（热能工程专业论文）平板太阳能集热器的传热分析及设计优化.pdf

摘要 平板太阳能集热器由于结构简单、具有很强的耐用性，并且易与建筑结合而 在诸多领域有着广泛的应用。为了进一步改善平板集热器的热效率，提升其与常 规能源的竞争力，国内外的学者进行了大量的理论和实验研究。 本文首先分析了平板集热器中的能量传递过程及传热系数的计算方法，建立 了平板太阳能集热器的理论计算模型。在此基础上，利用v i s u a lb a s i c6 0 软件编 制了平板集热器的计算程序，该程序紧密结合集热器的实际运行工况，耦合其结 构参数、入口参数、光学参数和环境参数，可模拟计算集热器的翅片效率、效率 因子、热迁移因子和热效率等性能指标。本文结合效率因子和单位面积质量绘制 了吸热板的结构优化图。利用该图可以快速对不同规格集热器的热性能进行分析 比较，还可以对吸热板进行优化设计。本文还通过实验对平板集热器进行了研究， 分别用瞬时法和量热法测试了平板集热器的瞬时效率，将瞬时法和根据数学模型 理论计算得出的效率方程进行了对比，验证了平板集热器理论模型和程序的可靠 性。 本文利用数学模型分析了不同的输入参数对平板集热器热性能的影响。结果 表明： ( 1 ) 当小于1 0 0 w 沏k ) 时，吸热板导热系数对集热器的热性能有强烈的 非线性影响；而大于此值时，影响逐渐减弱。使用铝吸热板代替钢吸热板后，集 热器热效率增加了3 3 5 ；使用铜吸热板代替铝吸热板后，集热器热性能仅增加 了2 7 。 ( 2 ) 针对实验中所用的平板集热器进行了优化分析，在效率因子相同的情 况下，通过变化吸热板的宽度和厚度，铜的消耗量可以减少4 7 8 。 关键词：平板集热器传热分析设计优化理论分析实验研究 a 婆s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o dd u r a b i l i t ya n dh i g h l yf l e x i b i l i t y w h e nc o m b i n e dw i t hb u i l d i n g s ，f l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o rh a sb e e nw i d e l ya p p f i e di n m a n yf i e l d s t of u r t h e ri m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dc o m p e t i t i v e n e s sc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a le n e r g y ，d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v ec o n d u c t e dh u g ea m o u n t so f t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s i nt h i s p a p e r ，t h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e si n v o l v e di nt h ef l a t - p l a t es o l a r c o l l e c t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h em e t h o d so fc a l c u l a t i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n e v e r yp r o c e s sa r es h o w n b a s e do nt h e m , af l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o rt h e o r e t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d ，a n dv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r ei su s e dt op r o g r a mc a l c u l a t i o no ft h e f l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o r c o u p l e dw i t ht h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，e n t r a n c ep a r a m e t e r s ， o p t i c a lp a r a m e t e r sa n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，t h ep r o g r a mi sc l o s e l yi n t e g r a t e d w i