（工程热物理专业论文）cpc热管式真空管集热器传热模型的分析.pdf

摘要 本论文对c p c 型热管式真空管集热器进行了理论研究，得出了复合抛物面 的系统方程，构建了复合抛物面对太阳辐射的吸收模型和热管式真空管的传热模 型，并通过计算分析得出了c p c 型热管式真空管集热器瞬时集热效率与流体温 差的变化关系。 文章首先简要介绍了目前我国的能源状况，我国太阳能开发利用的优势，以 及太阳能的热利用状况，在此基础上提出了本文的研究课题。c p c 型热管式真 空管集热器将复合抛物面和热管式真空管技术相结合，作为创新点，本文采用的 热管式真空管中的热管为分离式热管。第二个创新点是将太阳能选择性吸收涂层 涂在热管外表面和肋片表面，不同于以前涂在真空管内管表面。 其次，根据杭州市的地理位置计算得出了杭州市的太阳辐照强度，可以看出 杭州一年中7 月份的太阳辐射最强，每小时太阳辐照强度的月平均值达到了 8 1 9 6 3 w m 2 ，平均每天日照时间最长为1 3 9 5 h 。然后根据c p c 型热管式真空管 集热器复合抛物面的结构、安装位置和传热学基本原理，建立了c p c 复合抛物 面的系统方程以及对太阳辐射的吸收模型，最后计算出了7 月份到达c p c 型热 管式真空管集热器接收器上的太阳辐射量。 最后，应用传热学基本原理，构建了c p c 型热管式真空管集热器中热管式 真空管的传热模型。热管式真空管的内、外管之间是真空状态，所以对流和导热 可以忽略不计。但是真空管内管与热管都存在着对流换热和热辐射。本文分析了 c p c 热管式真空管集热器的传热模型，并对c p c 热管式真空管集热器进行了光 学分析和传热学分析，最终得出了集热器的效率公式以及集热器瞬时集热效率与 流体温差的变化关系。由于真空管内部采用分离式热管后，管内强制对流沸腾， 过程很复杂，通常采用试验数据拟合的方法给出对应沸腾换热系数的关系式。 计算结果表明根据c p c 型热管式真空管集热器充分发挥了聚焦后能量密度 提高的优势，适合在类似杭州这种江南典型气候地区使用，这种集热器在今后的 发展中将有很大的潜力。 关键词：太阳辐照强度；复合抛物面；热管式真空管；分离式热管；吸收模型； 传热模型 a b s t r a c t c p ch e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o rw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s t b es y s t e m e q u a t i o no ft h ec o m p o u n dp a r a b o l i cw a so b t a i n e d , t h es o l a rr a d i a t i o na b s o r p t i o n m o d e lo ft h ec o m p o u n dp a r a b o l i ca n dt h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo ft h eh e a tp i p e e v a c u a t e dt u b u l a rw e r ec o n s t r u c t e d t h er e l a t i o u s h i po ft h ei n s t a n t a n e o u sc o l l e c t o r e f f i c i e n c yo fc p ch e a tp i p e e v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o ra n dt h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n e eo f t h ef l u i dw a ss o l v e d f i r s t l y , t h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ee n e r g yd e v e l o p m e n ta n dt h ea d v a n t a g e st o e x p l o i ts o l a re n e r g yi nc h i n aw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h eh e a tu t i l i z a t i o nc o n d i t i o no f t h es o l a ri sa l s oe x p o u n d e d , w h i c hi st h eb a s i so f t h i ss t u d y c p ch e a tp i p ee v a c u a t e d t u b u l a rc o l l e c t o ri n t e g r a t et h ec o m p o u n dp a r a b o l i ca n dt h eh e a tp i p ee v a c u a t e d t u b u l a rt e c h n o l o g y , a sn i li n n o v a t i o n , t h es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p