（热能工程专业论文）全玻璃真空管黑液太阳能集热系统的性能研究.pdf

摘要 摘要 太阳能集热器的热性能主要由其平均同效率、非稳态效率和总体的保温性能 来评价。要提高集热器的集热性能，应该保持最大限度地吸收太阳辐射的同时， 尽可能减小其散热损失。本文提出了直接吸收式黑液太阳能集热器的概念。黑液 既是集热器的吸热工质又是传热工质，所以集热器的最高温度出现在黑液内部， 此集热结构可有效降低集热器的散热损失。 本文以实验为主，结合理论和模拟的分析方法，研究黑液太阳能集热器的综 合性能。研究黑液太阳能集热器通水取热及温度升高( 以下简称温升) 规律；黑 液箱内螺旋铜管换热性能；非镀膜全玻璃太阳能真空管内黑液温升、流动规律和 黑液箱内的温度分层规律；利用热虹吸原理分析了黑液太阳能集热器的集热本 质；利用c f d 流体力学仿真软件f l u e n t ，通过简化系统模型，对由非镀膜全玻璃 太阳能真空管和黑液箱组成的集热系统的黑液工质自然流动作了二维模拟。 实验所得的结果基本符合预期效果，并表明了用黑液作为工质的可行性。获 得了黑液太阳能集热器通水取热时的换热规律和黑液箱的温度变化规律的数据， 螺旋铜管的换热曲线，并由研究可得出螺旋铜管的总传热系数在整个换热过程中 是可以维持稳定的：黑液箱在白天的整个集热工作期间，箱体底部黑液的温度较 箱体的中部和上部的黑液温度要低得多，而中部和上部黑液的温度基本是相同 的，底部与中上部黑液的温差晟大约为l o 当在傍晚时，黑液箱的温度会自我 调节均匀，最终黑液箱整体的温度趋向一致：研究获得在真空管口同一截面上流 出真空管口的黑液与流进真空管的黑液的温差，并且中间真空管的温差要比边缘 真空管的温差要大；研究获得了黑液太阳能集热器主要的性能参数和瞬时效率方 程曲线；分析了真空管内黑液的吸热本质和流动规律，实验结果与模拟所得的结 果基本符合。 黑液太阳能集热器的集热工质来源广泛，成本低廉，且有效解决了常规真空 管太阳能集热器的卫生问题；采用非镀膜太阳能真空管，节省由于镀膜所消耗的 大量电能，符合国家和省节能减排的政策和方针。 广东t 业人学硕i ：研究生学位论文 关键词：黑液；太阳能集热器；热性能 本研究得到广东省科技计划项目储能式黑液太阳能集热器系统的关键技术研 究支持( 编号：2 0 0 6 8 1 3 2 0 1 0 0 1 ) a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e r m a lp r o p e r t yo fs o l a rc o l l e c t o ri se v a l u a t e db yp a r a m e t e r sl i k et h ea v e r a g e d a i l ye f f i c i e n c y ，n o n - s t e a d ys t a t ee f f i c i e n c ya n dt h et o t a lt h e r m a li n s u l a t e dp r o p e r t y i n o r d e rt oi m p r o v et h et h e r m a lp r o p e r t yo fs o l a rc o l l e c t o r , i tm u s tm a i m a i nt h ef u r t h e s t a b s o r p t i o nw h i l er e d u c et h eh e a t l o s ta sm u c ha sp o s s i b l e ad i r e c ta b s o r p t i o nb l a c k l i q u i ds o l a rc o l l e c t o ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo c c u ri nt h e i n t e r n a la r e ao ft h eb l a c kl i q u i db e c a u s et h eb l a c kl i q u i dw o r k 勰h e a ta b s o r p t i o nf l u i d a sw e l la sh e a t - t r a n s f e rf l u i d i tc a nr e d u c et h eh e a tl o s sw i t hs u c has t n l c t u r c c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so f s o l a rc o l l e c t o ra r es t u d i e di nt h ep a p e rt h r o u g hd o i n g e x p e r i m e n tm a i n l yc o m b i n i n g 、析t l lt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n t h el a