t ht h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fc o l l e c t o r ，a n dc a l lb ea p p l i e dt os i m u l a t ef i n e f f i c i e n c y ，e f f i c i e n c yf a c t o r , h e a tr e m o v a lf a c t o ra n dt h e r m a le f f i c i e n c y t a k i n g t h e r m a lp e r f o r m a n c ea n dm a t e r i a lc o n t e n to fa b s o r b e ri n t oa c c o u n t ，ac o p p e ra b s o r b e r s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nm a pi sd r a w n w i t ht h em a p ，n o to n l yt h ec o l l e c t o rt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n sc a nb ea n a l y z e da n dc o m p a r e dq u i c k l y , b u t a l s ot h ed e s i g no ft h ea b s o r b e rp l a t ec a nb eo p t i m i z e d f l a t p l a ts o l a rc o l l e c t o ri s r e s e a r c h e db yt h ew a yo fe x p e r i m e n t s t r a n s i e n tm e t h o da n dc a l o r i m e t r ya r eu s e dt o t e s tt h ei n s t a n t a n e o u se f f i c i e n c yo ff l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o r c o m p a r i n ge f f i c i e n c y e q u a t i o n sd e r i v e df r o mt r a n s i e n tm e t h o da n dp r o g r a mc a l c u l a t i o ni n d i c a t e st h e r e l i a b i l i t i e so ft h ef l a t - p l a t es o l a rc o l l e c t o rt h e o r e t i c a lm o d e la n dp r o g r a m w i t ht h eh e l po ft h ep r o g r a m , t h ee f f e c t sf r o md i f f e r e n ti n p u tp a r a m e t e r so n t h e r m a lp e r f o r m a n c eo ff l a t - p l a ts o l a rc o l l e c t o ra r er e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) i th a sas i g n i f i c a n tn o n - l i n e a re f f e c to nt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ff l a t - p l a ts o l a r c o n e c t o r ，w h e nt h ec o n d u c t i v i t yo fa b s o r b e ri sg r e a t e rt h a n10 0w ( m 。k ) ，o re l s et h e e f f e c ti sg r a d u a l l yw e a k e n e d t h ec o l e c t o rt h e r m a le f f i c i e n c yi n c r e a s e sb y3 3 5 w h e nas t e e la b s o r b e rp l a t ei sr e p l a c e db ya na l u m i n u mo n e ，w h e r e a s ，t h ec o l l e c t o r t h e r m a le f f i c i e n c yi n c r e a s e sb yo n l y2 7 w h e nac o p p e ra b s o r b e rp l a t ei sr e p l a c e db y a na l u m i n u mo n e ( 2 ) t h ec o l l e c