最后简要地介绍了试验装置的设计及制备，分析了集热板表面翅成形 工艺及其加工过程中出现的质量问题，并提出了相应的改善措施。 关键词：翅太阳能 平板型太阳能集热器太阳能集热板 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fr e p r o d u c i b l ee n e r g ys o u r c e s ，s o l a risak i n do f c l e a na n dn o n p o l l u t i n go n ef o rt h ew h o l ee n v i r o n m e n t ，s oi t se x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o na r eg e t t i n gm o r ea n dm o r er e c o g n i t i o ni ni n d u s t r y h o w e v e r ， t h ev a r i o us s o l a r u s i n gs e t t i n g s n o wa v a i l a b l ei n p r a c t i c e s t i l lc a n n o t s a t i s f yp e o p l e si n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t t h e m a i nr e a s o ni st h a tt h e k e y c o m p o n e n t s ，s o l a rc o l l e c t o r s ，s t i l lh a v es o m em a r k e dl i m i t a t i o n s ，s u c h a s t h el o wh e a te f f i c i e n c y ，t h eb a dw o r kp e r f o r m a n c ea n dt h e u n s t e a d y u s e c a p a b i l i t ya n ds oo n i nt h i s p a p e r ，a ni n n o v a t i v et e c h n o l o g yo ff i nm a c h i n i n gisa p p l i e dt o m a k e3 df i ns t r u c t u r e so nt h e w i d e l yu s e dc u p r u m a l u m i n u mc o m p o u n d t u b e w i n gs o l a r c o l l e c t i n gp l a t e a n d t h e p e r f o r m a n c e a n d e f f i c i e n c y o f s o l a rc o l l e c t o ra r e i m p r o v e db y t h ef i ns t r u c t u r ew i t ht h ei n c r e a s e d s o l a r - a b s o r b i n gr a t ea n dt r a n s l a t i o nr a t eo fs o l a r c o l l e c t i n gp l a t e e s t a b l is h e dam a t h e m a t i c a lm o d e lt oc a l c u l a t et h e s o l a r a b s o r b i n g c a p a b i l i t yo ff i n n e dp l a t ea n dr e s p e c t i v e l ya n a l y z e dd i f f e r e n tf i n n e dp l a t e s w i t hd i f f e r e n tf i nf o r m ss u c ha sh e m i s p h e r i c a l ，c o n i f o r ma n dt r i p y r a m i d i c t h ee x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a tt h ef i n n e ds u r f a c ew i t h h e m i s p h e r i c a lf i n sh a v et h eb e t t e rs o l a r a b s o r b i n gc a p a b i l i t y i fg i v e nt h e r e a s o n a b l ed i m e n s i o n s ，t h em o r ec l o s et h e3 df i na r r a ys a r e ，t h em o r eh i g h t h ee f f i c i e n c yi s b a s e do nt h e e n e r g ye q u a t i o n s ，t h ei n s t a n t a n e o u se f f i c i e n c ye q u a t i o n i sp r o v i d e d ，a n dt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n ge f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d 。