wo f t e m p e r a t u r ei n c r e a s eo nt a pw a t e ra f t e ra b s o r b i n gh e a tf r o mb l a c kl i q u i d ，t h eh e a t t r a n s f e rp r o p e r t yo fh e l i c a lp i p ew i t h i nb l a c kl i q u i dt a n k ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，f l o w p r o p e r t i e so f b l a c kl i q u i di nt h en o n - c o a t i n g - d e p o s i t i o na l lg l a s se v a c u a t e dt u b ea n dt h e t e m p e r a t u r es t r a t i f i c a t i o ni nb l a c kl i q u i dt a n ka r es t u d i e d e s s e n t i a lo fh e a ta b s o r p t i o n i sa n a l y z e d 、丽t l la r e c t a n g u l a rt h e r m o s y p h o nl o o pt h e o r y t h e2 ds i m u l a t i o no fs y s t e m c o m p o s e do fn o n - c o a t i n g - d e p o s i t i o na l lg l a s se v a c u a t e dt u b ea n db l a c kl i q u i dt a n ki s d o n e 、订t i lf l u e n tw h i c hi so n eo ft h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st h r o u g ha s i m p l i f i e ds y s t e mm o d e l t h er e s u l t sg a m e df r o mt h ee x p e r i m e n ta c c o r d 、砘me x p e c t e dr e s u l ta n dr e v e a l t h a ti ti sf e a s i b l et ou s eb l a c kl i q u i da sw o r k i n gf l u i d d a t ao nt h er u l eo fh e a t e x t r a c t i o nf r o mb l a c kl i q u i do ft a pw a t e r ，t h er u l eo ft e m p e r a t u r ec h a n g ei nt h eb l a c k l i q u i dt a n ka n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sc t l r v ea r eg a i n e d t h et e m p e r a t u r eo fb l a c k l i q u i da tt h eb o t t o mo ft a n ki sm u c hl o w e rt h a nt h a to fc e n t r a la n dt o pp a r t sa n dt h e l a r g e s tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w 蜘t h e mi sa b o u tlo c , w h i l et h et e m p e r a t u r eo f b l a c kl i q u i di nc e n t r a lp a r ti sa l m o s tt h es a m ea st h a to ft h et o pp a r t t h et e m p e r a t u r e w i l li n c l i n et ob eu i f o r ma st h eh e a tc o n d u c t i o no c c u r i n gb e t l 嘲d i f f e r e n tl e v e l so f b l a c kl i q u i d t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w 嘲i n - f l o wa n do u t - f l o wt h r o u g ht h e o p m n go ft u b el o c a t e da tt h e - n t r co ft u b