t o ru s e di nt h ee x p e r i m e n ti so p t i m i z e d i ti so b s e r v e dt h a tc o p p e r c o n s u m p t i o nc a nb er e d u c e d4 7 8 b yv a r y i n gw i d t ha n dt h i c k n e s so fa b s o r b e r i nt h e c a s eo ft h es a m ee f f i c i e n c yf a c t o r k e yw o r d s ：f l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r ，h e a tt r a n s f e ra n a l y s i s ，p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 平板太阳能集热器的结构 平板太阳能集热器是太阳能低温热利用行业中应用最广泛、也最多的一个关 键部件，其被广泛应用于生活用水加热、泳池加热、工业用水加热、建筑采暖等 诸多领域。 平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和壳体等几部分组成，如图1 1 所示。 透明盖板 吸热板 7 r ，一 i j ， i i 黑 j黑 j| 壳体 保瘟层 图1 1 平板集热器结构示意图 ( 1 ) 吸热板 吸热板是平板集热器内吸收太阳辐射并向流体工质传递热量的部件。用来制 作吸热板的材料很多，通常有：铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢等。吸热板表面 要求具有高的太阳辐射吸收比，以最大限度地吸收太阳辐射能，同时要求有很低 的发射率，以减少辐射热损失。 ( 2 ) 透明盖板 在平板集热器中，透明盖板覆盖吸热板，可以保护吸热板，使其不受外界灰 尘和雨雪的侵蚀，同时形成温室效应，削弱吸热板在温度升高后通过自然对流和 辐射向j f - 界环境散热。常用的透明盖板主要有平板玻璃和玻璃钢板两种。 第一章绪论 ( 3 ) 保温层 保温层即隔热层，集热器底部和四周侧壁填充的一定厚度的绝热材料，以降 低集热器的热损失。它应具备以下特性：1 导热系数低。2 不吸水，不吸湿。3 具 有一定的机械结构强度。 ( 4 ) 壳体 壳体将吸热板、透明盖板和保温层装配成一体，构成一个完整的太阳能集热 器。整个壳体要有一定的整体刚度和机械强度，以便保护吸热板和保温层不受外 部环境的各种损伤和影响，且便于装配。 1 1 2 平板太阳能集热器的应用现状 2 0 0 9 年我国太阳能集热器产量达4 2 0 0 万m 2 ，保有量为1 4 5 0 0 万m 2 ，当年 世界总产量为5 3 8 5 万m 2 ，保有量为2 7 0 0 0 万m 2 ，分别占7 8 3 1 15 4 以上t 1 1 。 中国已是世界上最大的太阳能热水器生产国和消费国【2 1 。表1 1 t 1 1 列出了我国最 近数年内的太阳能集热器产量，从中可以看出，我国太阳能集热器行业发展非常 迅猛。 表1 1 我国1 9 9 8 - 2 0 0 9 年太阳能集热器产量、保有量和增长率 年份产量( 万m 2 )同比增幅保有量( 万m 2 )同比增幅 在太阳能集热器的多种类型中，平板集热器是太阳能低温热利用最常用的关 键部件，同时也是世界太阳能市场的主导产品。国外欧洲1 5 个国家、美洲2 个 国家、大洋洲1 个国家、亚洲3 个国家( 2 1 个国家) 共4 3 3 个太阳能集热器厂家( 含 经销商) 的生产品种统计结果显示：平板太阳能集热器4 0 1 家，占总企业数量 9 2 6 1 ；真空管太阳能集热器1 2 家，占总企业数量2 7 7 ；简易太阳能集热器 2 0 家，占总企业数量4 6 2 ；2 0 0 3 年国外平板太阳能集热器市场销售份额占 乃 3 0 3 5 5 4 1 o o一6 3 3 2 2 2 2 2 2 2 5 1 0 o o 0 0 o o 0 o m x m 0 0 o 0 0 o o 0 0 k 戏戏乳优吼殁眦仳苁孔叭皓弱幅 1 2 2 3 4 5 6 7 9 k k k锄批跳跳 一3 8 8 2 0 h o 0 一钟抛抛必抛叭抛蛳粼m ，0 0 o o o o 0 0 ，l ，l rl，l、j、j_)、j、j、j、j、j瑚湖伽线啪啪m啪啪瑚m伽 8 9 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9鲫鲫触 l l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 第一章绪论 9 4 8 8 ，真空管太阳能集热器占2 4 6 ( 3 1 。显然，世界太阳能集热器市场生产经 营销售的主流是平板型。 在我国，由于成本因素的考虑，情况恰好相反。多年来，我国生产的太阳能 集热器，真空管型占有绝对多数，接近9 0 ，而平板型集热器只有1 0 左右。 1 9 9 9 2 0 0 9 年，我国各类型集热器产量及占有率见表1 2 4 】。