（热能工程专业论文）太阳能集热器动态测试方法研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nt h e r m a l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nd y n a m i ct e s tm e t h o df o rt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fs o l a rc o l l e c t o r s e r l o r m a n c eo l a ro l l e c t o r s b y x ul i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nh a i g e n g p r o f e s s o rw a n g z h i f e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = c 己 思。 学位论文作者签名：脾弓 i tl 、，。 日 期口d 乃7 罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名，否则视为不同意。) 学位论文作者签名：名系立 签字日期：2 少，7 多 导师签名： 签字日期： p 东北大学硕士论文 摘要 摘要 本文以全玻璃u 型真空管太阳能集热器和平板型太阳能集热器作为研究对象，从各 自的结构特点上分析了其传热机理和一些重要热性能指标。在此基础上，充分考虑了太 阳散射辐射和时间常数对集热器热性能的影响，根据能量平衡理论对全玻璃u 型真空管 太阳能集热器建立了描述其动态热性能的数学模型。该模型将太阳能集热器视为一个独 立的系统，此系统的输入变量分别为集热器的进口温度，集热器周围的环境温度，落在 集热器采光面上的太阳直射辐照度和太阳散射辐照度；系统的输出变量为集热器的出口 温度。通过大量的集热器热性能实验数据，由实际测量值来确定系统的输入与输出的关 系，即求解集热器热性能动态模型中的参数。再由这些参数来预测系统的输出集热 器的出口温度。虽然本文的动态模型基于分析全玻璃u 型真空管集热器的得热和热损而 提出，但实验结果表明该模型同样适用于平板型集热器热性能的测试。 采用本文的方法在对集热器进行热性能测试时，除要求集热器工质的质量流量廊仍 需保持稳定外，测试过程对其输入变量( 太阳辐照度、环境温度、集热器的进口温度) 的值及其波动范围不做限制。该测试过程中，由于对落在集热器采光面上的总太阳辐照 度分为直射太阳辐照度和散射太阳辐照度分别加以考虑，这对实际天气条件下的太阳辐 射要求降低，使得一年中可用于测试的天数大为增加。与i s 0 9 8 0 6 - 1 的集热器稳态测试 方法相比，由于对测试条件的要求降低，使得减少了因限定输入变量波动而投入的控制 设备，测试的成本也随之降低。 本文的动态测试模型经过数学推导，从理论上证明了其与目前已被广泛认可的基本 稳态模型具有一致性。通过与稳态模型和另一种动态模型进行对比，本模型预测的结果 和实测输出的接近程度，要优于已有标准和另一种动态模型，尤其表现于集热器工作在 系统的输入变量不稳定的情况，如太阳辐照度强烈变化或散射辐照度占很大比例和集热 器入口温度变化明显的工况。因此理论推导的结果和实验的测量值均证明了本文动态测 试方法的有效性和可靠性。 关键词：平板型太阳能集热器：全玻璃u 型真空管太阳能集热器：热性能；集热器 动态测试 一l i i a 东北大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , t a k eb o t ha l lg l a s se v a c u a t e dt u b es o l a rc o l l e c t o rw i mut u b ea n df l a tp l a t es o l a r c o l l e c t o rf o ri n s t a n c e ，t r a n s f e rp r o c e s sa n ds e v e r a lk e yt h e r m a li n d i c a t i o n so ft h es o l a r c o l l e c t o r sw e r ea n a l y z e df r o mt h e i rc o n s t r u c t i o n s c o n s i d e r i n gt h e e f f e c t i o n so fd i f f u s e s o l a ri r r a d i a n c ea n dt i m ec o n s t a n t ，ad y n a m