ea r r a yi sl a r g e rt h a nt h a to ft h ee d g e n l 广东t 业人学硕i ：研究生学位论文 o n e t h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra n dt h en o n s t e a d ys t a t ee f f i c i e n c yc u r v eo f b l a c kl i q u i dc o l l e c t o ri sg a i n e dt h r o u g hs t u d y t h ee c c e n t i a lo f h e a t - a b s o r p i o n ga n dt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sa l m o s tt h es a m ea st h a t g e tf r o ms i m u l a t i o n b l a c kl i q u i di se a s yt og e ta n dl o wi nc o s tp r i c e ，f u r t h e rm o r ei tc a r ls o l v et h e p r o b l e mo fs a n i t a t i o n rc a ns a v el o t so fp o w e re n e r g yu s i n gf o rc o a t - d e p o s i t i o nw h i c h a c c o r dw i t hp o l i c ya n dg u i d e l i n eo ne n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fo u r c o u n t r ya n dp r o v i n c e k e y w o r d s ：b l a c kl i q u i d ，s o l a rc o l l e c t o r , t h e r m a lp r o p e r t y i v 广东t 业人学硕f ：研究生学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 4 指导教师签字： 论文作者签字： 厕移 僵专幼 v 。( 年b 月弓日 第市绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪后，人类的经济社会发展对常规能源的需求比以往更大。而常 规能源在全球范围内呈现出供不应求的趋势，因而常规能源价格急剧上升，导致 了全球经济发展的成本大幅度提高，更为严重的是由此而产生对环境的严重污染 问题，对人类生存构成了重大的威胁。可再生能源特别是太阳能的开发利用正逐 渐受到广泛重视。太阳能是目前已知的最原始的能源，可再生、丰富而且遍布全 世界，几乎所有已知的其他能源都直接或间接地来源于太阳能。我国具有丰富的 太阳能资源l l l ：年平均日照2 0 0 0h 以上、辐射总量高于1 6 3 0k w h m 2 y e a r 的地区 占全国总面积的2 3 ，其中青藏高原年辐射量超过2 0 0 0k w h m 2 y e a r ，日照时数超 过3 0 0 0h 。在若干年后常规能耗不可避免要枯竭的形势下，从国民经济持续发展 和能源安全考虑出发，合理综合利用太阳能已经迫在眉睫。太阳能的利用不会减 少地球上的资源，也不会造成环境污染，是任何化学燃料都不能相比的。直接利 用太阳能的形式有光热、光电、光化学三种，这里研究的是太阳能热利用的一种 新系统。由于太阳能热利用受到各种条件的限制，目前还处于初级阶段，还有许 多问题等待解决。总的来说，需要解决三个问题1 2 l ：( 1 ) 提高太阳集热器集热效 率的问题；( 2 ) 降低太阳能利用装置成本与提高使用寿命的问题；( 3 ) 解决低 成本、高效率的储能手段的问题。本项目研究工作是针对前两个问题而提出来的。 太阳集热器的集热效率主要由两个因素决定铆：一是集热器对太阳辐射能的吸收 能力；二是集热器的散热损失程度。显然，要提高集热器的效率，总的原则应该 是，在保持最大限度地吸收太阳能的同时，尽可能减小其热损失。 太阳能热水集热器是目前可再生能源利用中利用效率最高的、唯一可与常规 化石能源竞争的清洁能源利用装置。性能优良的集热器是太阳能热利用系统的关 键。近年来，人们对于太阳集热器的研究主要集中在选择性吸收j 彰涂层方面m ， 而对其它形式的集热器及其吸收材料的研究则相对较少本工作提出了一种新型 太阳能集热器，其集热材料既是太阳辐射的吸收材料又是太阳集热器的传热工 广东- t 业人学硕： ：研究生学位论文 质。在传统的太阳热水集热器中，太阳辐射先被选择性吸收表面吸收，然后再通 过热传导和对流将能量传递至载热工质( 水) 。新型黑液太阳能集热器则利用在 透明玻璃管内的黑色工作流体直接吸收太阳能。图1 1 表示了黑液集热器和常规 集热器的传热过程。 