从表中可以看出，近 几年，平板集热器产量增加很快，市场占有率也不断上升，为了与国际市场接轨， 其已经成为下一阶段我国太阳能集热器的主要发展方向。 表1 2 我国各类型太阳能集热器产量及占有率 1 2 国内外平板太阳能集热器的研究现状 平板集热器技术是第二次世界大战结束以后发展起来的，在2 0 世纪7 0 年代 第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5 1 。近几年，随着全球能源危机的愈演 愈烈和人类环保意识的逐步加强，平板集热器以其低廉的价格和耐久的使用性， 得到了越来越多的研究和应用。 第一章绪论 1 2 1 国内研究现状 在平板集热器的优化设计方面，张彦峰【6 l 等人对平板集热器中存在的自然对 流现象进行了理论分析，解决了不同倾角集热器空气夹层最佳间距的确定问题， 提出了几种倾角下空气夹层最佳间距的推荐值。陈则涮7 等人研究了平板太阳能 集热器空气夹层间距的确定问题，分析了自然对流换热系数随空气夹层厚度的变 化趋势，还介绍了不同工况下不同空气夹层间距对自然对流换热系数影响的实验。 最终，确定的合理间距为4 6 c m 。崔永亮【8 】等人将方形蜂窝和百叶形蜂窝对平板 集热器热性能的影响进行了三维数值模拟，结果显示在降低集热器顶部自然对流 热损失方面，方形蜂窝要优于百叶形蜂窝。郑振宏【9 】等人对v 形隔热膜平板集热 器进行了理论和实验研究，结果显示v 形隔热膜可以有效抑制对流热损失，减 小顶部热损失系数，提高集热器效率1 0 左右。方铎荣【1 0 】等人采用成本效率法， 建立了平板集热器的优化模型，引入了一组无量纲参数，对自然循环中的平板集 热器进行了优化，使得成本比同类产品降低了3 0 。 在平板集热器的热性能分析方面，张鹤飞 1 l 】对金属直管型、金属蛇形管型、 非金属直管型和非金属蛇形管型四种集热器进行了理论分析，提出了各类集热器 热性能分析的统一方法，并给出了许多无因次图线，可直接用于各类集热器的设 计。刘国别1 2 】对三种典型的非金属平板集热器进行了性能分析，通过对比实验验 证了计算模型的可行性，并表明了密排管式集热器性能优于扁通道带式集热器。 赵军【l3 】等人提出了一种新的集热器吸热板温度分布的简易算法，并将计算结果与 有限元数值计算方法得出的结果进行了对比，表明该简易算法是可靠的。杨小凤 1 4 l 等人对多种集热器的性能进行了理论计算和比较，给出了各种集热器的效率和 入口温度的关系曲线，分析了各种集热器的特点和适用范围。王补宣【l5 】等人综合 考虑了成本、结构和寿命对平板集热器性能的影响，使用经济性能分析评比的方 法研究了吸热板宽度和厚度的优化问题，绘制了这些结构参数的最优化曲线。卞 卫等人【16 用热力学第二定律分析了进i z 温度和流量对平板集热器炯效率的影响， 并研究了求解最大炯效率的方法。 在平板集热器的热性能测试方面，葛新石【17 】提出了一种无室内阳光模拟器时 简单快速测定盖透过率板与吸热板吸收率的有效乘积、效率因子、热迁移因子和 热损失系数的方法。涂颉【18 】等人介绍了平板集热器的热性能测试原理和方法，并 对实验中存在的问题和实验结果进行了分析。徐益掣1 9 】等人介绍了国内外多种平 板太阳能集热器热性能的测试方法，分析了我国平板集热器热性能测试的现状， 比较了常用的几种非稳态测试方法，解释了滤波、最t j , _ - 乘法在非稳态测试方法 第一章绪论 中的应用。罗振涮2 0 1 对强制循环平板集热器进行了效率测试，建立集热器的数学 模型进行了模拟计算，并对理论计算和实验结果之间的误差进行了分析。 1 2 2 国外研究现状 国外对平板太阳能集热器的研究主要集中在优化集热器结构形式、减少热损 失、提高集热效率以及降低成本等方面。 传热理论和模型方面，国外学者建树颇丰。如a m s h a r i a h t 2 1 】通过使用 t r n s y s 软件模拟了平板集热器中吸热板导热系数对自然循环太阳能热水器热 性能的影响。结果显示，低数值范围时，特性因子( 即翅片效率，效率因子和热 迁移因子) 和热水系统的太阳能保证率强烈地依赖于吸热板导热系数。当使用铝 吸热板代替钢吸热板时，集热器的特性因子提高了1 2 一1 9 ，系统太阳能保证 率提高了4 7 。t i r i sc 【2 2 】在对翅片进行传热分析的基础上，计算了吸热板的 热损失系数，研究了不同的翅片形状( 矩形、三角形) 对平板集热器效率和成本 的影响，并以铝吸热板为例，进行了经济性分析。i c i cm a t r a w y 【2 3 】对蛇形管式 ( s t c ) 、管板式( p t c ) 和双平行平板式( t p p c ) 集热器进行了对比研究，针 对不同集热器分别建立了理论分析模型，模拟计算了集热器吸热板温度、全天有 用能和平均效率，模拟计算结果显示，t p p c 效率比s t c 高6 ，比p t c 高1 0 。 b k u n d u 2 4 】在同时考虑温度对集热器热损失系数和吸热板导热系数的影响的基 础上，建立了全新的平板集热器优化模型，研究了环境温度和太阳辐射强度对集 热器优化结构的影响，并对新旧理论模型的优化结果进行了对比分析。j c a d a f a l c h t 2 5 】建立了平板太阳能集热器的一维瞬态数学模型，该模型针对多层盖 板、空气夹层、表面涂层、保温层等不同的结构和部件进行分析，还利用实验数 据对模型结果进行了对比验证。