i ct e s tm o d e l w h i c hi sb a s e do nt h ee n e r g yb a l a n c e t h e o r yf o ra l lg l a s se v a c u a t e dt u b es o l a rc o l l e c t o rw i t hut u b ei sp u tf o r w a r dt od e s c r i b et h e d y n a m i ct h e r m a lp e r f o r m a n c eo fs o l a rc o l l e c t o r s t h es o l a r c o l l e c t o ri sr e g a r da sa l l i n d e p e n d e n ts y s t e m ，w h o s ei n p u tv a r i a b l e sa r et h ef l u i dt e m p e r a t u r ea tt h ec o l l e c t o ri n l e t ，t h e a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，t h ed i r e c ts o l a ri r r a d i a n c ea n dt h e d i f f u s e s o l a ri r r a d i a n c eo nt h e a p e r t u r ep l a n eo ft h es o l a rc o l l e c t o r , w h i l ew h o s eo u t p u tv a r i a b l ei st h ef l u i dt e m p e r a t u r ea t t h ec o l l e c t o ro u t l e t b yt h eh u g en u m b e ro ft e s t d a t ef r o ms o l a rc o l l e c t o r st h e r m a l p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s ，t h eu n k n o w np a r a m e t e r si nt h em o d e la r ei d e n t i f i e d a n dt h e n t h e s ep a r a m e t e r sa l eu s e dt os t i m u l a t et h ef l u i dt e m p e r a t u r ea tt h ec o l l e c t o ro u t l e t a l t h o u g h t h i sm o d e ld e r i v e sf r o mt h ea n a l y s i so nt h eh e a tg a i na n dl o s sh e a to fa l lg l a s se v a c u a t e dn l b e s o l a rc o l l e c t o r 谢吐lut u b e ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a ti ti sa l s os u i t a b l ef o rt h e t h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h ef l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r e x c e p tt h er e q u e s to fs t e a d yf l u i dm a s sf l o w r a t el h ，a d o p t i n gt h i sm e t h o di n t ot h et e s tf o rt h e t h e r m a lp e r f o r m a n c eo fs o l a rc o l l e c t o r sd o s en o ts e tt h el i m i t a t i o nt ot h ev a l u e sa n dd e v i a t i o n s o fm e a s u r e dp a r a m e t e r ss u c ha ss o l a ri r r a d i a n c e ，s u r r o u n d i n ga i rt e m p e r a t u r ea n df l u i d t e m p e r a t