f r o m n u m b e r so fe x p e r i m e n t s ，g o ti n s t a n t a n e o us e f f i c i e n c yc u r v e st oa n a l y z et h e f o u r t y p e s o ff i n n e d s o l a r c o l l e c t i n gp l a t e s w o r kp e r f o r m a n c ea n d e f f i c i e n c yw i t hf o u rd i f f e r e n ts u r f a c es t r u c t u r e s f i n a l l y ，b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dp r e p a r a t i o n so fe x p e r i m e n t e q u i p m e n t ，a n da n a l y z e d t h e3 ds t r u c t u r ef o r m a t i o n p r o c e s s a n ds o m e q u a l i t yp r o b l e m sd u r i n gm a c h i n i n g s o m ei m p r o v i n gs t e p sa r ep u tf o r w a r d f o rt h o s eq u a l i t yp r o b l e m s k e y w o r d s ：f i n s o l a rf l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r s s o l a r - c o l l e c t i n gp l a t e 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：砸 日期：伊哆年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 够舔 场磊 日期：p 4 年月f 7 日 日期：加岁年月，徊 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 本课题的研究背景 随着科学技术和经济的飞速发展，人类对能源的需求和消耗不断增 加，常规能源分配不均，储量有限又是不争的事实。因此，任何生产都 会受到原料的限制而逐渐衰退，从长远来看，只有采用可再生能源才有 可持续发展的希望。此外，社会生产的发展也必然带来了人类文明的发 展，使人们对生态环境的要求越来越高，为求经济发展而滥用资源必然 会导致生态失衡而损失惨重。因此开发新能源和洁净能源越来越受到世 界各国的高度重视了。 能源的更新观念是和时间概念相关的，最持久的能源自然是太阳能。 它的寿命约一百万万年，加之可以利用的太阳能是目前全人类年消耗的 总能量的万倍以上“，我们不难推测，一旦能够完善地利用太阳能，它 将给人类科学技术和生产发展带来光辉灿烂的前景；而且太阳能也是 种重要的洁净能源，它的转化和利用技术是解决未来能源问题的重要技 术手段。然而，太阳能在转换过程中效率较低，4 0 变为低温热能，1 o 可转变为电能，1 助长植物生长”。这就限制了太阳能的广泛应用，所 以我们必须根据各地不同的气候和不同的需要，不断提高太阳能利用装 置的转换效率，改善现有技术，减少装置成本，以达到高效、经济、稳 定、安全和可靠的理想目标。 太阳能热水器是目前世界上使用最为普遍旦效果较为显著的太阳能 利用装置“3 。据不完全统计，到1 9 9 8 年底，我国太阳热水器的累计使用 量已经超过了1 0 0 0 万平方米，产量和数量均居世界首位，在很大程度上 影响着人们的生活水平。太阳能热水器是将太阳辐射能转变成热能，并 用来生产热水的一种设施，按照集热器的种类来分，它可以分有平板型 和聚光型两种型号，目前应用较多的是平板型太阳能热水装置，因为其 结构简单，加工方便，成本不高，效果良好，易进入实用化，故日益普 及推广，供工农业生产和居民生活的使用。