n a k h t a r 2 6 针对双层透明盖板集热器建立了更为 简洁的盖板温度的计算关联式，并将计算结果与根据能量守恒方程求解的结果进 行了对比分析，两种方法得出的顶部热损失系数最大相对误差只有1 。h k a z e m i n e j a d t 2 7 】建立了平板集热器吸热板的一维和二维稳态条件导热方程，在此 基础上求解了吸热板的一维和二维温度场，并进行了对比分析。w e i s e n m a n n 2 8 】 研究了热损失系数和雷诺数对集热器效率因子的影响，分析了翅片尺寸、集热器 重量和集热器效率因子的关系，研究了在恒定效率因子的情况下，计算翅片尺寸 最优解的方法。 实验研究方面，j k n a y a k t 2 9 】对三种测试平板集热器瞬时效率的方法进行了 全面的对比分析，并将瞬时测试结果与基于a s h r a e9 3 8 6 标准的稳态测试结果 进行了对比，结果显示d s c 方法与测量值更加接近。p m e k o f f i 【3 0 j 对自然循环 式间接型太阳能热水器的热性能进行了理论和实验分析，对于集热器的温度分布 第一章绪论 和质量流量，理论预测和实验结果呈现了较高的一致性。m j c a r v a l h o 3 1 1 等人 对比了d s t ( i s o d i s 9 4 5 9 5 ) 和c s t g ( i s o9 4 5 9 2 ) 两种集热器性能测试方法，并 给出了两种方法的性能测试结果和它们之间的转换因子。e h a m e r 3 2 等人介绍 了一种新的平板集热器非稳态测试方法，该方法基于一种集中热容模型，其由基 本的能量守恒关系导出，将吸热板、上升管、联管和流体集中到一点，该点温度 等于流体的平均温度，模型中定义的特性参数可与稳态测试结果直接比较，该方 法经过多种天气条件测试的验证，测试过程中只需控制质量流量，并且测试结果 与a s h r a e9 3 8 6 标准的稳态测试结果相差在3 以内。 根据对国内外相关文献的调研分析可知，目前已有的平板集热器理论计算模 型中有的只着眼于集热器的某一部分进行分析和优化，不适用于集热器整体的热 性能评价；有的模型使用了过多的假设和简化，脱离了平板集热器实际运行的工 况，使得结论的应用范围受到了很大的限制；有的模型采用的理论模型比较复杂， 不便于工程计算和设计的需要；还有的模型在优化过程中过度重视了热性能的改 善，忽视了作为一款规模化推广应用产品的经济性、稳定性和实用性的重要性。 1 3 该课题的研究意义及主要研究内容 1 3 1 该课题的研究意义 太阳能是一种可以就地取用的巨大无污染的绿色自然能源，是国际公认的工 业社会和后工业社会未来的能源之星，能从根本上解决人类未来面临的能源和环 境问题。现阶段，平板太阳能集热技术相对于其他可再生能源技术来说更加廉价 成熟，所以，发展高效平板太阳能集热技术并大力推广，使用太阳能解决部分甚 至全部生活热水可以减轻对化石燃料的依赖，节约大量常规能源，是近期大幅度 削减煤耗实现节能减排的现实途径，对我国发展、推行低碳经济，改善生态环境 和应对全球气候变暖具有重大的意义。 1 3 2 该课题的研究内容 本文从平板集热器的热力学模型出发，对平板集热器进行了传热分析、热性 能分析以及实验研究，主要内容包括以下几方面： ( 1 ) 分析了平板集热器中的能量传递过程及传热系数的计算方法，建立了 平板太阳能集热器的理论模型。 ( 2 ) 利用v i s u a lb a s i c6 0 软件编制了平板集热器的计算程序，程序紧密结 合集热器的实际运行工况，实现了多参数输入下集热器热效率的模拟计算。 第一章绪论 ( 3 ) 利用建立的平板集热器数学模型，研究了不同的结构参数、入口参数 光学参数和环境参数对平板集热器热性能的影响。 ( 4 ) 结合效率因子和单位面积质量绘制了吸热板结构优化图，解决了铜制 吸热板几何参数的最优化问题，为平板集热器的优化设计提供了新的思路。 ( 5 ) 设计了平板集热器热性能测试试验台，用瞬时法和量热法测试了集热 器的热效率，将测试结果和程序计算结果进行对比，验证了模型和程序的可靠性。 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 平板太阳能集热器的能量守恒关系如图2 1 所示。投射到集热器上的太阳辐 射能，大部分穿过透明盖板入射到吸热板上，小部分被盖板吸收和反射回天空。 到达吸热板上的太阳辐射能，大部分被吸热板吸收并转化为热能，导向上升管， 小部分被吸热板反射回透明盖板。工质从集热器进口进入，流到上升管时，被导 向上升管的热能加热，温度不断升高，带着有用能从集热器出口流出。如此循环， 将入射的太阳辐射能逐渐储存到水箱中，成为有用能。与此同时，透明盖板和壳 体不断向环境散失热量，形成集热器的热损失。这样的换热循环过程，持续进行 直到吸热板温度到达某个稳态点时为止。这就是平板太阳能集热器的工作原理。 q 址q k 。q b i a a 手皇皇 ，r ? ， 盖板二二二二二二二二二二主二三二艺三二二 、j 吸热板 保温层 1 rq 1 h 图2 1 平板太阳能集热器的能量守恒关系图 2 1 平板集热器的能量守恒方程 根据能量守恒定律，单位时间集热器内能的增量等于相同时间内投射在集热 器采光面上的太阳辐射能减去集热器的光学损失、热损失和输出的有用能。