u r ea tt h ec o l l e c t o ri n l e td u r i n gam e a s u r e m e n tp e r i o d t h e t o t a ls o l a ri r r a d i a n c ei s c o n s i d e r e di i l t ot h ed i r e c ts o l a ri r r a d i a n c ea n dt h ed i f f u s es o l a ri r r a d i a n c er e s p e c t i v e l yi nt h e p r o c e s so f t h et e s tf o rs o l a rc o l l e c t o r s ，w h i c hr e d u c e st h er e q u e s to f t e s ts o l a ri r r a d i a n c ei nr e a l w e a t h e rc o n d i t i o n sa n di n c r e a s e ss t r i k i n g l yt h ed a y so ft e s td u r i n gay e a r c o m p a r e d 、析t l l t h ei s 0 9 8 0 6 - 1t e s tm e t h o df o rs o l a rc o l l e c t o r s ，t h i sd y n a m i ct e s tm e t h o dr e q u i r e sl o w e rt e s t c o n d i t i o n s ，l e a d i n gt or e d u c i n gt h ec o n t r o le q u i p m e n t sf o re l i m i n a t i n gt h ed e v i a t i o n so fi n p u t v a r i a b l e s ，t h e r e f o r e ，t h ec o s to ft e s tf o rs o l a rc o l l e c t o r sd e c r e a s e s b ym a t h e m a t i c a lr e a s o n i n gt h ed y n a m i ct e s tm o d e lp r o p o s e di n t h i sp a p e ro w n sb a c k w a r d s c o m p a r a b i l i t yt ol o n ga g r e e ds t e a d ym o d e l c o m p a r e dw i t l lt h es t e a d ym o d e la n da n o t h e r v 一 东北大学硕士论文 a b s t r a c t d y n a m i cm o d e l ，t h i sd y n a m i cm o d e li sa b l et op r e d i c tt h ef l u i dt e m p e r a t u r ea tt h ec o l l e c t o r o u t l e tw h i c hi sc l o s e rt ot h ed a t ao b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t s ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s et h a tt h e i n p u tv a r i a b l e so ft h es y s t e ma r en o ts t e a d y , s u c ha ss t r o n gd e v i a t i o no ft h es o l a ri r r a d i a n c e ， t h ed i f f u s es o l a ri r r a d i a n c ea n do b v i o u sc h a n g eo ft h ef l u i dt e m p e r a t u r ea tt h ec o l l e c t o ri n l e t t h e r e f o r e ，b o t hm a t h e m a t i c a lr e a s o n i n ga n dt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t sj u s t i f yt h ev a l i d a t i o n a n