平板太阳能热水器的核心部 件就是集热器，它是用来吸收太阳辐射并将辐射能转化为热能的重要装 华南理工大学工学硕士学位论文 置，其基本结构由太阳能集热板( 吸热体) 、透明盖板、隔热层和壳体组 成；集热器工作时太阳光透过透明盖板照射在集热板上，集热板吸收阳 光并将之转化为热能，板身发热并传给工质以达到加热工质的效果。平 板型集热器自出现以来，因其与聚光太阳集热器相比，具有结构简单、 固定安装、可以采集太阳直射辐射和散射辐射、成本较低等优点，已被 广泛应用于家庭和大型公用太阳能热水系统，建筑物的采暖与空调、制 冷与干燥等方面，并已逐步形成新兴的太阳能工业，是太阳能低温热利 用系统中的关键部件”1 。 然而，目前的一个主要现状是，普通平板型集热器对太阳能的收集， 吸收和转换率普遍偏低，不能够满足人们日益升高的使用要求，加之太 阳能的开发利用又符合人类可持续发展的能源系统原则，故大力开发太 阳能，并不断改进太阳能热利用装置，使其达到更高性能指标，以便在 此基础上组构各种型号的家用太阳能热水器和大型太阳热水系统就显得 尤为重要。 1 2 平板太阳能集热器的综述 由前所述，典型平板太阳集热器主要由集热板和其它一些保温装置 组成。图1 1 为一种简化的平板太阳集热器构造示意图。 图1 1 f i g1 1 典型平板太阳集热器构造示意图 s t r u c t u r es k e t c ho fs o l a rc o l l e c t o r 2 第一章绪论 尽管随着集热板的类型不同而有不同的集热器式样，但其基本工作原 理相同，都可简化为图1 1 所示的分析模型。按此分析所得出的结论即可 用于分析其它形式的平板太阳集热器。 由图1 1 可知，用来收集阳光的集热板是平板太阳集热器的关键部件， 其性能优劣对平板太阳集热器的工作特性起着决定的作用。基于太阳能 集热板在集热器中的作用，它应具有如下特性： 1 热工性能好。即板面的太阳辐射吸收率高，热辐发射率低，具有 良好的传热结构设计。 2 能承受一定的工质压力。 3 与水有良好的相容性。 4 加工工艺简单，经济实效。 集热板大都采用金属制作，基本上采用铜，不锈钢或铜铝复合结构。 表面一般采用非选择性涂层，如黑板漆。但目前很多高性能的平板太阳 集热器都采用选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍等。 从结构上看，太阳能集热板大致可概括为如图1 2 所示的三种基本 类型“3 。 帑耐旺刮p 岫 a 管板式 b 扁盒式 c 管翼式( 铜管铝冀) 图1 2 太阳能集热板的三种基本类型 f i g1 2 t h r e em a i nt y p e so fs o l a rc o l l e c t i n gb o d y 类型a 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 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 华南理工大学工学硕士学位论文 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 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。本课题就是在现有的管翼式 集热板的基础上，通过对其金属翼板表面进行三维翅结构化，以期进一 步提高其性能和效率。 最早的太阳能集热板是在二战结束后发展起来的。那时候人们的注意 力开始转向发展经济，一些缺少常规能源的国家，如日本，开始注意开 发利用太阳能，这时各种简易的平板太阳集热器设计已开始在市场和专 利中出现了。此后太阳集热板的设计不断向前发展。结构上从最早的管 板式，到扁盒式、铝翼式、铜铝复合翅片式( 见图1 2 ) 等。板翼表面处 理从最早的非选择性涂层黑板漆，发展到各种选择性吸收涂层，如铝阳 极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。透明盖板从普通平板玻璃发展到钢化玻璃。 集热器的性能也随之不断提高。到7 0 年代末期，全世界大约装有这种平 板太阳热水器达3 0 0 多万台。尤其以美、日、法等发达国家为首。 我国从6 0 年代开始，在平板太阳能热水器的开发上，也做出了不少 的贡献。自从引进国外的铜铝复合条生产线生产铜铝复合管翼式吸热体 以来，我国平板集热器的质量上了一个新的台阶，到1 9 9 5 年这种集热板 销售量超过1 0 0 万m 2 。这主要归功于平板集热器的制造工艺简单，价格 经济实惠以及使用和安装的方便可靠性，再加上平板集热器主要是适用 于中低温的生活热利用或是低于1 0 0 的工业热利用，而这些正是太阳能 利用的主要群体所在，故平板集热器的发展至今，其时域整整跨越了一 个世纪而经久不衰。即使后来太阳能第三代产品“全玻璃真空管集热器” 的推出也不能影响到它在人们生活中的地位，而且随着平板集热器研究 的发展，在表面加工技术以及材料工程不断进步的基础上，越来越多的 高性能平板集热器被开发出来。因此平板集热器本身仍具有巨大的潜在 的研究和推广应用价值。 为对比玻璃真空管集热器与金属平板型集热器，下面将它的结构形状 和基本工作原理作一个简要概括。 