常规集热器 黑液集热器 t s 为吸热面温度、t a 是环境温度、t r 为= t = 作漉体温度 a t = t s - t a 为热损温差、b 为集热器安装倾角 图1 - 1 黑液集热器和常规集热器的传热过程 f i g 1 1t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so f b l a c kl i q u i ds o l a rc o l l e c t o ra n d c o n v e n t i o n a ls o l a rc o l l e c t o r 可以看到，在常规集热器中，最高温度点出现在吸热表面，而在黑液集热器 中，最高温度点则在黑液内部，其透明玻璃管的表面温度比常规吸热板的温度低， 从而有效地降低了集热器的散热损失0 0 4 3 1 。 与常规的平板型和真空管式集热器相比，这种直接吸收式集热系统对太阳辐 射的吸收不仅不需要通过涂覆于金属板或玻璃管表面的选择性吸收涂层吸收而 且热量也不需要通过金属板或玻璃管的热传导再传递至流动热工质，因此热阻较 小。同时，系统对不同入射角的太阳辐射均具有良好的吸收性，即使集热器处于 水平放置时仍具有较高的热效率。据预测，直接吸收式太阳集热系统的集热效率 要比常规的平板型太阳集热器高1 0 0 o - 2 0 0 , 6 。由于集热管内的黑液不存在冻结和 过热等问题，整个集热器也没有金属结构件，因而装置的成本和运行维护费用都 较低。 2 第帝绪论 1 2 太阳能集热器的研究与应用概况 对太阳能利用的专门研究，我国起始于上世纪5 0 年代，太阳能集热器的发 展经历了闷晒式、平板式以及全玻璃真空太阳集热管式三个发展阶段。下面介绍 各种传统集热器的结构和性能特点i t - 啊。 1 2 1 闷晒式太阳能集热器 2 0 世纪7 0 8 0 年代，由于人民生活水平较低，一些生活条件较好的居民为解 决夏天的洗澡问题，发明了各种形式的闷晒式集热器( 汽油桶式、汽车油箱式、 橡胶袋式等) 。但这种形式的集热器存在着效率低、散热快、储水量小、不能在 冬季使用等缺点，无法大面积推广，发展受到限制。 1 2 2 平板式太阳畿集热器 2 0 世纪8 0 9 0 年代，由于能源短缺，在国家的支持下国内许多科研院所、大 专院校开始从事太阳能热得用的研究工作。分别对各种平板集热器，诸如搪瓷盒 式 t 6 1 、扁管式p t i 、重力热管型in s 等的热性能进行了研究，促进了平板集热器的应 用。平板型集热器的一个优点是吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相 同，因此，它对太阳的直接辐射及被大气层反射和散射的漫射辐射都能利用。使 用最广泛的平板型太阳能集热器如图1 2 。 1 2 2 1 常规平板式太阳能集热器的基本结构 吸收板透明盖板 图1 2 平板型集热器的结构简图 f i g 1 - 2s c h e m a t i co f c o n m l c t u r eo f t l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o r 3 广东t 业人学硕 j 研究生学位论文 1 透明盖板由一层或多层透明玻璃或塑料构成。能让太阳辐射透过，但可 阻止吸收板的红外辐射和减少对流热损失，以保证吸热板顶部有较好的绝热性 能。 2 吸收板由金属或非金属制成各种不同的截面形状。表面涂上高太阳能吸 收率的涂层，以便尽可能多地吸收入射的太阳辐射。 3 流体管道流体经循环回路循环吸收吸热板的集热量，大多数集热器将它 与吸热板制成一个整体。 4 绝热材料保温作用，减少向环境散热。 5 集热器箱体：用来支持及固定透明盖板一吸热板，防止外力破坏，并起防 潮作用，保证集热器经久耐用。 1 2 2 2 工作原理 平板型太阳集热器的工作原理 1 9 1 是让阳光透过透光盖板照射在表面涂有高太 阳能吸收率的吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能量后温度升高，一方面将热量传 递给集热器内的工质，使工质温度升高，作为载热体输出有用能量；另一方面也 向四周散热。盖板则起允许可见光线透过，而红外热射线不能透过的作用，也就 是所谓的温室效应，使工质能带走更多的热量而提高太阳集热器的热效率。 1 2 2 3 影响平板集热器性能的关键因素 1 吸热板表面涂层对太阳辐射的吸收率，其值越大越好； 2 透明盖板对太阳能辐射的透射率，其值越大越好；透明盖板对吸热面板长 波辐射的透射率，其值越小越好； 3 集热器边缘及面板支承物对太阳的遮挡尽可能少： 4 绝热材料的性能。 1 2 3 真空管式太阳集热器 1 2 3 1 全玻璃真空管太阳集热器 1 全玻璃真空管太阳集热器的结构全玻璃真空管型太阳集热器是由多根全 玻璃真空太阳集热管插入联箱而组成。一般由集热管，反射板( 有时也可不用) 联箱，尾座和支架组成。根据集热管的安装走向可分为南北向放置和东西向放置 两种。 4 第一章绪论 全玻璃真空太阳集热管由内，外两根同心圆玻璃管构成，具有高吸收率和低 发射率的选择性吸收膜沉积在内管外表面上构成吸热体，内外管夹层之间抽成高 真空，其形状像一个细长的暖水瓶胆，如下图所示。