d r e l i a b i l i t y k e y w o r d ：f l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r ；a l lg l a s se v a c u a t e ds o l a rc o l l e c t o rw i t hut u b e ；t h e r m a l p e r f o r m a n c e ；d y n a m i cc o l l e c t o rt e s t v i 东北大学硕士学位论文目录 独创性声明 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 i i i i 第一章绪论 v l 1 1 研究意义l 1 2 太阳能集热器。l 1 2 1 平板型太阳能集热器2 1 2 2 真空管太阳能集热器3 1 2 2 1 普通型全玻璃真空管太阳能集热器3 1 2 2 2 全玻璃u 型真空管太阳能集热器3 1 2 2 3 热管式真空管太阳能集热器4 1 3 太阳能集热器热性能的测试方法及研究现状4 1 3 1 太阳能集热器热性能稳态测试方法5 1 3 1 1 太阳能集热器稳态测试模型5 1 3 1 2 现行的太阳能集热器稳态测试标准6 1 3 2 太阳能集热器热性能动态测试方法7 1 4 本文主要研究内容及研究方法9 第二章太阳能集热器热性能分析 i l 2 1 真空管太阳能集热器热工作原理。l l 2 2 真空管太阳能集热器吸收的太阳辐射能量1l 2 3 太阳能集热器热损失分析1 3 2 4 太阳能集热器有效热容及时间常数1 4 2 5 太阳能集热器热性能指标l8 第三章太阳能集熟器热性能实验研究 2 1 3 1 太阳能集热器热性能测试台2 l 3 1 1 恒温水箱的设计2 2 3 1 2 跟踪台架( 旋转台架) 2 3 3 1 3 辐射表( 太阳辐射测量) 2 4 v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 1 4 循环水泵的安装及流量的控制2 4 3 1 5 集热器进出口温度的测量2 4 3 1 6 周围环境温度的测量2 5 3 1 7 数据采集2 6 3 2 太阳能集热器参数2 6 3 2 1 全玻璃u 型真空管太阳能集热器2 6 3 2 1 1 基本数据b a s i cd a t a 2 7 3 2 1 2 吸热体a b s o r b e r 2 7 3 2 1 3 绝热和外壳t h e r m a li n s u l a t i o na n dc a s i n g 2 7 3 2 1 4 限制条件l i m i t a t i o n s 2 8 3 2 2 平板型太阳能集熟器2 8 3 2 2 1 基本数据b a s i cd a t a 2 9 3 2 2 2 吸热体a b s o r b e r 2 9 3 2 2 3 绝热和外壳t h e r m a li n s u l a t i o na n dc a s i n g 。2 9 3 2 2 4 限制条件l i m i t a t i o n s 2 9 3 3 实验工况的确定与实验数据分析2 9 3 3 1 太阳能集热器稳态实验。2 9 3 3 1 1 全玻璃u 型真空管太阳能集热器测试结果及数据处理3 0 3 3 1 2 平板型太阳能集热器测试结果及数据处理3 3 3 3 2 太阳能集热器动态实验3 7 3 3 2 1 全玻璃u 型真空管太阳能集热器3 7 3 3 2 2 平板型太阳能集热器3 9 第四章集热器熟性能动态测试模型及实验验证 4 1 4 1 集热器热性能动态测试模型4 l 4 1 1 太阳能集热器动态测试模型的提出4 l 4 1 2 太阳能集热器动态测试模型的理论推导。4 4 4 1 3 太阳能集热器动态测试模型的系数确定4 5 4 2 太阳能集热器动态测试模型对稳态实验出口温度预测4 6 4 2 1 全玻璃u 型真空管太阳能集热器4 6 4 2 2 平板型太阳能集热器4 8 4 3 太阳能集热器动态测试模型对动态实验出口温度预测。5 0 4 3 1 全玻璃u 型真空管太阳能集热器5 0 4 3 2 平板型太阳能集热器5 3 第五章结论 参考文献 硕士期间发表的学术论文 致谢 i x 5 9 6 l 6 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 太阳能热水系统是目前技术成熟、性价比好、应用广泛、产业化发展最快的太阳能 热利用技术【l j 。太阳能集热器是太阳能热水系统的核心部件，也是太阳能热水系统性能 研究中的难点和关键，因此测试太阳能集热器的热性能成为太阳能研究和应用的一个重 要环节。