4 第一章绪论 平板太阳集热器的吸热板和透明盖板之间，一般留有2 - 3 c m 的空气 夹层，构成平板太阳集热器热损失的主要部分。设想将夹层抽成真空， 则可大大降低集热器的热损失。但根据平板太阳集热器的实际结构，将 这种夹层抽成真空的设想是不可行的。因此，早在2 0 世纪初，就有人建 议，用抽真空的玻璃管制作高效率的太阳集热器。随着真空技术的发展 和光选择性吸收涂层的实际应用，这一设想得以实现，也就是现在的玻 璃真空太阳集热管。 图1 3 表示典型的单根全玻璃真空太阳集热管的原理结构图”1 。 图1 3全玻璃真空太阳集热管原理结构 f i g1 3 e l e m e n t sa n ds t r u c t u r eo fe 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 l 一内玻璃管；2 一外玻璃管；3 一真空夹层： 4 一具有吸气的卡子；5 一选择性涂层 然而，真空集热管在制作过程中采用了高真空技术，玻璃管间隙被抽 至高真空，管内外压强相差1 0 0 0 万倍以上，并且需要长年在曝晒、风吹、 雨淋、降雪和冰雹袭击等环境条件下工作，从人身安全和集热管寿命考 虑，真空管需要采用耐热冲击性能好、化学稳定性佳和机械强度高的特 种玻璃制作，而且需要高度密封技术和高性能的选择性吸收涂层，如此 就使其制造成本增加，制作工艺复杂，加之真空度会逐渐减弱而使集热 器的工作寿命减少，稳定性降低，并且由于是玻璃管身为主体使其对安 装条件和工作环境都要求增高，从而限制了真空玻璃管集热器的进一步 普及和推厂，目前主要应用在一些小户型高温热水生产中或是少数城乡 的小型家用热水器中。因此，普通平板型太阳能集热装置仍是目前太阳 华南理工大学工学硕士学位论文 能工业中生产和应用的主导，有着极大的研究和推广。价值。 1 3现有集热板存在的问题及三维翅表面结构的应用 由前述知，迄今为止，随着材料工程和蓄能技术的飞速发展，越来越 多的高性能平板太阳集热器出现了。有从选材上改进的集热板，如从原 来的单铜、铝或不锈钢材质发展为今天的铜铝复合型：有从加工工艺上 改进的，如最早是板一板接合，通过点焊或铆接形成吸热板流道的，接着 发展为管板问通过焊接工艺形成流道的，再就是目前国内外生产的最常 用的管翼式，它是通过铜管和铝挤压型材形成以铜管为流道的管翼式集 热板，还有一种是全铜翼管式，铜管与翅翼之间采用钎焊工艺焊成一体 的，如图1 4 示出了上述的各种结构”1 ；此外，表面涂层工艺的发展， 如选择性吸收涂层材料的应用也大大提高了集热效率。 图1 4不同液体流道的集热板结构形状 f i g1 4 s o m ed i f f e r e n tp l a t es o l a rc o l l e c t o r s 然而，平板集热器发展至今天，虽然从热效率等各方面都有了进步， 但仍不能满足人们的使用要求，真空玻管集热器效率虽较高，但成本和 工艺难度上升，且又寿命缩短；平板集热器在各方面似乎也都作了改进， 第一苹绪论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = ! ! ! # ! = = = = ! ! ! ! 2 1 = = = = ! e ! = ! = e 但近年来也没有什么新突破，若是能在成本增加不大，工艺复杂度不高 等情况下，结合真空管的结构设计优点将平板集热器再加以改进，取k 补短，进步提高普通平板集热器的工作性能，成为众多工作者和研究 人员共同努力的目标了。 显然，一直以来人们所作的努力都是集中在改变集热板材质，加工工 艺和表面涂层等方面，而事实上金属集热板自身表面结构的改变也是有 效的解决途径之一。如物体表面的翅片结构以及一些制冷设备中通用的 冷却管等即为改变金属表面结构来增加散热效果的，这是因为翅片结构 的强化传热作用。 表面翅化作为强化传热的重要技术手段已有许多年的历史，多用于工 业和民用的采暖和冷却设备以及一些电子设备的散热上。其目的都是想 在不增大换热面积或是设备体积的同时能增加热输出量，以达到降低部 件温度的目的。然而，本研究却是应用表面翅化结构来增加热吸收量， 尽量升高物件的温度以达到“强化集热”的目的。由前可知，翅片在强 化传热中是因为增大了局部散热面积，加速了部件翅片区域表面的对流 换热，从而加快热量的散发。那么反过来，也可利用表面翅化来增大热 量的接收面积。当阻隔住物体与外环境的对流传热且热源来自于外界时， 翅化表面可通过增大吸热面积以及对热辐射的连续反射吸收作用，减少 辐射的对流损失，从而增加吸热量，进一步升高物体的表面温度。 事实上，在早期的太阳能吸收和转换的研究中，人们就已注意到，将 黑板漆涂在金属板的表面能增加板的太阳辐射吸收量，而且将表面涂得 越粗造，吸收效果就越好。于是就有人提出“黑度”这概念，黑度越 大辐射吸收率也就越大。材料的黑度不仅与材料的温度有关，而且还与 表面的性质有关。不管什么颜色，表面越粗糙，吸收率a 就愈高”。