ew a su s e di nt h eh e a t p i p ee v a c u a t e dt u b u l a ri nt h i sp a p e r t h eo t h e ri n n o v a t i o ni st h a tt h es e l e c t i v ec o a t i n g w a sc o v e r e do nt h es u r f a c eo ft h eh e a tp i p ea n dt h ef i n s ，n o to nt h es u r f a c eo fi n n e r t u b eo f t h ee v a c u a t e dt u b u l a ra sb e f o r e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o t h el o c a t i o no fh a n g z h o u ，t h es o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yi n h a n g z h o uw a so b t a m e d , a n di t i s o b v i o u st h a tt h es o l a rr a d i a t i o no fj u l yi st h e s t r o n g e s ti nh a n g z h o u , h o u r l ya v e r a g ei n t e n s i t yo fs o l a rr a d i a t i o nr e a c h e s8 1 9 6 3 w m 2i ne v e r ym o n t h t h ed a i l ya v e r a g es u n s h i n ew h i c hi st h el o n g e s tt i m ei nay e a r i s1 3 9 5 h a c c o r d i n gt ot h ec o m p o u n dp a r a b o l i cs t r u c t u r eo f c p ch e a tp i p ee v a c u a t e d t u b u l a rc o l l e c t o r , t h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o na n dt h eh e a tw a n s f e rt h e o r y , t h e - i o l a r r a d i a t i o na b s o r p t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h e nt h ea m o u n to f s o l a rr a d i a t i o no f t h e r e c e i v e ri nc p ch e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o r i nj u l yi nh a n g z h o uw a s c a l c u l a t e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so f h e a tt r a n s f e r , t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo f h e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a rw a sp r o p o s e d f o rt h eh e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a r , b e c a u s ei t i sv a c u u mb e t w e e nt h ei n n e ra n dt h eo u t e rt u b e , t h ec o n v e c t i o na n d c o n d u c t i o nc a nb eu e g l e c t e d ，b u tt h e r ei sc o n v e c t i v ea n dr a d i a t i o nf o rt h ei n n e rt u b e o ft h ee v a c u a t e dt u b u l a ra n dt h eh e a tp i p e t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo fc p ch e a tp i p e e v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o rw a ss t u d i e d , t h e nt h ei u s t a n t a n e n u sc o l l e c t o re f f i c i e n c y e q u a t i o nw a so b t a i n e dt h r o u g ht h eo p t