目前在国际和国内标准中规定的稳态测试方法虽然采用了比较简单的测试模 型，但却对测试的条件要求很高，致使实验周期较长，基本不适用于我国工厂众多的国 情。因此十分有必要对集热器热性能快速测试方法以及相应的测试装置进行研究。此外， 集热器动态测试方法的研究同样也是目前国际太阳能热利用界研究的热点。 对于太阳能集热器的室外测试而言，在测试期间除了要求集热器进口流体工质温度 和流经集热器的工质质量流量保持恒定外，对测试环境也做了严格的限定。在测试期间 太阳辐照度不仅要高，而且要稳定。由于气象条件无法人为控制，测试必须等到适宜的 天气情况才能进行，致使测试所需的时间大大加长，在有些地区，由于气候条件的限制， 在某些季节测试根本无法进行：另一方面由于实际气象条件的瞬变特性，太阳能集热器 始终处于非稳态的运行工况，这与集热器稳态测试所用的工况不同，因此用此测试结果 不足以预测集热器在实际动态工况范围内的热性能。如果能提出解决上述问题的太阳能 集热器动态测试方法，并验证其有效性、可靠性、复现性和稳定性。那么将会对太阳能 集热器的检测产生深远的影响。 本论文以全玻璃u 型真空管太阳能集热器和平板型太阳能集热器的热性能动态测 试方法的研究为基础，建立了一种既能准确预测太阳能集热器在瞬变天气条件下的热性 能，又具有较强操作性的集热器动态热性能测试模型。经过实验验证，本论文提出的模 型对全玻璃u 型真空管太阳能集热器和平板型太阳能集热器的热性能预测都表现出了 令人满意的精度。 1 2 太阳能集热器 太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递给传热工质的装置【2 3 l 。国内市 场以真空管型太阳能集热器为主，2 0 0 6 年约占市场份额的8 7 ，而平板型集热器只占 1 2 ；与国内市场形成巨大反差的是，欧洲、日本和以色列等国家均以平板型集热器为 主，约占到市场份额的9 0 t t l 。因此，十分有必要以这两种类型的太阳能集热器作为集 热器研究的重点。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 平板型太阳能集热器 平板型太阳能集热器是指吸热体表面基本上为平板形状的非聚光型集热器。平板型 集热器具有结构简单、安装方便、成本较低、易与建筑结合等优点，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。同时，平板型集热器也存在冬季表面热损失大、抗冻性能差和高温 段( 6 0 9 0 ) 效率偏低等不足1 4 l 。 吸懒管道盖板保酬箱体 奏 一 霎uoouu叭 图1 1 平板型集热器 f i g 1 1f l a tp l a t ec o l l e c t o r 典型的平板型集热器的基本结构如图1 1 所示。它由下列一些主要元件构成： 吸热面板：表面涂有黑色涂层的金属或非金属平板，能够充分吸收太阳辐射能，是 平板型太阳能集热器的关键部件，其性能优劣对平板型太阳能集热器的工作特性起着决 定性的作用。 管道：与吸热面板有良好结合的流体通道，将吸热面板所吸收的热量传递给工作流 体。 保温材料：在吸热体的背部和侧面充填有保温材料，以减少吸热体对周围环境的热 传导损失。常用的保温材料有：岩棉、矿棉、聚苯乙烯和聚氨酯等。 透明盖板：集热器箱体的项部盖有一层或若干层透明玻璃，它能让波长在o 3 3 | l m 的太阳辐射很好地透过，却尽量阻止由吸热面发出的大于3um 的长波辐射通过，即 充分利用温室效应来减少吸热面对外界的热损失。并且它还能保护吸热体和其它部件不 受雨、雪、灰尘、污物等的直接侵袭。 箱体：用于将吸热体、透明盖板和保温材料等部件组成一个完整的平板型太阳能集 热器。要求有一定的刚度和强度，以便于支承固定。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 真空管太阳能集热器 真空管太阳能集热器由若干支真空集热管按一定规则排列组合而成，由于采用了高 真空技术和优质选择性吸收涂层，大大降低了集热器的总热损，因而真空管太阳能集热 器可以在中、高温下运行，也能在寒冷的冬季及低日照与天气多变的地区运行，尤其在 阴天及每天早晚和冬季具有比一般平板型集热器高得多的集热效率【5 】。真空管集热器按 结构设计可分为普通型全玻璃真空管太阳能集热器、全玻璃u 型真空管太阳能集热器和 热管式真空管太阳能集热器。 1 2 2 1 普通型全玻璃真空管太阳能集热器 普通型全玻璃真空集热管的结构如图1 2 所示，由内外两同心圆玻璃管制成。它们 的一端相互封接，内层玻璃管的一端用金属卡支承使之与外玻璃管紧固，并且在内玻璃 管的外壁上镀以选择性吸收涂层。内外管之间抽成真空，像拉长了的热水瓶胆。根据 g b t1 7 0 4 9 2 0 0 5 的要求哺 ，全玻璃真空太阳能集热管夹层内的气体压强不大于0 0 5p a 。 