因 此，对吸收太阳辐射能并把它转换成热能的太阳能集热板来说，表面的 反射率和吸收率与其光滑程度有很大关系，表面愈光滑则反射率愈高而 吸收率愈低，反之，表面愈粗糙则反射辜愈低丽吸收率愈高。很早以前 有学者曾将黑板漆进行粗糙喷涂来获得比较粗糙的表面，然而，这种表 面结构性能不稳定，使用起来易被破坏；近年来所作的改进并且也应用 较普遍的就是将铝翼板弯曲成锯齿形，以增加采光能力，然而效果仍不 华南理工大学工学硕士学位论文 够满意。 正是基于此，本研究提山将集热板的金属表面进行三维翅结构化，形 成粗糙的结构表面。过去随着地理方位的不同( 光照射集热器的方向不 同) ，锯齿形集热板上的齿形走向就需不同，如有纵向和横向之分。这种 表面结构随着地理位置的不同而变化的情况给生产和生活带来诸多的不 便。集热板表面的三维翅结构化可以避免这一不便因素，并且降低了集 热器对地理位置、摆放方位及时间的依赖程度，从而改善集热器的使用 性能及工作效率。 1 4 本课题的来源及研究内容 本课题为国家自然科学基金资助项目( 项目编号：5 0 1 7 5 0 2 8 ) 及( 项 目编号：2 0 0 7 6 0 1 5 ) 、广东省自然科学基金资助项目( 项目编号：9 9 0 5 4 0 ) ， 以及红日太阳能燃器具公司的合作项目和高校骨干教师资助计划。 本课题是对太阳能集热板的铝翼进行三维翅表面结构化的探索及其 实验和理论的研究。研究表面结构与集热效率的关系并建立数学模型， 为太阳能集热板的优化设计提供一定的技术参考和理论依据。 本课题研究的主要内容有； ( 1 ) 建立计算三维结构表面总采光量的数学模型，并分析其影响因 素，确定最佳三维翅表面结构。并进行初步的试验验证。 ( 2 ) 研究表面翅化对集热板的集热效率及工作性能的影响，并建立 瞬时效率的数学模型，为实验研究提供一定的技术参考和理论依据。 ( 3 ) 翅成形的工艺设计及其质量分析，提高成翅质量的途径。 ( 4 ) 翅结构表面集热板的制备以及试验系统和试验方法的设计及 试验装置的制备， ( 5 ) 对实验结果进行分析和总结。 1 5 本课题的研究目的及意义 本课题运用和发展了翅化技术，在太阳能集热板的铝翼表面进行三维 翅结构应用的探索和研究。利用集热板的表面织构化，形成一定的光学 8 第一苹绪论 捕集表面，从而增加太阳辐射能的吸收率，改善集热器的工作和使用性 能。这对太阳能技术的应用与研究具有一定的参考和借鉴意义。 另外，能源和环保问题是可持续发展战略的两大主题，作为新能源和 可再生能源重要组成部分的太阳能，是对环境不产生污染的洁净能源， 它的开发和利用既是世界能源供应战略的重要组成部分，也是保护人类 生态环境的重要举措。因此，本课题研究太阳能集热板表面结构的改变 及其对太阳能吸收和转化率的影响是极具意义而且也是非常必要的，这 不仅符合现有的太阳能热利用条件，而且也符合经济成本原则，对进一 步改善太阳能热利用装置的研究，具有一定的参考和利用价值，并将因 此产生更大的社会经济效益。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 = ! !=j! ! ! = = 2 e = ! = ! ! e ! ! = ! ! e ! = ! ! = ! ! ! ! ! = = 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 为了探索表面翅化在改善太阳能集热板工作性能方面的作用，还需进 行诸多理论分析，提出合理的理论解释，说明这一构想的来源和理论根 据，并建立必要的数学计算模型，在此基础上确定最佳的翅几何形状方 案。因此本章的理论分析与研究就显得十分必要。 2 1 与太阳链有关的基本术语和定律n + 们 在有关太阳能的书籍中，辐射方面的术语和相应的符号是相当混乱 的。所以这里先介绍些必要的基本术语和定律。为将辐射度量区别于 相对应的光度量；常加一下标e ( 即e n e r g y 的字头) 。 1 辐射能p 、仉它是以电磁波或粒子形式发射、传播或接收的能 量。当物体吸收了辐射能时，会发生能量形式的转换。例如，通常物体被 辐射照射后都会产生分子运动而发热。因此，过去辐射能也常用热量单位 来表示。但这里用j 。 2 辐射功率或辐射通量中、中，这是以辐射形式发射、传播或接收 的功率，或都说是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。按定义可以写 出： m = a q b t ( 2 1 ) 这里的t 表示时间。西的单位是瓦( w ) 。 3 辐射能流率妒这是一个新使用的物理量，它是由辐射通量密度改 进而来的。按照定义，辐射通量( 面) 密度是入射到空间一给定点面积上 的辐射功率除以该面积；而辐射能流率是入射到空间一给定点小球上的辐 射功率除以球的横截面积。也就是说，对于前者，辐射的接受者是面元， 通量密度与接收方向关有关，接收面法线与辐射方向一致时，其值最大， 接收面与辐射方向一致时，其值为零；而对于后者，辐射的接受者是体元， 与方向完全无关。所两者的概念是不相周的，辐射能流率总是大于，至少 1 0 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 等于辐射通量密度。