采用单端开口，将内外管口 予以环形熔封；另端是密封半球形圆头，由弹簧卡支撑，可以自由伸缩，以缓 冲内管热胀冷缩引起的应力。弹簧卡上装有消气剂，当它蒸热后能吸收真空运行 时产生的气体，保持管内真空度，结构图如图1 3 。 l 一外玻璃管：2 一内玻璃管；3 一选择性吸收表面；4 一吸气剂：5 真空层 图1 3 全玻璃真空太阳集热管 f i g 1 3s c h e m a t i co f c o n s r u c t u r eo f a l l - g l a s se v a c u a t e ds o l a rc o l l e c t o rt u b e 2 工作原理其工作原理是太阳光能透过外玻璃管照射到内管外表面吸热体 上转换为热能，然后传给内玻璃管内的传热热流体，由于夹层之间被抽成真空， 有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。 1 2 3 2 金属一玻璃结构真空管型太阳集热器全玻璃真空太阳集热管的材质为玻 璃，放置在室外被损坏的概率较大，在运行过程中，若有一根管损坏，整个系统 就要停止工作。为解决此问题，在全玻璃真空太阳集热管的基础上，开发了两种 金属一玻璃结构的真空管，即采用热管直接插入真空管内和应用u 型金属管吸热 板插入真空管内的两种集热管。这两种形式的真空集热管，既未改变全玻璃真空 太阳集热管的结构，又提高了产品运行的可靠性。 1 2 3 3u 型管式真空管型太阳集热器 按插入管内的吸热板形状的不同，有平板翼片和圆柱形翼片两种。金属翼片 与u 型管焊接在一起，吸热的翼片表面沉积选择性材料，管内抽真空管子与玻 璃熔封或u 型管采用与保温堵盖的结合方式引出集热管外，作为传热工质的入、 出口端，其结构如图1 _ 4 。 广东t 业人学硕 ：研究生学位论文 图1 4 全玻璃u 型管式真空集热管 f i g 1 4 l - g l a s se v a c u a t e dut y p es o l a rc o l l e c t o rt u b e 1 2 3 4 热管式真空管型太阳集热器 1 热管式真空管型太阳集热器的结构热管式真空型太阳集热管也有两类：热 管一平板翼片结构以及热管一圆筒翼片结构如图1 5 所示： 图1 5 全玻璃热管式真空集热管 f i g 1 - 5a l l - g l a s se v a c u a t e dc o l l e c t o rt u b e sw i t hh e a tp i p e 2 工作原理太阳光透过玻璃照射到吸热板上，吸热板吸收的热量使热管内 6 第一章绪论 的工质汽化，被汽化的工质升到热管冷凝端，放出汽化潜热后冷凝成液体，同时 加热水箱或联箱中的水，工质又在重力作用下流回热管的下端，如此重复工作， 不断地将吸收的辐射能传递给需要加热的介质。这种单方向的特点是热管性能所 决定的，为了确保热管的正常工作，热管真空管与地面倾角应大于l o 度。 3 性能分析热管式集热器与普通平板型集热器对比，在性能方面有以下特 点： ( 1 ) 由于用热管传输热量，所以可以避免普通的平板型集热器存在的集热管 结冰与管内腐蚀的问题； ( 2 ) 由于重力辅助热管有控制热流方向的作用，热量只能从吸热板向换热器 输送，能防止晚上或阴天时热量的倒流散失； ( 3 ) 热容小，起动性能好； ( 4 ) 只要冷凝段的长度足够长，换热器对流换热热阻足够小，热管式换热器 的热性能可能达到传统的平板型集热器的水平。 。 1 2 4 聚焦型集热器 1 2 4 1 聚焦型集热器的结构聚焦型集热器利用光学系统( 反射器或折射器等) 改 变阳光光束方向，使入射辐射聚集到吸收表面上，以提高能流密度。对于给定的 总能量，表面能流的提高也就意味着吸收表面积的减少，相应地减少了热损失。 因此，和平板型集热器比较，容易提高集热器的供热温度。但是，聚焦型集热器 一般不能收集占太阳总入射辐射2 0 - 4 0 的漫射辐射，而且大多数聚焦型集热器 要有跟踪太阳的装置。对于小聚光比的系统，即使不需要跟踪系统，也存在着如 何制造复杂的聚光系统这个困难的问题。为了保持光学系统的精确度，需要考虑 系统的长期性的防尘、抗氧化和大气腐蚀等问题。 聚焦型集热器的基本结构由聚光器和接收器组成，按照聚焦的方式不同，可 分为：锥形集热器，抛物面集热器，半圆形集热器，复合抛物面集热器，s r t a 集热器，塔式集热器，反射式菲涅耳集热器，透镜聚焦集热器，折射式菲涅耳集 热器。 1 2 4 2 聚焦型集热器的性能分析聚焦型集热器是由聚光器以反射或折射的方式 将投射到光孔上的太阳光集中到接收器上形成焦面，接收器将光能转换成热能， 7 广东t 业人学硕i j 研究生学位论文 再由介质带走。由于接收器上的能流密度可以很高，所以能够达到比平板型集热 器高得多的温度，这就为太阳热能利用提供了有利条件。 由于聚焦型集热器的接收器形状是多样的，表面温度高，边缘和导热影响较 大，所以热损失的计算必须针对具体的接收器形状。