i c a la n a l y s i sa n dh e a tt r a n s f e ra n a l y s i sf o rt h e c o l l e c t o r , a sw e l la st h er e l a t i o n s h i po ft h ei n s t a n t a n e o u sc o l l e c t o re f f i c i e n c yo fc p c h e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o ra n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h ef l u i d t h e e v a p o r a t i o ns e c t i o no ft h es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p ei sv e r t i c a l ，w h e nt h ef o r c e d c o n v e c t i o nb o i l i n gi so c c u r r e di nt h eh e mp i p e ，t h ep r o c e s si sv e r yc o m p l i c m e d , w h a t w ec a nd oi st of i tt h ec o r r e s p o n d i n gb o i l i n gh e mt r a n s f e rr e l m i o u s h i pa c c o r d i n gt ot h e p r e v i o u se x p e r i m e n t a ld a t a t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c m e dt h a tc p ch e mp i p ee v a c u m e dt u b u l a rc o l l e c t o r f u l l yp l a y e dt h ea d v a n t a g e so fe n h a n c i n ge n e r g yd e n s i t ya t t e rf o c u s i n 岛m e a n w h i l ei t i se a s yt oc o m b i n ew i t l lt h ec o n s t r u c t i o ni nh a n g z b o u t h e r e f o r et h e r ew i l lb eg r e a t p o t e n f i a lf o rc p c h e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a rc o l l e c t o ri nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t y ；c o m p o u n dp a r a b o f i c ；h e mp i p ee v a c u a t e d t u b u l a r ；s e p a r a t e dt y p eh e a tp i p e ；a b s o r p t i o nm o d e l ；h e mt r a n s f e rm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 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谢意。 学位敝作者虢石玲签字嘞唧年7 r 月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权迸姿盘鲎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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 - 7 - 、厶 户兮 辩醐：唧年厂月2 0 h 导师签名： 签字日期：矽7 年7 月跏日 蜗：l 瑚s 毫、 7 毒 邮编：弓矿口2 亍，卜 q o 钊 舢姚 哆褊严 呷知岛 i 叫“猞荔獬 蚯博忙 毕 灿 升 阱枷枷 文 位 址 论 单 地 位 作 讯 学 工 恿 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着工业时代的开始，先是煤，然后是石油，最后是天然气成为社会变革的 推动力。但是能源问题是当今世界的重大问题之一，各国政府都把建立可靠、安 全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济战略重点。在社会经济发展过程中， 能源是经济发展中的重要支柱资源。如何根据经济形势的变化，按照可持续发展 的要求，制定能源可持续发展战略，已成为政府决策部门和学术界普遍关注的课 题。 我国一次能源蕴藏丰富，占到世界总储量3 9 。根据多年地质勘探工作的 结果，我国常规能源( 包括煤、油、气和水能) 探明( 经济可开发) 剩余可采总储量 为1 3 9 2 亿吨标准煤，约占世界总量的1 0 1 。