因此， 集热器的能量守恒方程为： 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 q = a o i - q , 。一q f ， 一q ( 2 - 1 ) 式中，q 为单位时间内集热器的内能变化，w ；以为集热器采光面积，m 2 ；，为 集热器采光面上的太阳辐射强度，w m e ；q ，。为单位时间内集热器的光学损失， w ；9 。为单位时间内集热器的热损失，w ；q 为单位时间内集热器输出的有用 能，w 。 ( 1 ) 单位时间内集热器内能的增量q 可以用以下公式表示， q = 沏c ) d 讲r ( 2 2 ) 式中，( m c ) 为集热器的热容量，j k ；t 为集热器温度，k ；t 为时间，s 。 稳态工况时，q = 0 。非稳态工况时，如早晨太阳升起，吸热板温度升高，集 热器各部件将不断地吸热储能；反之，傍晚太阳落山，吸热板温度下降，集热器 各部件将不断地放热释能。 根据国家标准g b t4 2 7 1 2 0 0 7 太阳能集热器热性能试验方法，本文主 要进行平板集热器室外稳态效率的测试。为了便于对比分析，平板集热器热性能 理论模型的建立也在稳态条件下进行。所以，本文此后若无特别指明，均为稳态 工况，即q 。= 0 。此时， q = 4 ，一q ，。一q ，。 ( 2 - 3 ) ( 2 ) 平板集热器的有用能q 可以用以下公式计算， q = 0 吼( 弓，。一弓，) ( 2 4 ) 式中，勺为集热工质的定压比热容，j ( k g 。k ) ；g 。为集热器工质的质量流量， k g s ；弓 d 、弓、，分别为集热工质的出口温度和进口温度，k 。 ( 3 ) 平板集热器的光学损失q 。主要与盖板的透过率和吸热板涂层的吸收率 有关，具体关系可用如下公式表示： a 3 - q , 。= 4 ( r a ) 。， ( 2 - 5 ) 式中，( 似) 。为吸热板透明盖板系统的透过率- 吸收率有效乘积，具体计算方法见 下节。 ( 4 ) 集热器的总热损失q ，。可以用以下公式计算， q 。= 4 u 。( 乙，一乙) ( 2 6 ) 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 式中，巩为集热器的总热损失系数，w ( m 2 、k ) ；疋如为吸热板温度，k ；为 环境温度，k 。只要吸热板温度高于环境温度，集热器吸收的太阳辐射能中必定 有一部分会散失到环境中去，这部分散失到环境中的热量，构成了集热器的热损 失。吸热板的温度乃缸是集热器各部件中最高的，所以集热器的热损失以乃幻和 环境温度乙之间的温差来表述。 2 2 盖板吸热板系统的有效透过率吸收率乘积 确定太阳能集热器的光学损失，需要知道盖板吸热板系统的有效透过率一吸 收率乘积，即( 似) 。项。投射到集热器采光面上的太阳辐射能，被盖板反射和吸 收一小部分，其余的大部分透过盖板到达吸热板表面。这一透过的百分数，即为 盖板的透过率f 。透过的这部分太阳辐射，被吸热板反射一小部分，其余的大部 分被吸热板吸收。这一吸收的百分数，即为吸热板的吸收率口。也就是，入射太 阳辐射中约有碱部分为吸热板吸收，t o - a ) 部分被吸热板反射回盖板，这部分 已经是散射辐射，其中r ( 1 一a ) 儿部分又被反射回吸热板。如此反复吸收和反射， 一直持续下去，直至无穷，如图2 - 2 所示。将此过程中吸热板所吸收的太阳辐射 求和，即可得到吸热板最终所吸收的太阳辐射，即透过率吸收率乘积为【3 3 j ： ( 似) = 缎薹【( 1 一岛 ”= 三1 - ( 1 - a ) p a ( 2 - 7 ) 月= o 式中，r 为透明盖板的透过率，口为吸热板的吸收率，且均为测量值。p a 为盖 板对散射辐射的反射率。对于由一、二、三、四层平板玻璃组成的盖板系统， 助 值分别为0 1 6 、0 2 4 、0 2 9 、0 3 2 。 入射辐射 ) 2 0 d 2 图2 2 盖板和吸热板之间太阳辐射的透过、吸收和反射过程 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 太阳辐射经过透明盖板时被吸收一部分能量，对整个集热器来说，并非损失。 因为被盖板吸收的这部分辐射能会提高盖板温度，减少吸热板向透明盖板传递的 热损失。从效果上来讲，相当于增加了透明盖板的透过率。因此可以定义为有效 透射率- 吸收率乘积( 似) 。对于具有n 层盖板的集热器有3 4 1 ： ( 讹) 。= ( 讹) + a 1 ( 1 - e 一为上1 ) + 口2 ( 1 - e - k 2 g ) + 口3 2 1 r 2 ( 1 一e - k 3 l 3 ) + ( 2 8 ) 式中，a ，、口：、a ，为常数，由表2 - 1 查得；k ，为第i 层透明盖板的消光系数， 对于含铁量低的水白玻璃k = 4 ( 1 m ) ，绿边玻璃k _ 3 2 ( 1 m ) ；t 为第i + l 层 透明盖板的透过率；l i 为太阳辐射在第i 层盖板中的实际行程长度。在实际计算 中，l ，、l 2 、l 3 的数值要根据相应各层盖板的实际厚度和太阳辐射入射角b 进行计算，即 l =( 2 9 ) 式中，皖为透明盖板厚度，m ；b 为太阳辐射入射角，。