辐射能流率是为描述现代光辐射科学技术中的客观物 理现象( 如激光核裂变、光化学试验等) 而引入的。它的单位是w m 2 。 4 辐照度、e它的定义为照射到物体表面某一点处的面元上之 辐射通量除以该面元的面积。按定义可以写出： e = a 中h a ( 2 - 2 ) 单位为w m2 。 5 ，辐射强度，、j 。它的定义是在给定方向上的单位立体角元内，离 开点辐射源( 或辐射源面元) 的辐射通量，即： ，= a 由，a ( 2 3 ) 它的单位是瓦每球面度( w s 7 ) 。 6 ，平方反比定律 受点辐射源照射表面的辐照度，与辐射源的距离的平方成反比。这就 是平方反比定律。在太阳辐射测量中，一向将太阳视为点源，并运用平方 反比定律进行目地距离订正。于是有： s r2 哥r 2 ( 2 4 ) 式中，日地距离的比值( r a 。) 2 是事先按日期造好表备查的。s 。通常也 写成so ，是一个表征到达大气顶的太阳辐射总能量的数值，统一称之为 太阳常数，太阳常数的定义是：地球位于日地平均距离处，在大气层外垂 直于太阳辐射束平面上形成的辐照度。 7 余弦定律 任意倾斜面的辐照度同该表面法线与入射线方向之间夹角的余弦成 正比( 图2 1 ) 。这就是余弦定律。余弦定律在日射测量中应用最多的地方， 是根据直接日射的实测值s 求出水平面上的直接日射辐照度s ( 图2 2 ) 。 鉴于目射测定中更常使用太阳高度角h 。，而不是入射线与垂线的夹角 天顶角z 。，所以常使用如下的表达： s = s ，s i n h 。 ( 2 5 ) 华南理工大学工学硕士学位论文 ! 12 11 = ! j = ! ! = ! = ! ! = ! ! 自= ! ! = 2 1 = = = ! ! = ! e ! = = 图2 1 余弦定律的几何图示 f i g 2 1 g e o m e t r i ci l l u s t r a t i o no f l a wo fc o s i n e s 图2 2 余弦定律在日射中的应用 f i g 。2 。2t h ep r a c t i c eo fl a wo fc o s 2 2 集热板翅表面结构采光能力的数学模型 我们知道太阳常数是一个已被测定的常量，然而这是在地球大气层 外、法向入射情况下测得的太阳辐射强度，是一个参考值。而事实上我 们日常生活中所利用的太阳辐射是在穿过大气层，经过大气物质的一系 列反射，折射和散射后，剩下的那一小部分才到达地面。因此，地面上 的太阳辐射是一个经常变化的不定量，它的方向与强弱是随着大气层的 变化而变化的。为此，为了便于对几种不同表面结构的集热板采光能力 进行定性的分析比较，需要作如下几点假设： 1 只考虑直接日射，而忽略散射目射。将太阳视为一无限远处的点 辐射源，因此可以将辐射光线视为一束束平行矢量来计算。 2 规定计算模型中的平面s 的太阳辐照度为ew m 2 a 点处的太阳 辐射能流率为妒w m 2 。如图2 3 所示。 3 太阳入射光线与水平面的夹角h 。称为太阳高度角。见图2 3 。 4 在本计算模型中，集热扳设定为水平放置，而太阳光线由垂直入 射逐渐偏移为任意高度角的斜射。如下图。 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 置 1r 1r 图2 3 理想太阳辐射示意图 f i g 2 3 s k e t c hm a po ff i c t i t i o u sr a d i a t i o n 5 不考虑集热器的各种损失，即假设集热板对辐射光能的吸收率为 1 这样就可以排除其它因素对集热效率的影响，而只在于板表面结构的影 响。 6 面积同为a ，且参照时间同为单位时间，且在单位时间内的日照条 件及周围环境状况均相同，所不同的就是板表面的微观结构不同。 7 集热板冀上的翅体均匀而有规律地分布，待分析的翅结构分别为 半径为h 的半球体，该半球的内接圆锥体，内接等腰三棱锥。相互问存 在着如图2 4 所示的几何关系。 图2 4翅体几何形状示意图 f i g 2 4f i n s g e o m e t r i c a ld i m e n s i o n s 华南理工大学工学硕士学位论文 ! j= !j ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! 目! ! ! ! ! = ! ! = = ! = = ! = = ! = = = = 1 2 2 1 数学模型的建立 这里先建立一个一般形式的数学模型，然后再进行逐个分析比较。对 于不同的表面结构，因其对相对于辐照度定义的辐照面积和太阳高度角 都有影响，故而事先引入一个表面结构参数a ，在本模型中该参数只有四 种取值：a 。，a 。，a 。，a 。，分别表示光面结构，半球翅表面结构，等腰圆锥 形以及正底等腰三棱锥结构。根据前述定义有如下的微分方程： 中= a q 孤 则有以下的能量方程： q 2 j d p d t 由于这里只考虑在单位时间内的辐射能吸收量，而单位时间内吸收的 辐射能即为辐射通量中，根据辐照度定义： m = e f s i n h 。