能源探明总储量的结构为：原煤 8 9 3 4 ，原油3 5 ，天然气1 3 ，水能5 9 。能源剩余可采总储量的结构为： 原煤5 8 8 ，原油3 4 ，天然气1 3 ，水能3 6 5 嘣见表1 ) t ”。 我国能源的总储量虽然占世界能源总储量的3 9 ，但是，如果按人均计算 则仅及世界平均水平的1 9 4 ，即就人均能源占有量而言，我国是一个能源非常 短缺的国家。 表12 0 0 3 年我国一次能源资源储量及结构 能源消费强度是反映能源消费数量和g d p 之间比例关系的指标，即 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 能源消费强度= 黼 表2 为2 0 0 3 年世界主要国家g d p 能源消费强度，从图中可以看出，虽然我国人 均能源占有量非常低，但是我国的能源消耗强度却非常高，2 0 0 3 年，我国能源 消耗强度是日本的6 9 倍，德国的4 3 倍和美国的3 3 被，总体上主要工业产品 的能源消耗强度比国外高3 0 以上【1 】。 表2 2 0 0 3 年世界主要国家g d p 能源消费强度他标煤美元) 同时能源的不合理利用也使得我国的自然环境严重污染，因此开发再生能源 已成为我国可持续发展的迫切需要。 太阳能每年提供给地球的免费辐射能量多达5 4 x1 0 2 4 j ，相当于人类目前能 源总消费量的上万倍，并且不会产生开发利用化石燃料带来的环境污染、温室效 应等问题，因此对太阳能的开发利用必将在2 1 世纪得到长足的发展，并将在世 界能源结构转移中担任重任，成为2 1 世纪的主导能源。我国是太阳能相对富有 的国家，全国有2 3 以上的地区，年辐照量大于6g j m 2 ，年日照时数在2 2 0 0h 以上。据估算，我国地表面每年接收的太阳辐射能约为5 0 x 1 0 1 9 k j ，相当于1 7 0 0 亿吨标准煤。全国各地太阳辐射总量达3 3 4 0 m j - m 2 年8 4 0 0m j m 2 年一，中值 为58 5 2m j m 2 年 2 , 3 1 。 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 太阳能利用技术主要是指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术， 其中的太阳能一热能转换是历史最为久远、开发最为普遍的，是可再生能源技术 领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。 1 2 我国的太阳能热利用状况 我国的太阳能热利用有太阳能热水器、太阳能热发电、太阳灶、太阳房、太 阳能干燥器和太阳能制冷等，太阳池、太阳能海水淡化尚处于实验研究阶段。 一、太阳能热水器 太阳能热利用领域获得的科技成果不同程度地转入产业化生产，节能和社会 效益十分明显。其中低温热转换装置太阳能热水器应用最为广泛。我国太阳能热 水器产业初步形成于8 0 年代后期。随着人民生活水平的提高，对生活热水需求 的增长，促使太阳能热水器产业迅速发展。国际上，太阳能热水器产品经历了闷 晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展。目前热水器产品的发展方向仍注重提高 集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少 热量损失。 目前在提高集热器效率的研究领域，主要在以下几个方面取得了较大进展： ( 1 ) 透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究。透明蜂窝是应用广泛的透明隔热材料， 将透明蜂窝应用于太阳能热水器的核心部件集热器的研究，成为目前太阳能热 水器发展的一个重要趋势。透明蜂窝机构中的网格把其中的空气分割成很多相互 隔离的微小空气单元，在一端或者两端封闭的情况下能有效抑制单元内自然对流 的形成，使热损系数降低，提高隔热性能。透明蜂窝具有“热二极管”的作用， 既能透过太阳辐射，又具有优异的隔热性能【4 】。透过率和热损系数是透明蜂窝结 构的两个主要性能参数，多年来人们在不断地研制不同构造的透明蜂窝结构以期 获得热损低而透过率高的透明隔热材料。( 2 ) 真空管太阳能热水器的研究。真空 管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成，换热原理为自然对流 换热。作为真空管式太阳能热水器的核心部件，国外最初的真空集热器是由单层 壁内部抽成真空的玻璃管内置带u 型金属管的钢制吸热体构成的。流体从金属 管一端流入，另一端流出，但热效率太低，制作复杂。1 9 7 6 年，美国康宁公司 研制成功了单层壁玻璃真空管内置热管和内曲面反射器真空集热管。该设计曲面 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 使投射的太阳射线在一定范围的接受角内聚集在热管上，大大降低了光线的反射 和漫反射损失，这就是c p c 复合抛物面聚光器在全玻璃真空管集热管上应用的 雏形，为降低热损失，热管上开始电镀黑铬【5 1 。现在，国外已经具有完备的生产 制造玻璃真空管的工艺和技术，并且和c p c 技术得到完美结合。( 3 ) 热管式真空 管太阳能热水器的设计研究。由于热管具有良好的导热性能，其形状又可随热源 和冷源的条件而变化，具有很好的环境适应。所以将热管应用于太阳能集热器将 会显著提高其集热效率。