表1 1 列出了几种聚焦型集 热器的一些性能参数【i 】： 表1 1 各种聚焦型集热器的性能对比 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r i s o no f v a r i o u sf o c u s i n gs o l a rc o l l e c t o r s 1 3 黑液太阳能集热器国内外研究现状 黑液集热器从提出到现在已有三十多年的历史，黑液集热器的发展过程和其 它太阳能技术的发展过程一样，具有阶段性，本节将对黑液太阳集热器及其相关 技术在近年来的研究进展作一个简要介绍。 1 9 7 4 年，m i n a r d i 和c h u a a g - 0 1 首先提出利用黑液作为吸热材料的直接吸收式 太阳能集热器，并制作了第一个黑液太阳集热器，其外形边框为矩形( 6 1o n x 9 1 5c m ) ，两层玻璃盖板，所用黑液配方为：6 0 w t 的乙二醇+ 4 0 w t 的水+ 3g l 的印度墨水。其集热效率与单层玻璃盖板蜂窝式平板集热器相差无几，但该集热 器的制作工艺要比蜂窝式平板集热器简单得多。尽管文中并没有给出所用黑液的 详细辐射性能数据，但给出的实验结果表明，o 2 5 英寸( o 6 3 5c m ) 深的黑液能 吸收9 8 的太阳辐射能。随后，l a a d s t r o m 等1 3 l 用派克墨水+ 氯化铜溶液作为黑 液，实验并分析了用四种不同厚度( 0 1 5c m ，0 5c r n ，1 0c l i l ，1 5c m ) 的丙烯酸 板制作的黑液集热器的集热性能，均得到了较好的结果。m e a s 等 2 0 1 设计制作了一 个与l a n d s t r o m 所用类似的黑液集热器，他们使用机油为黑液。结果表明，6 衄 深的机油具有最好的吸收性能，但文中并没有解释这个深度是怎样得来的。为了 比较黑液集热器与常规平板型集热器的性能，他们同时还制作了一个类似的铜板 8 第一章绪论 平板型集热器，比较结果显示黑液集热器的集热效率要明显优于常规平板集热 器。r s a 螺m 悄刚等设计和测试了可用于工业的平板太阳集热器。以矩形薄 透明玻璃管作为黑液容器，在容器内高吸收率的黑液直接吸收太阳能。黑液是集 热器内温度最高的部分，容器由双层玻璃和绝热箱围成且没有金属部件。该黑液 平板集热器与常规平板集热器区别在于： 1 ) 太阳能辐射直接被黑液吸收，不需要任何金属作为吸收元件； 2 ) 这种集热器是螺旋形的吸收管道，黑液自外面管道，从集热器边缘逐渐流向 集热器中心，当从中心流出时温度达到最高，所以集热器的热损可减到最少。 3 ) 采用玻璃管后解决传统平板集热器液体对金属管道的腐蚀问题。 4 ) 集热器结构本身只用玻璃管道外加绝热保温材料，并没有金属构件，所以比 传统的平板集热器成本要低。 1 9 8 3 年，日本小松( k o m a t s u ) 公司的k a d o t a n i 等1 2 2 1 设计制作了一种偏心套 管结构的黑液集热器( 见图1 - 6 ) ，所用黑液配方为：5 8 5 w t 的水+ o 0 2 w t 的 活性炭+ 4 0 0 w t 的丙二醇+ 1 0 w t 的弥散剂+ o 1 3 w t 的其它。他们实验了不同 偏心管的排列方式和不同盖板结构对黑液集热器效率的影响，并与带选择性吸收 涂层的平板型集热器进行了比较( 见图1 7 、1 8 ) 。实验结果发现，偏心套管黑 液集热器的集热效率与平板型集热器的集热效率有很大的不同。从图中可以看 出，偏心套管黑液集热器在( z r , ) l l 较小时有很高的集热效率，但是在 ( z r , ) l 较大时集热效率下降得非常快。这与平板集热器或其它黑液集热器的 旷( 霉- t o ) i l 曲线几乎呈线性完全不同。k a d o t a x f i 等解释为这是黑液对太阳辐射 直接吸收导致的结果，但是其他研究者的黑液集热器的集热效率曲线也没有出现 这样的结果。另一种更可能的解释则认为这是由于偏心套管集热器的表面积远远 大于其它黑液集热器，在较高温度时，增加了集热器的热损失。从图1 7 中还可 以看出，稀疏排列的偏心管集热器的热效率要高于紧密排列偏心管集热器的热效 率，这主要是由于稀疏排列时偏心管受太阳辐射的面积增大了。 9 广东t 业人学硕i ：研究生学位论文 外管 图1 石偏心套管黑液流道 f i g 1 _ 6c r o s s - s e c t i o na n do v c ra l ls h a p eo f e c c e n t r i cg l a s st u b e 0 百00 2 0 矗0 4 0 气0 6 百0 石百0 布0 罚2 ( - 2 ，i tts j o i o 1 2 椭2 【，i t ( i i 一? d i 图1 7 不同捧列方式偏心套管集热器的效率曲线 f i g 1 - 7e f f i c i e n c yc u i v 嚣o f e c c e n t r i cd o u b l eg l a s st u b et y p es o l a rc o l l e c t o r s ( d i f f e r e n c ei n l o 第一章绪论 耐广1 