d s ( 2 6 ) 太阳高度角是一个与时间和表面性质有关的物理量，故可将其表示为： s i n h 。= s i n h e ( f ，a ) ( 2 7 ) 由上两式则有： q = e f s i n h 。o ，n ) a s ( 2 8 ) 太阳辐射实际也就是光辐射，符合现代光辐射技术中一系列算法。故 将集热板翅化后，可以用现代光辐射技术中的物理现象来解释其不同的 辐射能吸收过程，即三维翅化表面集热板存在着面元与体元的混合辐射 接收。为了将此情况反映在数学模型中，可以将集热板辐照面s 分为两 部分，则有： s = a s + a o ( a ) ( 2 9 ) 式中，a s 表示辐射接收总面元，而a 0 ) 则表示接收辐射的总体元。 这样将上式代入( 2 8 )，并整理可得： 1 4 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 q = l s i n h o ( t ，k l ( a s + 如- ) ) = e f s i n h 。e ，a 弛冬+ e f s i n l l e ( 毛口迎气- ) 2 一l o ) 观察上式，可以认为吸收的总辐能由两部分组成，即前半部的面元接 收的总辐射量q 。和后半部的体元总辐射吸收量q 。，即q = q 。+ q 。；由平面 辐照度的定义可知，q 。与表面结构无关，只要初始福照面积相等其值也 相等，故当参照同一太阳高度角，同一总面元a 时，则有： q s = e a s i n h 。 ( 2 1 1 ) 对体元的辐射接收现象可以引用光辐射技术中的一个新物理量舻( 即 辐射能流率) ，由于妒是表征入射到空间一给定点小球上的辐射功率除以 球的横截面积的辐通量，其辐射接收者为体元，与方向无关，这样就将 太阳高度的影响抱括在一个参数内了，简化了计算。对于单个体元来说， 其单位时间内吸收的辐射能为： q ；= 妒a ，q ) 根据定义，a 0 ) 应该为相对于入射方向的体元的横截面积，故而随着 a 的取值不同其值也不相同，当a = a - 时，即光面板，其值为零；当a 取其 它值时，就为各体元相应的截面积。因此，当翅体标准且均匀时，式( 2 1 0 ) 可简化为下式： q = q s + n 吼= o s + n 妒a 0 0 ) 即单位时间内不同表面结构的集热板所吸收的总辐射能为： q = g + n 妒a o )( 2 1 2 ) 式中，n 表示板冀上翅体总数量。 对于同一时刻，相同辐射条件下的不同表面结构的集热板，其q 。计 算值是相等的，在对比计算中，也就相当于一个常量来考虑。因此，要 比较总辐射吸收量时，只要比较a o 亿) 的大小即可。 式( 2 _ 1 2 ) 即为不同表面结构集热板的采光能力比较分析模型。下面 将对其进行比较分析，进而得出相应的结论。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 三维翅体几何形状的优化 由前可知，本章模型的建立是为了用来定性分析不同表面结构的集热 板采光能力的好坏。根据式( 2 1 2 ) ，只要求出每种单个翅体元相对于辐 射能流率的横截面积，就可以得出该种表面结构的集热板在单位时间内 的辐射能吸收量的数学表达式。分别计算如下： 当集热板为光面结构时，即表面结构参数a = a 。时，则有： a ( 口) = a 。如) = 0 得光面板的总辐射吸收量为： q i = 绞( 2 一1 3 ) 当集热扳为三维半球形翅体( 几何尺寸见图2 ，6 ) 表面时，即表面参 数a = a 2 时，则有： a 0 ) = 凡0 ：) = 三2 砌2 这里只求出相对于最大辐通量的横截面积，故得出的是最大辐射能吸 收量的数学表达式，以下也相同，要比较它们的采光能力，只要比较可 以吸收的辐射能的最大值就可以了。将上式代入( 2 1 2 ) 可得其最大采光 量为： q 2 = g + 挖妒弓瘢2 当翅体元为等腰圆锥体时，即a = a 3 ，则有 a 。( n ) = a 。0 ，) = h 2 求得其最大采光量为： q 3 = q s + n 妒h 2 同样当翅体为等腰三棱锥即a = a 。时，则有： a 。0 ) = a 。0 。) = 2 4 h 2 得其最大采光量为i q 4 = g 栅p 三 2 1 6 ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) ( 2 16 ) 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 比较以上四式可知：q ： - q ，卜q 。 - q l 显然半球体翅形集热板的 采光能力最强，在单位时间内它吸收的总辐射能大于光面集热板 n 妒三2 砌2 ，其次是圆锥和三棱锥。 2 3 翅结构表面的光学捕集 根据所建立的数学模型，对四种表面结构集热板采光能力的定性分析 可知，三维翅化表面的太阳能集热板的采光力优于普通光面集热板，而 翅化表面又以三维半球体翅形为最优。