热管式真空集热管由外玻璃管、表面带选择性涂层的重 力热管组成。外玻璃管和热管之间抽成真空( 约l x l o p a ) ，这样可以有效地减少热 管吸热段向外界的散热损失。采用重力热管是因为热管内不需要设置吸液芯，具 有结构简单、制造方便、成本低廉、传热性能优良、工作可靠、单向导热等优点， 热管材料为不锈钢 6 1 。( 4 ) 应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究。太阳能热 水全息集热系统的工作原理如图1 所示。全息聚光元件兼具有会聚和色散的功 能，用它来实现聚光型太阳能的转换系统不仅效率高，成本也大大降低。图1 所示为一种反射透射型全息太阳能聚光器，它由两层全息图组成。上层对可见光 相当于一个凹面反射镜把蓝、绿、红三种不同波长的光分开并会聚成不同的光斑， 选用相应的光谱相应特性曲线的光电池进行光电热转换，下层对红外光相当于会 聚透镜，把热红外光谱成分透射会聚到一个光热转化接收器上。这样就减少光电 转换器件、光热转换器件的用量，降低太阳能热水器的成本和提高太阳能的利用 率【7 1 。 光电池1 光电池2 光电池3 图1 全息太阳能聚光器示意图 接收器 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 二、太阳能热发电 太阳能热发电是光伏发电技术i = ! a j b 的另一有很大发展潜力的太阳能发电技 术，它是将太阳能聚集起来产生高温热能，加热工作介质来驱动发电机发电。第 一次石油危机之后，欧美一些发达国家开始关注具有更高能源利用效率的太阳能 热发电技术，相继建立了不同型式的示范装置有：塔式定日镜、槽式线聚焦和蝶 式点聚焦三种不同技术路线的太阳能热发电系统，目前只有槽式系统实现了商业 化，塔式系统、蝶式系统仍处于示范阶段。我国在太阳能热发电技术领域也做出 了很大的贡献，根据一种新的数学模式建立了新的太阳聚光和跟踪理论( 国际上 现称为“陈的曲面”和“陈的跟踪方法”) ，并拥有了该项知识产权，填补了我国 在该领域的空白。根据新的聚光跟踪理论而设计出了新型分立式太阳能热发电系 统，并已得到国际学术界和工程界的高度评价。 塔式、槽式、蝶式和新型分立式四种太阳能热发电系统的技术经济性能( 包 括工作温度、太阳聚光倍数、光热转换效率、热发电投资成本) 对比见表3 所示。 表3 塔式、槽式、蝶式和新型分立式四种太阳能热发电系统的技术经济性能比较 从上表中可以看出，新型分立式太阳能热发电技术比塔式、槽式、蝶式太阳 能热发电技术具有更优的性价比。如果建设一个5 0 m w 规模的单独使用太阳能 的热发电电站，采用新型分立式太阳能热发电技术的电站投资成本可以做到2 5 万元k w ，这仅仅是国外目前塔式系统投资成本的5 2 、槽式系统的5 7 和蝶式 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 系统的3 9 。目前采用新型分立式太阳能热发电技术的小型试验电站正在设计研 铝0 之中【昏1 0 l 。 三、太阳灶 我国太阳灶的研究及推广应用已经历了从分散的探索性试验，到全国性有组 织的联合攻关、深入系统的研究；从试制、试用，到组织工厂批量生产、规模推 广；从国家无偿投放、补贴推广，到半商品化、商品化销售的发展过程。无论从 设计理论、材料工艺、技术标准，还是工业化生产、推广销售及售后服务，太阳 灶的技术和应用都有了长足的进展，取得了可喜的成绩，引起国内外瞩目。近年 来，太阳灶发展势头最旺的是西藏自治区，普及率超过1 0 0 , 6 。采用聚光技术的太 阳灶已经研制成功，与农村常规太阳灶相比，其结构简单，价格低廉。它的跟踪 太阳装置，可以使入射的太阳光和反射面的轴平行，所有的反射光聚于设置在焦 点处的锅底；聚光式太阳灶还有相应的锅支架支撑机构，使太阳灶在使用过程中， 锅底始终与地面平行。目前本着节约成本的原则，太阳灶多采用手动跟踪装置。 在太阳高度角跟踪方面，主要用调节螺杆等调节方法。推动太阳灶技术的进一步 发展，自动跟踪装置的配套是必不可少的。因此应加快太阳灶自动跟踪装置的研 制，并注意经济实用性，提高应用价值；同时研制开发携带方便、使用轻巧的箱 式太阳灶，作为一种旅游、环保产品。太阳灶因其良好的经济效益、社会效益和 生态效益而具有广阔的发展前景0 1 , 1 2 。 四、太阳房 太阳房是利用太阳能进行采暖和空调的环保型节能建筑，是人们在建筑行业 对太阳能进行巧妙利用，达到既创造舒适的居住环境又节约能源的目的。太阳房 可分为主动式太阳房和被动式太阳房。主动式太阳房是在房子里安装了机械系 统，通过利用集热器、蓄热器、配管、泵等机械把太阳热收集、储存和释放的系 统。被动式太阳房是在太阳热的收集、积蓄和释放使用的时候不用机械而全靠自 然力来实现的一种房子。被动式太阳房因其构造简单，取材方便，造价便宜，有 自然的舒适感，特别适合发展中国家的广大农村而被广泛使用，尤其是进行冬季 采暖的一种简单易行的有效方法。许多国家把它作为太阳能利用的重点项目来对 待。 太阳能能够在一定程度上节约能源，减少能源消耗，但太阳房的建设也会增 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 加建设投资，尤其被动式太阳房，要购买一定的设备，还有安装费用等。另外由 于地理位置和所处纬度、气候条件的不同，同样的设计，同样的设备对太阳能的 利用效率却不一定相同，因此需要采用适当的技术，选择最合理的设计方案。