扫矗r 1 扫1 e i 广咄一啪 ( t i t - ) c i o 图l - 8 不同结构偏心套管集热器的效率曲线 f i g 1 - 8e f f i c i e n c yc 1 1 v 髑o f e c c e n t r i cd o u b l eg l a s st u b et y p e s o l a rc o l l e c t o r sh a v i n gv a r i o u s $ 1 1 3 1 c t u r 龉 c a m e r a - r o d a 等1 2 3 对黑液太阳集热器进行研究时，在考虑了层流与辐射传递 协同作用的情况下建立了质量、动量和能量的局部平衡方程及其相关边界条件， 得出了系统温度场和速度场的数值模型，计算了系统的热损失和集热效率，分析 了盖板间距、工作流体的光学厚度、平板底面的反射率等参数对黑液集热器性能 的影响，通过用简单模型来模拟预期结果，提供了一些重要的黑液集热器设计标 准。a i a b b a s i 等1 2 4 笛1 利用不同染料混合液作为黑液吸热材料，制作了一种新型液 体集热器，这种集热器无论是从能源利用方面还是经济性方面都是很成功的。此 外，n e g i 等嗍对利用菲涅耳反射器制作的聚焦式黑液集热器进行了初步研究。1 9 8 9 年印度r a t n av e r m a 等研究了黑液结合蓄热材料的适合家庭和工业用热用途的大 型太阳能集热器作为太阳池i z 7 l ；1 9 9 0 年孟加拉大学物理学院研制了采用透明麻粒 玻璃管承载黑液为工质的菲涅耳轻型反射式聚焦型集热器。对该系统做了日运行 的试验，其集热效率近5 0 0 , 6 。 上述黑液太阳集热器的研究阶段主要是在上世纪7 0 年代末至9 0 年代初和 其它太阳能热利用技术一样，在随后的十几年，黑液集热器的发展速度非常缓慢， 9 0 年代以后的相关文献极少。直到本世纪，由于大量燃烧矿物能源，造成了全球 性的环境污染和生态破坏，人们才又开始对太阳能进行大规模研究，黑液太阳集 广东t 业人学硕，i j 研究生学位论文 热器也重新得到人们的重视。2 0 0 5 年，g y a n a p r a k a s h 等【2 8 】以浓度为0 0 3 w t 的黑 墨水溶液作为黑液材料制作了一个简易的黑液太阳集热器。文中对集热器的非稳 瞬态进行了分析，找出了控制集热器性能的各项物理参数，并通过四阶 r u n g e k u t t a 法对集热器系统的控制方程进行了求解，得出了各物理参数的值。通 过对静态和流动集热介质进行的实验分析，发现理论预测结果与实测数据能够很 好的吻合。 中国对黑液集热器的研究相对较少。1 9 7 9 年，台湾大学的黄秉钧教授 2 9 , 3 0 对 抛物线聚焦式黑液太阳集热器进行了实验研究，得出抛物面的反射性能是提高聚 焦式黑液集热器效率的关键。1 9 9 5 年，河南大学的王长顺教授 3 1 1 研制了一种由多 种普通染料的水溶液混合而成的液态光热转换介质。实验发现这种液态集热介质 对太阳辐射的热敏感性能及耐光和耐热腐性能都很好，混合液的稳定性高，并能 获得高达0 7 3 的集热效率。 尽管黑色纯液体太阳集热器在一定程度上能够提高集热器的集热效率，但由 于自身的局限性，其推广应用还存在一些困难：液体集热介质的导热系数不高， 与工作流体的换热效率低；受基液沸点的影响，黑液集热器仅适用于低温供热。 为了解决纯液体集热介质存在的上述不足，于是有研究者提出通过在气液相介质 中添加对太阳辐射具有强吸收能力的微细颗粒来提高黑液集热器的吸热与传热 效率。由于固体的导热系数要远远高于气体和液体，因此，添加了微细颗粒后的 气液相集热介质的传热性能得到了大大提高，集热器的效率也相应的得到了提 高。 黑液太阳集热器是一种直接吸收式太阳能集热器，与间接吸收式集热系统的 常规选择性吸收表面相比，黑液作为太阳能集热工质的优点主要体现在以下几个 方面： 1 黑液太阳集热器利用黑液直接吸收太阳辐射，而不需要加热集热器的其它 部件。 2 黑液太阳集热器的最高温度点出现在黑液内部而不是集热器的表面，大大 降低了集热器的散热损失。 3 黑液对太阳辐射能的吸收是在整个容积中进行的。因此，集热器倾角对黑 液太阳集热器集热效率的影响要小于常规具有选择性吸收表面的集热器，这有利 于其与建筑物的结合 1 2 4 由于黑液太阳集热器对太阳辐射吸收的容积效应，因此整个黑液集热器在 吸热过程中受热均匀，避免了由于集热器的局部不对称受热引起热应力分布不均 从而造成的集热器变形或损坏，降低了对壁面材料长期耐高温的要求，这点对聚 焦式集热器尤为重要。 5 黑液本身的原材料价格也很低廉，而且化学性质稳定。目前用作集热介质 的黑液主要有黑墨水、染料、黑色微细粉末等的气液相悬浮体系以及一些深色的 无机盐水溶液等。 6 黑液集热器的制作工艺简单，不存在复杂的工艺，也节省了由镀膜消耗的 能耗( 如镀膜等) 。 1 4 本研究课题来源及主要研究内容 本研究课题来源于广东省科技计划项目黑液太阳能集热器的性能( 项目编 号：0 6 0 0 9 5 ) 。 本研究以实验为主，理论分析为辅，研究利用非镀膜全玻璃真空管结合黑液 所形成的全玻璃真空管太阳能集热器的集热性能。