与平板型集热器相比，全玻璃真空集热器的热损失大幅降低，但是由于流体工质在玻璃 管运行，一旦某一支真空集热管破损，就会导致整个热水系统内的流体工质都从该点泄 漏。 1 - - 内玻璃管 4 一外玻璃管 7 - 吸气镜面 2 选择性吸收涂层 5 支承件 3 真空夹层 卜吸气剂 图1 2 全玻璃真空管集热管 f i g 1 2a l lg l a s se v a c u a t e dc o l l e c t o rt u b e 1 2 2 2 全玻璃u 型真空管太阳能集热器 全玻璃u 型真空管太阳能集热器克服了普通型全玻璃真空管集热器易破损和不承 压的缺点，如图1 3 所示，在全玻璃真空集热管内插入被铝翼片紧紧包裹着的一根u 型 东北大学硕士学位论文第一章绪论 铜管，u 型管的两端分别与联集箱中的两根母管相连，母管中的工作流体经u 型管流入 另一根母管。一根母管接冷流体，另一根将热流体送入贮水箱中。 采用u 型铜管的结构，不让流体工质直接在真空管内工作，避免了炸管泄漏的发生。 但同时也损失了部分热效率，系统阻力也因此增加。 图1 3u 型真空管集热管 f i g 1 3e v a c u a t e dc o l l e c t o rw i t hut u b e 1 2 2 3 热管式真空管太阳能集热器 热管式真空管太阳能集热器是将u 型管集热器内插的u 型铜管换成一根热管，并 将热管的冷凝端插入联集箱内的母管中。其工作原理是：内玻璃管将吸收到的太阳辐射 能传递给与之紧密接触的铝翼翅片，翅片热能传递给热管的吸热端，热管的冷凝端再将 热能传递给联集管中的介质。集热管内不会产生堵塞和结垢现象，解决了热水系统运行 阻力大的问题，并且热管传递的是相变潜热，故有传热效率较高，启动较快的特点，但 是生产成本显著增加。 1 3 太阳能集热器热性能的测试方法及研究现状 人们将太阳能集热器的稳态热效率作为研究其热性能评价的关键，由实际的测试 ( 室内或室外) 结果得到集热器的热性能参数，进而得到的太阳能集热器的瞬时效率公 式。但是稳态测试方法忽略了集热器热容引起的热惯性，所以集热器本身所具有的热容 的作用不能在稳态测试方法中得到体现，由此而产生的热延迟也被忽略。其次，稳态测 试其模型虽然简单，但稳态测试方法对测试的条件要求很高，且测试必须在集热器达到 稳态或准稳态工况时才能进行。对于太阳能集热器的室外测试而言，在测试期间除了要 求集热器进口流体工质温度和流经集热器的工质质量流量保持恒定外，对测试环境也做 了严格的限定。例如：i s o9 8 0 6 1 【7 】要求在测试周期内天气晴朗，太阳辐照度在8 0 0 w m 2 以上，且在实验周期内太阳辐照度的偏离值不超过平均值的5 0w r a 2 。集热器周围环 境温度的变化在测试期间不能超过平均值1 k 。在集热器的工作温度范围内至少取四个 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 间隔均匀的工质进口温度。( 其中一个应在环境空气温度的3 内) 。另一方面，由于 测试的条件与集热器平常工作的条件不同，用此测试结果不足以能预测集热器在实际工 况范围内的热性能。为了克服这些困难，近几十年来，许多国家和地区的学者已提出了 多种动态的测试方法，以便在多变的天气条件下能够对集热器进行热性能方面的测试 8 1 。 1 3 1 太阳能集热器热性能稳态测试方法 1 3 1 1 太阳能集热器稳态测试模型 在热平衡条件下集热器的有效能量输出应当等于吸收的辐射能和热损失之差【9 】： 包= 么。i s u q - 一) j ( 1 1 ) 式中 彳。集热器面积( m 2 ) 观总传热系数( w ( m e ) ) 吸热板平均温度( ) 瓦环境温度( ) s 吸热面吸收的太阳辐射量( w m 2 ) i q u 集热器有效利用能量( w ) 对应的瞬时效率方程可写为： 刁：盟：兰二丝! 圣二型 ( 1 2 ) 零 。 4 g g 式中s = ，( 缎) ( 1 3 ) 式( 1 - 2 ) 化为： 繁 ，7 ：( 缎) 一型 (14)g 集热器吸热板平均温度取决于集热器的结构和工作流体的进口温度等参数，实际中 难以实测或通过简单的计算得到，因此用工作流体的入口温度l 或工作流体的平均温度 l 来代替。为此引入集热器的效率因子，和集热器的热转移因子尽，其中f 的物理意 义为集热器的实际能量收益与吸热体局部温度等于集热器内对应位置的工作流体温度 时的有用能量收益之比；风的物理意义为集热器的实际能量收益与整个吸热体表面温度 等于集热器流体进口温度时的有用能量收益之比。对应的集热器的有用能量收益及集热 器的瞬时热效率方程为： q u = 彳。