许 多国家都有太阳房的实践 s , 9 1 。 五、太阳能干燥 太阳能干燥源于在阳光下直接曝晒的方法干燥各种农副产品。太阳能干燥不 但可以节约燃料、缩短干燥时间，而且由于采用专门的干燥室，能够保持干净卫 生，必要时还可以采用杀虫灭菌措施，既可提高产品质量，又可延长产品储存时 间。太阳能干燥器结构简单，配以简单的辅助热源，即可连续工作，不但在农村 有广阔的前途，而且在城市农副产品加工中也可使用【”】。 六、太阳能制冷 实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，以电制冷；一是太阳能 光热转换，以热制冷。前一种方法成本太高，应用较少，所以目前普遍采用以热 制冷。主要在三个方向上进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳 能喷射式制冷。其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段，吸附式制 冷还处在研究阶段。由于吸收式制冷系统庞大，运行复杂；吸附式制冷则停留在 实验室阶段，因此对吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的实用化是目前研究的热 点【1 孤。 1 3 太阳能集热器 太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关 键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。 1 3 1 非聚光类太阳能集热器 一、平板集热器 平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器，以其简单、价 廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。在我国南方也占主导地位。它吸收 太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。普 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 通平板集热器由吸热体、外壳、透明盖板和保温材料等组成。当太阳照射到集热 器时，集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的 现象，就像热烟气从烟囱中冒出一样，这就是所谓的“热虹吸”现象，系统中水 流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环，即只要有太阳照 射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器底部上升至顶部。再 经上循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。如此循 环，使整个水箱中是水温升高f 1 4 l 。 这种集熟器的优点是： ( 1 ) 工艺不复杂，加工成本低； ( 2 ) 水流的循环和加热全部依靠集热器的吸热作用，不需要泵和其它能源， 运行成本低，确实是一次投资，长期受益； ( 3 ) 水流系统常压运行，无需带压设备，没有任何安全隐患； ( 4 ) 整个系统没有运转设备，水对吸热板没有腐蚀作用，故使用寿命很长。 缺点： ( 1 ) 由于白天、晚上的温度不同，集热器易产生倒流； ( 2 ) 在高温段效率偏低，表面热损大； ( 3 ) 在冬季低于o c 时，因集热器中的水结冰膨胀，将管子胀裂； ( 4 ) 流动阻力分布不均，抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏天和南 方不结冻地区的冬天。 二、全玻璃真空管太阳能集热器 全玻璃真空管太阳集热器是在平板型太阳集热器的基础上发展的一种新型 太阳能集热装置。全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管，它 采用了真空技术，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使 真空集熟管的辐射热损降到最低，这样真空管太阳集热器可以在中高温下运行， 也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行，扩大了应用领域。它像 一个拉长变细的暖水瓶胆，由两根同轴圆玻璃管组成，内、罩玻璃管间抽成真 空，太阳选择性吸收表面( 涂层) 沉积在内管的外表面构成吸热体，将太阳能 转化为热能，加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空太阳集热管通常采用单 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 端开口的形式，在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起。真空集热器内装有吸 气剂 1 5 , 1 6 1 。 这种集热器的优点是： ( 1 ) 结构简单、制造方便、可靠性强； ( 2 ) 集热效率高，保温性能好； ( 3 ) 可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季运行； ( 4 ) 使用寿命长，一年四季都可使用。 