其实，这种结论还可以套用现代 光材料学中的光学捕集系统理论来进一步分析论证。 2 3 1 光学捕集系统 表面织构化是获得选择性捕集太阳能的一项有效技术。合适的织构表 面相对太阳波长似乎是粗糙的，因而能吸收太阳能，而对热红外辐射波 长应像镜子一样能高度反射。t a b o r 于1 9 5 7 年提出，把表面折皱成一系 列“v ”字型就可以把太阳吸收率增加到接近1 ，采用线网、沟槽、在机 械粗糙化的表面上电沉积涂层，在部分真空下蒸发半导体，用溅射和c v d 粗化表面等都可使表面织构化而加强对太阳的吸收。有人提出，几何上 类似于声学上的无回音表面的微观结构可用来作光学捕集表面”“”1 。 v 型折皱表面如图2 5 所示。投射在折皱表面上的辐射经多次内反射， 当入射角增加时，入射辐射经历的反射次数减少，当入射角为9 0 0 时仅有 一次反射。如果表面是不透明的，则n = 1 一p ( 基尔霍夫定律) 。如果辐射 在出来之前经过几次反射，那么出来的辐射强度为p “，即被吸收的分数为 1 一p ”，有效吸收率为： 代入具体数值如下： 吼= 1 一p 4 = 1 一( 1 一口广 n = 2 时，口。= 1 一p 2 = 1 一( 1 一a ) 2 = 0 8 ，则a 。= 0 9 6 。 华南理工大学工学硕士学位论文 辐射入射角 折皱的金属反射层 图2 5 太阳辐射由于在v 型折皱表面连续反射而被吸收 f i g 2 5m o r ea b s o r p t i o nb yvs u r f a c et h r o u g hc o n t i n u o u sr e f l e c t i o n s 对于低发射率表面，由v 发射的能量与由平板发出的能量相比，略小 于a a 倍，a 为v 的真实表面积，a 为y 的开口面积。因而对于6 0 。的y 角，发射率将小于平板发射率的2 倍。于是增大了能量的吸收量。 2 3 2 表面翅结构与光学捕集 通过以上分析，可以认为将集热板进行三维表面翅化实际上也就是将 金属表面微观机械粗糙化，以形成合适的织构表面从而获碍相对太阳辐 射的光学捕集表面。直观地分析如下，以加深理解： 翅化后的表面如下图，为了图解方便，这里是以齿状翅化为例的，但 不影响我们对半球体翅化为最优方案的理解。假设普通平面集热板表面 对于太阳光的吸收率为9 0 ，投射在表面上的太阳辐射为i 。，将有0 9 i 。 被吸收，0 1 i 。被反射向翅面的另一面，在那里又将有0 0 9 1 。的能量被吸 收。经过二次吸收，其吸收总量可达0 9 9 。提高了集热效果。见图解： 1 8 第二章翅表面结构采光能力数学模型的建立 图2 6 翅化与光学捕集表面 f i g 。2 ，6 f i n sa n do p t i c a lc a p t u r e 故翅面集热板的采光能力明显增加了，而又因为半球面翅体还有一个 优处就是光线照射到球面上时，无论其角度怎么偏斜，总有部分光线是 垂真于球面的( 过球心的那部分) ，而我们知道，当入射光垂直于入射表 面时，其高度角为最大，接收表面的辐照度也就最大，将有更多的辐射 能被吸收。可见，球面翅体不仅大大减少了金属板面的发射率，还可减 小吸收率对角度的相关性，从而减少了太阳能的辐射损失。 所以这里又进一步从理论上验证了模型计算的结果：翅化表面的集热 板集热性能优于平面板，而在翅面板中又以半球体翅化表面板为最佳。 2 4 总采光能力试验 集热板采光能力的好坏可通过同等试验条件下，太阳能集热装置系统 中加热水温的升高情况来判断。 试验中，分别对深黑度涂层和浅黑度涂层的集热板，普通表面和翅化 表面集热板，锥体翅表面和半球翅表面以及稀疏翅和紧密翅表面的集热 板分别进行对比试验。 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 !詈暑! 暑詈 ! ! = ! ! 鼻! 鼍暑霉苎墨鼍摹! ! ! 皇! 詈! 皇毫! ! 暑皇穹昌! 鼻= 毫暑= 詈= 毫寡= 4 5 4 0 p 一3 5 h3 0 越 赠2 5 o246 时间点 81 0 1 21 41 6 t ( r a i n ) 图2 7不同黑度涂层表面的采光能力对比 f i g 2 7d i f f e r e n ti n f l u e n c eo ft h es o l a r c o l l e c t i n gp l a t e w i t hd i f f e r e n td a r k n e s sc o a t 该试验的天气情况是：光照强度低，多云有轻雾，气温在1 2 到2 2 度之间，东南风2 级，风力不太大。记录数据的起始时间为1 0 ：0 0 。以 后每隔3 0 分钟记一次。 影响集热扳吸热能力的一个基本问题就是表面黑度，表面颜色越黑， 黑度则越大，表面越粗糙则黑度也越大，辐射吸收率则越大。因此这里 给出了不同黑度涂层集热板的温度变化曲线，如上图。由图可见，黑度 大的板最高可加热水到5 0 左右，而浅黑面板只能达到3 5 左右，而且 曲线上升势头平缓，可见水温上升也非常缓慢。图形中显