f i s u 也一疋) j ( 1 5 ) ，7 划( 缎) 叫掣 ( 1 - 6 ) 或 包= a c 足b u q 一瓦) j ( 1 7 ) 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 力一fr 棚一fr ，幽 ( 1 8 ) 刁= 最( 缎) 一最吮 ( 1 8 ) 为使式( 卜6 ) 及( 1 - 8 ) 形式上看起来能简单一些，对式中的参数组合做简化定义， 对式( 1 - 6 ) 定义如下： 定义归一化温差丁，其值为r ：至丢三 ：f ，沁) 1 9 a l = f7 u l 对式( 1 8 ) 定义如下： 定义归一化温差丁，其值为，：墨；堡 ：b 1 - 1 0 a l = 疋u l 这样无论是对式( 1 6 ) 还是对式( 1 8 ) 都有相同的形式： = 一a l t (1。1rr)o 1 1 2 一 l 卜 j 在刀一r 的直角坐标中，截距表示最高效率值，即零热损效率；斜率口表示集热 器的热损系数。 1 3 1 2 现行的太阳能集热器稳态测试标准 目前正在施行的集热器稳态测试标准： ( 1 ) i s o9 8 0 6 119 9 4t e s t i n gm e t h o d sf o rs o l a rc o l l e c t o r s - p a r tl ：t h e r m a l p e r f o r m a n c eo fg l a z e dl i q u i dh e a t i n g c o l l e c t o r si n c l u d i n gp r e s s u r ed r o p 【7 1 。 此国际标准描述了带盖板的工作流体为液体的集热器的热性能及压降的测试方法， 采用下面的数学模型： r l = r i o 一口l r a 2 g ( t ) 2 ( 1 1 2 ) 力：m c p ( t y o - t ：) 。 a g 式 ：取舸：簪盯：簪。 uu 彳：参考面积( 取为集热器的总面积么g 或集热器的采光面积a c ) 。 ( 2 ) a s h r a e9 3 8 619 8 6m e t h o d so ft e s t i n gt od e t e r m i n et h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f s o l a rc o l l e c t o r s d o 美国标准对于非聚光型太阳能集热器，采用模型： 罴= 最( 缎) 一最簪 ( 1 1 3 ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 a g ：集热器的总面积 ( 3 ) e n12 9 7 5 2 - 2 0 0 6 ，t h e r m a ls o l a rs y s t e m sa n dc o m p o n e n t ss o l a rc o l l e c t o r sp a r t2 ： t e s tm e t h o d s 1 1 】 欧洲标准采用带盖板的集热器的热性能稳态测试模型： 一q 孕哪f 簪 2 、 7 ( 1 - 1 4 ) ，7 ：m c p ( t y o - t ：) 。 么g 彳：参考面积( 取为集热器的采光面积a c 或集热器的吸热体面积a 。) 。 ( 4 ) g b t4 2 7 1 2 0 0 7 ，太阳能集热器热性能测试方法【1 2 】 该国内标准所用的数学模型为： r l = 7 0 一口l 丁+ 刀：鳖( 堡二型 1 。1 5 。 彳g 式 ：可取灯= 孚打= t f l g - t a 。 彳：为参考面积( 可取为集热器总面积么g ，集热器的采光面积a a 或集热器吸热体面 积a a ) 。 1 3 2 太阳能集热器热性能动态测试方法 ( 1 ) p e r e r s t l 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 提出了一种集热器准动态的测试方法，将直射辐射和散射辐射 的作用分开，并考虑了天空辐射，风速，入射角及集热器热容的影响，建立模型，用多 重回归分析求解。其独特之处在于将直射辐射入射角修正系数如和散射辐射入射角修 正系数如分开考虑，且用于得到这两个修正系数的实验数据可与得到其它参数的实验 数据相同，不需另为这两参数的回归再去做一组实验，得到了满意的结果，于2 0 0 1 年 正式写入欧洲标准e n l 2 9 7 5 2 。按此法测试所需的时间较长( 7 天以上) ，且测试中入口 温度要保持恒定。 该方法的数学模型如下： 署= f ( 讹) 删翰( 秒) 瓯+ f ( 缎) 翻( 秒) g d c 1 ( 弓一瓦) ( 1 1 6 ) 一乞( 弓一乃) 2 - c ：c r ：一乃) 一q ( 尻一仃z ) 一巳码d t - c 6 w g 式中c ic ：为由温差引起的热损系数，c ，：由于风速变化而引起的温差变化产生的 热损系数；c 。