缺点： ( 1 ) 管内存水过多，管内水温上升缓慢，而且对于真空管南北放置的热水装 置，管中的热水无法全部取出，致使系统热水利用率降低； ( 2 ) 不能承压，易在玻璃管内结垢，管子易炸裂。 三、热管真空管式太阳能集热器 8 0 年代以来，国内外越来越重视热管式真空管集热器的研究，它是一种新 型的太阳能集热装置。太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在金属吸热板上， 吸热板将太阳辐射能转化为热能，使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升 到热管冷凝段后，通过导热块将热量传递给集热管内的工质，而自身又凝结成 液体，依靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环，使集热管内的工质不断升温。 与此同时，被加热的吸热板和集熟管则不可避免地经由各种途径向周围环境散 失一部分热量。由于运用了真空技术，大幅度降低了集热器的热损失，因而使 其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能，同时运用了 热管技术，被加热工质不直接流经真空管，因而跟普通平板式集热器和真空管 集热器比较，热管式真空集热器除了工作温度高，承压能力大和耐热冲击性能 好等优点，还有其显著特点【1 7 - 1 9 1 。 这种集热器的优点： ( 1 ) 耐冰冻：热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无晴天及夜 间的严寒条件下，真空管也不会冻裂； ( 2 ) 启动快：热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射 条件下能提高集热器的输出能量，而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热； 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 保温好：热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热 管向上传输去加热水，而夜间被加热水的热量不会沿热管向下散发到周围环境； ( 安装维修方便：安装方便，操作简单，易于固定，运行可靠； ( 5 ) 特别适用集中供热及全玻璃真空集热管产品不适用的高寒地区。 缺点： ( 1 ) 生产成本高； ( 2 ) 技术要求高。 1 3 2 聚光类太阳能集热器 为了更有效地利用太阳能，必须提高入射阳光的能量密度。聚光集热器的 特点就是使入射阳光聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少 散热温度。根据光学原理，可以将提高自然阳光能量密度的聚光方式分为反射 式和折射式两大类。所谓反射式，是指依靠镜面反射将阳光聚集到吸收器上。 常用的有槽形抛物面和旋转抛物面反射镜、圆锥反射镜、球面反射镜等。折射 式则是利用制成棱状面的投射材料或一组透镜使入射阳光产生折射再聚集到吸 收器上。 聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理 是：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟 踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入 射太阳光总是相互垂直的 2 0 - 3 1 1 。 一、跟踪式聚光集热器 由于太阳辐射能在很大程度上随时间、季节而变化，且能量密度低，所以 要利用太阳能作为热循环的高温热源，且温度要求在1 0 0 c 或者2 0 0 以上，需 要采用跟踪式反射聚焦镜面来收集太阳辐射能，以获取每日几个小时的持续高 温。 常见的槽式抛物面聚光反射集热器的跟踪形式有： ( 1 ) 双轴跟踪( f u n2 - a x i s ) 。即跟踪系统有方位轴和俯仰轴两条转轴，方位轴 垂直于地面，俯仰轴与方位轴垂直，反射镜同时绕两轴转动使反射镜平面的法 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 线和太阳光线方向一致，这时太阳在接收面入射角的余弦为1 。 ( 2 ) 南北地轴式( p o l a ra x i s ) 。跟踪系统的转轴( 焦线) 平行于地轴自转方向， 也就是南北方向倾斜( 纬度角) 布置，东西跟踪。 ( 3 ) 南北水平式( h o r i z o n t a ln o r t h - s o u t ha x i s ) 。跟踪系统的转轴南北方向水平 布置，东西转动跟踪。 ( 4 ) 东西水平式( h o r i z o n t a le a s t - w e s ta x i s ) 。跟踪系统的转轴东西方向水平布 置，南j b 转动跟踪。 ( 5 ) 垂直式( v e r t i c a la x i s ) 。跟踪系统的转轴垂直布置，方位转动跟踪。 ( 6 ) 南北倾斜式( n o r t h s o u t ha x i si n c l i n e da ta n g l e 一0 f r o mh o r i z o n t a l ) 。跟踪系 统的转轴南北倾斜某一角度卢，东西转动跟踪。 采用双轴跟踪接受的辐照量最多，但结构复杂，制造和维护成本较高，实 际应用较少。