；因为平板集热器室外 稳态效率测试要求太阳辐射入射角为0 ，所以本文中伊= 0 。；n 为盖板的折射率， 对玻璃平均值为1 5 2 ，对透明塑料平均值为1 5 9 。 表2 - l 式( 2 8 ) 中常数a ；的值 吸热板发射率p 透明盖板层数 倪 o 9 50 5 0 0 1 0 1 口1 o 2 7o 2 10 1 3 呸 0 1 5o 1 20 0 9 2 口2 o 6 2o 5 30 4 0 口l 0 1 4o 0 8o 0 6 3 a 2 0 4 50 4 00 3 1 口3 0 7 50 6 7 0 5 3 特殊地，对于本文研究的单层玻璃盖板集热器有： ) 。：( 讹) + 0 2 7 ( 1 一pj 1 - ( 剖) ( 2 1 0 ) 4 ；二! ；一 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 2 3 平板集热器的总热损失系数 总热损失系数是指集热器中吸热板与周围环境的平均传热系数。如图2 - 3 所 示，平板集热器的总热损失，由顶部、底部和侧壁热损失三部分组成，即 q ，。= q ，+ q b + q e ( 2 - 1 1 ) q ，= a o u ( 一乃) ( 2 1 2 ) a b = a o ( 疋如一) ( 2 - 1 3 ) a e = 4 w e ( 乙一乃) ( 2 - 1 4 ) 式中，q f 、a b 、q e 为集热器顶部、底部和侧壁的热损失，w ；u 、乩为 集热器顶部、底部和侧壁的热损失系数，w ( m 2 k ) ；如图2 - 4 所示，4 、4 分别为集热器采光( 底部) 面积和侧壁面积，m ? ；r o 幻为吸热板温度，k ；乃为 环境温度，k 。 1 。j u e 图2 3 平板集热器的总热损失构成 将式( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 1 ) 和式( 2 - 6 ) 可以得到集热器的总热损 失的分析式，即 q 。= 4 u ( k 一瓦) + a o ( 乙一乃) + 4 玑( 乙。一) = a 。叽( 乙。一乃) ( 2 15 ) 于是集热器的总热损失系数为 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 侧 壁 面 积 a 。1 = u + + 丢虬 总面积a g 一，一一一 小、。墨型鱼厦积+ 叁 l 盖板 “m 。_ 。 x l 僻抽烁 l t 以7 烈1 z k 鬻溪 保温层 瓣 1i r u b 图2 4 集热器采光面积示意图 2 4 平板集热器传热过程分析 ( 2 1 6 ) 为了计算集热器各部分的热损失系数，需要先了解集热器运行中所涉及到的 不同的传热过程。为了便于说明，按图2 5 所示标号，定义集热器不同温度的平 面：盖板外表面记为c l ，盖板内表面记为c 2 ，吸热板记为a b s ，集热器侧壁外表 面记为e ，集热器底部外表面记为b ，环境记为a 。 图2 5 平板集热器模型的主要传热面 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 如图2 - 6 所示，集热器运行过程中涉及到的内部和外部传热过程主要包含以 下几方面： 1 盖板外表面对天空的辐射和对流传热 2 盖板内表面和吸热板之间的自然对流和辐射传热 3 吸热板和底部外表面( 通过保温层) 的导热换热 4 集热器外表面( 底部和侧壁) 与环境之间的对流传热和辐射传热 用热阻网络图进行分析，并把图2 - 6 所示的网络形式转化为图2 7 所示的形 式，可以大大简化上述传热过程的分析。图2 - 6 给出了单层盖板平板集热器的热 网络图，t a b s 是吸热板温度，t 。1 是盖板外表面温度，t 。2 是盖板内表面温度，t 。是 环境温度，t b 是集热器底部温度，t 。是集热器侧壁外表面温度。下标中e o n d 表示 导热传热，c o n v 表示对流传热，r 表示辐射传热。图2 6 标出的所有热阻都是比 热阻，图2 7 上各个r 是两面之间的热阻，图2 6 和图2 7 完全对应。 图2 6 按导热、对流和辐射热阻表示的集热器热网络图 图2 7 按两面之间热阻表示的热网络图 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 2 4 1 平板集热器传热模型的建立 盖板外表面与天空间的换热由两部分组成，对流换热与辐射换热。由图2 - 6 知，对流热阻为_ 二一，辐射热阻为_ l ，和这两个并联热阻等效的是图2 - 7 n n v , c l o n r c l 一n 所示的r l 。所以盖板外表面对环境的换热热阻r ，为： 弘瓦工鬲1 2 砭了1 瓦( 2 - 1 7 ) “去卜“丧倪m v d 制2 d 1 由图2 - 6 和图2 7 可见，r 2 是盖板的导热热阻。 见：l( 2 1 8 ) 吸热板与盖板内表面之间有对流换热和辐射换热。由图2 6 知，对流热阻为 _ l 一，辐射热阻为_ 二一，和这两个并联热阻等效的是图2 7 所示的r s 。 ，m a b s - c 2h r 口b s c 2 所以，吸热板对盖板内表面的换热热阻r 3 为： b 2 吒甄1 。