：集热器与天空辐射产生的热损系数；岛集热器的有效热容：c 。：由风速 引起的集热器最高效率的变化系数。 ( 2 ) e h a m e r l l 7 , 1 8 , 1 9 2 0 ，2 1 2 2 1 等假设集热器板温度等于集热器内工质的平均温度，而 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 集热器的热损是集热器内工质温度和环境空气温度的函数。取工质流动方向上长度为 x ，宽度为w 的单元列任意时刻的能量平衡方程为： m l c p l 弓( z + 缸，f ) 一弓( x ，f ) i ( 础) 。m 肭_ f ，眈矿驰) 心一( 吼掣n 。7 其中( m e ) 缸表示长度为a x 的工质的热容。此方法对非稳态工况下集热器出口温度 的预测体现了很好的性能。只是该方法需要大量的实验而且计算较复杂。 ( 3 ) w i j e y s u n d e r a 等【2 3 1 提出了用一个完整热水系统的每日测试来估计集热器热性 能参数的方法。此方法将整个热水系统作为研究对象，从而导出集热器的热性能参数。 此方法的特点是：只考虑水箱的热容，水箱水温始终均匀，测试中水箱不排水也不加水。 要求换热回路的流量恒定。此法所用模型如下： 对封闭系统能量方程： 矽1 鲁。4 最( 缎) g ( f ) 一斥吼( 乃一乙) 一4 u ( i 一乃) ( 1 - 1 8 ) 一4 v 毛( z 一乃) 一4 虬乞( 一) 对集热器列其能量方程： r h c ( 一乃) = a , f r ( r e t ) g ，( t ) 一最( 一) ( 1 1 9 ) 对从水箱到集热器的管路的能量方程： 廊c 亿一乙) = a 。u ，毛亿一) ( 1 2 0 ) 联立方程( 1 1 8 ) 到方程( 1 - - 2 0 ) 经过参数的整合，数学求解得到一个积分方程： 见o ) = 觇o - r ) + 2 t 9 口( f f ) 】e x p ( - f p f ( 1 2 1 ) 用参数回归得到参数g 、兄，之后再导出足脚疋u l 。由此法得出的结果误差 在1 3 以内，但其实验台的设计复杂，以保持水箱温度均匀和水箱及进出口管路的热损 很小。 ( 4 ) m u s c h a w e c k 和w s p i r k l t 2 4 , 2 5 2 6 1 将滤波理论与最小二乘法结合用于热水系统的 测试中。之后又将此理论用于平板型集热器。此方法忽略了集热器本身的热容，只计算 集热器内工作流体的热容。将集热器各处的温度看作是相同的且与集热器的板温相等。 此外，此法还忽略了集热器的工作流体流经集热器所需要的时间，即工作流体流经集热 器不需要时间。为减小由上面这两个假设而产生的误差，将一个集热器看作是由多个小 的单元集热器串连而成。其热容也平均分配在每个小的集热器单元中，对每个小的集热 器单元假设其温度分布是合理的。 所用的数学模型为： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 聊c ) 。等= 4 ，( 缎) q 一畦( 丁一乙) 一g ( r z ) ( 1 2 2 ) 式中7 既是平板的板温，也是集热器的出口温度。由于此模型在许多地方都与真实 的集热器不同，其参数的物理意义不是很明确，对此方法用不同的实验系列得到的集热 器参数波动较大，而对集热器有效热容( 加c l 而言，用其估计值根本不能反映其真实值。 1 4 本文主要研究内容及研究方法 本论文通过分析已有的太阳能集热器热性能测试方法，着重在不同天气条件下进行 集热器热性能的稳态和非稳态实验，形成大量的实验数据。并且在前人的基础上，以全 玻璃u 型真空管太阳能集热器为研究对象，重新建立描述集热器热性能的动态测试模 型，丰富了其使用条件，完善了模型的物理意义，并从理论上推导了此模型与目前已经 被国际普遍接受的稳态测试模型具有一致性。通过平滑和滤波等数学方法的处理，且充 分考虑集热器的时间常数和集热器有效热容对集热器热性能的影响，使该模型能够准确 预测太阳能集热器在瞬变天气条件下的热性能。经过实验验证，表明在多变复杂气象条 件下该模型具有较强操作性，并且也能够准确地反映平板型太阳能集热器的热性能。 东北大学硕士学位论文第二章太阳能集热器热性能分析 第二章太阳能集热器热性能分析 投射到太阳能集热器的热量，一部分转变成集热器的有效利用能，一部分变成损失， 包括光学损失和热损失。集热器吸收的太阳辐射能，是投射辐射能与盖板光学损失之差。 平板型太阳能集热器的热损失，主要包括从吸热板到透明盖板到周围环境由于辐射和对 流造成的热损失，由集热器背面和四周边缘的保温层导热及外表面的对流产生的热损 失，从结构上分为顶部、底部和侧面三个部分。有关平板型太阳能集热器的得热和热损 的分析及经验公式2 7 , 9 j 在许多文献中