主要研究的内容有： 1 黑液太阳能集热器随集热工质不同浓度变化而变化，以确定最佳浓度， 达到系统性能和成本的最优化； 2 黑液太阳能集热器随着不同时段的太阳辐照度的变化，集热温度变化情 况； 3 黑液太阳能集热器随着不同安装倾角的变化其温升情况； 4 黑液太阳能集热器真空管阵列中不同管内黑液的温升比较； 5 黑液太阳能集热器黑液箱内黑液温度变化和分层状态； 6 测试黑液太阳能集热系统的性能参数并进行评价。 1 3 广东t 业人学硕i ：研究生学位论文 第二章黑液太阳能集热器的实验方案 2 1 不同安装倾角下黑液太阳能真空管的温升能力 真空管太阳能集热器的安装倾角对集热系统吸收太阳能的量影响很大。对于 常规集热器( 包括全玻璃太阳能真空管集热器、平板集热器) 全年的最佳安装倾 角近似等于当地的纬度缈，而且在最佳值2 0 。范围内变化，对全年收集量 的影响不到5 ，但是当集热器主要用于冬季采热时的最佳倾角，一定不能与全 年使用的最佳倾角相同。而黑液太阳能集热器，与常规集热器的吸热原理有所不 同，因此有必要通过对不同安装倾角下黑液太阳能真空管的温升能力进行实验研 究，获得黑液太阳能集热器的最佳安装倾角。 图2 1 是测量不同安装倾角时真空管内黑液温度上升的情况的示意图，图中 显示的安装倾角为4 5 。，此外本实验还选取了另外三个有代表性的安装角度，分 别为：1 5 。、3 0 。和6 0 。作实验对比。测温热电偶设置在沿真空玻璃管长度方向 的中点处。 图2 - i 安装角度为4 5 。 f i g 2 - i t h ee v a c u a t e dm b e i m m d l e da tt h ea n g l eo f 4 5 。 图2 2 表示的为在相同环境条件、不同安装倾角下实验所获得的太阳能真空 管内黑液的温升情况。 1 4 第一二章黑液太田1 能集热器的实验方案 8 0 7 0 p 捌 霸 4 0 3 0 0 6 = 0 00 7 ：0 00 e ：0 0 0 9 ：0 01 0 0 01 1 1 2 0 01 3 1 ) 01 4 ：0 01 5 ：1 6 ：0 0 时m 图2 - 2 不同安装角度时太阳能真空管的温升 f i g 2 - 2t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s eo f e v a c u a t e dt u b ei n s t a l l e da tv a r i o u sa n g l e s 测试时间为上午0 6 ：0 0 到傍晚1 6 ：0 0 。由图2 2 可知，开始测试时各管的温度 一致，一个小时后各管的温升辐度开始出现差别。从早上7 ：0 0 开始，安装角度为 1 5 。管的温升都明显小于其它三根管并一直维持到1 3 ：3 0 左右；在早上l l 点左右 之前，安装角度3 0 。和6 0 。的温升情况基本一致；在1 1 ：3 0 后安装角度为3 0 。 管比6 0 。的管温升要快，直到1 3 ：0 0 ；但其它三根管始终都是小于安装角度为4 5 。的管并维持到测试结束。同一时间，温度最高的管与最低管的温差达约4 c 。 可得出结论：当安装角度为4 5 。时，管内黑液的温升能力最强。这与文献网得出 的对于广州的太阳能集热器，冬半年最佳安装倾角为4 2 。相符。 2 2 真空玻璃管内黑液的温度分布测试 真空管内的温度测量点布置如图2 3 。测量到管口距离分别为2 5 c m 、7 5 c m 和1 2 5 c m 的真空管截面处的温度值，每处又分别设置内外侧两点，迎光面为外侧， 背光面为内侧。t l l 测管最上端外侧的温度、t 1 2 测管最上端内侧的温度；t 2 i 测管 中部外侧的温度、黾测管中部内侧的温度；t 3 i 测管底端外侧的温度、t 3 2 测管底 端内侧的温度，测试时间为早上7 ：0 0 到晚上1 9 ：0 0 。 1 5 麓 s | 麟 第一二章黑液太阳能集热器的实验方案 管内的自然对流换热越强烈。 2 3 黑液配方的选定 2 3 1 不同溶剂选择 本实验分别选择了自来水和纯净水为溶剂，调配浓度相同的黑液溶液，对它 们的温升能力作比较，从而获得适用的溶剂。不同溶剂的黑液溶液的温度变化如 图2 5 所示： 舱0 00 7 ：0 9 ：0 01 伽0 ”：0 01 2 ：1 3 ：1 4 ：1 5 0 01 6 ：1 7 ： 时问 图2 - 5 用自来水和纯净水分别作溶剂时的温升 f i g 2 - 5t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s eo ft h et a pw a t e xa n dp u r i f i e dw a t e r 船s o l v e n ts e p a r a t e l y 由图2 5 可知，由测试开始到下午1 3 ：0 0 左右，它们的温升情况基本一致； 但从下午1 3 ：0 0 到1 6 ：0 0 之间，用自来水作溶剂的溶液的温升比用纯净水作溶剂 的溶液温升要快，到1 6 ：0 0 以后，两者又趋于一致。综合多方面的考虑，本黑液 太阳能集热器