去( 2 1 9 ) 由图2 - 7 可知，吸热板到天空的热阻等于( r i + r 2 + r 3 ) ，顶部热损失q 可由 下式计算： q = 篱蛊( 2 - 2 0 ) 同时，顶部热损失q f 可用顶部热损失系数u t 来表示，即 q f = 以( 乙。一乃) ( 2 2 1 ) 将式( 2 1 7 ) ( 2 1 9 ) 代入式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) ，可得 ( 2 2 2 ) 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 吸热板与集热器底部外表面之间只有保温层的导热热阻，其值为土。 所以吸热板对集热器底部外表面的导热热阻r 4 为 r 4 ：士 ( 2 2 3 ) 集热器底部外表面与外界环境的换热由两部分组成，一部分为空气与集热器 底部的( 自然和强制) 对流换热，另一部分为集热器底部与周围固体壁面( 屋顶 或阳台外立面) 的辐射换热。由图2 - 6 知，对流热阻为_ 二一，辐射热阻为， ，k 。b - 。协6 口 和这两个并联热阻等效的是图所示的r ，。所以，集热器底部对环境的换热热阻 r 5 为 恐2 砭了1 百2 i 1 瓦 泣2 4 ) 由图2 7 可知，吸热板到集热器底部环境的热阻等于( r 4 + r 5 ) ，底部热损 失q 可由下式计算 q = 等 协2 5 ， 同时，底部热损失q 可用底部热损失系数u b 来表示，即 q = 么。( 撕一) ( 2 2 6 ) 将式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 代入式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) ，得 ( 2 2 7 ) 集热器除了顶部热损失和底部热损失，还有侧壁热损失。集热器侧壁热阻可 用图2 7 中两个串联热阻和r 7 表示。是集热器侧壁保温层的导热热阻，r 7 是侧壁对环境的对流和辐射换热热阻。 由图2 - 6 和图2 7 ，可得 1 r 6 = _ 上 ( 2 - 2 8 ) 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 牛吒阿1 。瓦1 瓦 ( 2 - 2 9 ) 由图2 - 7 可知，吸热板到侧壁环境的热阻等于( r 6 + r 7 ) ，侧壁热损失q 可 由下式计算 q = 等乎( 2 - 3 0 ) 同时，侧壁热损失q 可用侧壁热损失系数u 。来表示， q = 4 玑( 瓦- l ) ( 2 3 1 ) 将式( 2 - 2 8 ) 和( 2 - 2 9 ) 代入式( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) ，得 2 4 2 平板集热器传热过程计算 ( 2 3 2 ) ( 1 ) 盖板外表面与环境的辐射换热系数珥一一。 为了计算盖板外表面与天空之间的辐射换热量，可将天空等效成一个温度为 t s l ( v 的黑体。天空温度t s k ，可由环境温度t 。按照如下公式计算得到吲： = 0 0 5 5 2 ( t o ) 1 。5 ( 2 3 3 ) 盖板外表面和天空的辐射热流密度c , , c l - - a tf ht 式得到： g ，一。= 鬈】仃( 露一磕) ( 2 - 3 4 ) 盖板外表面与环境的辐射换热系数吃一一。可由下式得到： 缉一# 印磊z c ：- t 4 l ( 2 - 3 5 ) 式中，s 。，为盖板外表面的发射率；仃为斯蒂芬一波尔兹曼常数，0 - = 5 6 7 x1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) ：r c 。为盖板外表面的温度，k ；乙为环境温度，k 。 ( 2 ) 盖板外表面与环境的对流换热系数k 。小。 第二章平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析 确定由风的自然和强制对流引起的从盖板外表面到环境的换热是非常复杂 的。相关文献中介绍了很多由实验拟合所推导的关联式。其中，对流换热系数理 论上与集热器的尺寸、倾角、湍流度等参数相关，但出于简化计算的考虑，很多 学者都将关联式写成如下线性函数的形式： 丸= 口+ b w ( 2 3 6 ) 式中，a ，b 为常数；w 是风速，i n s 。在太阳能热利用理论中，最常用的由风弓 起的对流换热模型是下式3 6 】： h 。= 5 7 + 3 8 w ( 2 3 7 ) 因为此时盖板外表面与环境的对流换热由风引起，所以 k 1 。= h w = 5 7 + 3 8 w ( 2 - 3 8 ) ( 3 ) 盖板的导热传热系数k 砒。啦 通过集热器盖板的导热换热系数由下式给出： h c o n d , c l - - c 2 - l c l - _ c l - c 。2 i ( 2 3 9 ) 式中，丸。、：为盖板的导热系数，w ( m k ) ；l 。，啦为盖板的厚度，m 。 ( 4 ) 吸热板和盖板内表面之间的辐射传热系数缉咖啦 吸热板和盖板内表面之间的辐射热流密度由下式给出： g r 口如。：= 仃f t 4 、t j 4 ( 2 4 。) 幺，s 小 式中，t c 2