而单轴跟踪则会使全年接受的辐照总量减少，或是不同月份变化 较大，因此实际应用中最好的利用方式是几种单轴跟踪结合起来。从平稳角度 来看，南北水平和东西水平结合起来较好，但用一台电机驱动一个长条的槽式 聚光器由东西方向转向南北方向是不合适的，这种组合无法达到最好的效益。 所以最好在南北方向作季节性倾角调整，调整时还要考虑到安装地区的纬度高 低【3 1 - 3 4 1 。 二、非跟踪式聚光集热器 复合抛物面型集热器( c p c ) 1 p 属于这种类型。c p c 是一种依据边缘光线原理 设计的种低聚光度非成像聚光器，可以将接收角范围内的入射光线按理想聚光 比收集到吸收体上。与传统集热器相比，接收角较大，所以运行时不需要太阳机 械跟踪装置，只需根据接收角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整几次倾 角就可以有效工作，结构简单，操作控制方便。 复合抛物面型集热器的类型，根据其与不同接收器结合比较常见的有4 种， 如图1 1 所永3 5 3 6 1 ： ( 1 ) 平板型接收器。接收器为c p c 下端长度为以的平板；c p c 的焦点在抛 物线的下端；右抛物线的主轴过左抛物线下端点，并平行于左抛物线的上端点与 右抛物线的下端点的连线。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 竖板型接收器。接收器为长度为d ：的双面接收的竖直板；两条抛物线的 焦点重合在竖直板的上端点；抛物线的主轴为图上的虚线；c p c 两侧为两条抛 物线，下端是一条以抛物线焦点为圆心以接收器高度以为半径的圆弧。 ( 3 ) 三角型接收器。接收器为由长度分别为吐，夹角为2 0 的两条直线组成； 两条抛物线的焦点重合在两板的交点上。 ( 4 ) 圆管型接收器。接收器为圆管；c p c 反光板由圆( 半径为，) 的渐开线 和焦点为圆的上顶点的两段抛物线组成，a c 和b d 为抛物线，c e 和d e 为圆的 渐开线，点f ( 圆的上顶点) 为两抛物线共同的焦点。h 为从圆心算起的c p c 的 高度。 平板型 d - 、 1 也，7 ， d l b 三角型圆管型 图1 - 1c p c 与不同形状的接收器相结合 1 4 本文的主要研究内容 从文献综述中可以看出，太阳能集热器在国内外已经有很多研究开发，形 成了各种类型的集热器。在太阳能中高温应用领域中，近年来国内外研究了一种 新型的太阳能集热装置c p c 热管式真空管集热器。针对这种太阳能集热器的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 理论模型和实验方法等方面都有一定的研究。但是在理论模型方面，现有文献大 都是针对这种新型集热器的结构、光学效率、集热效率等方面进行研究。本文对 现有的c p c 热管式真空管集热器的结构进行一定的改进，根据复合抛物面的结 构，运用传热学基本原理构建c p c 复合抛物面对太阳辐射的吸收模型和热管式 真空管的传热模型，最后结合杭州的实际情况进行计算分析。 首先，对c p c 热管式真空管集热器的复合抛物面的结构进行详细研究，并 且对现有c p c 热管式真空管集热器的结构进行一些改进，热管式真空管内的热 管采用分离式热管，这是本文的一个创新点。因为分离式热管的蒸发段和冷凝段 是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通起来，形成一个自然循环的回路。 因此分离式热管具有其独特的特点，即管内汽液两相同向流动。该结构使分离式 热管具有空间分布上可以灵活布置、实现较远距离热量输送，可以实现更高热流 密度传输，因冷热源完全隔离而不存在相互污染等优点。 本文将根据太阳辐射原理和杭州的地理位置分析杭州市的太阳辐射强度。 然后根据c p c 热管式真空管集热器的复合抛物面的系统方程，应用传热学基本 原理构建c p c 复合抛物面对太阳辐射的吸收模型，最后结合杭州市的太阳辐射 量计算分析到达c p c 型热管式真空管集热器接收器的太阳辐射量。 最后，构建c p c 热管式真空管集热器中热管式真空管的传热模型。对于热 管式真空管来说，由于真空管内、外管之间是真空状态，能有效防止热量通过对 流方式散发出去，所以对流和导热可以忽略不计。但是真空管内管与热管都存在 着对流换热和热辐射。因为真空管内管与热管之间虽然空间不大，但是热边界层 并不相互干扰，因此可以应用大空间自然对流换热的规律来建立其对流换热模 型。真空管内部采用分离式热管后，蒸发段为竖管，管内强制对流沸腾时，由于 存在不同的两相流动，使得过程很复杂，因此不能导出一般化理论，只能根据前 人的试验数据拟合出对应沸腾换热系数的关系式。 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章复合抛物面聚光器( c p c ) 型熟管式真空管集热器 第二章复合抛物面聚光器( c p c ) 型热管式 真空管集热器 复合抛物面聚光器简称c p c ( c o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r ) 型热管式真 空管集热器是一种新型的太阳能集热装置，它运用了真空技术和热管技术，具有 热损失少、热容量小、热二极管性及工作范围宽等显著优点，所以将其应用在热 管式太阳能蒸发器系统中( 如图2 1 所示) 中，以获得1 5 0 2 5 0 工业生产所需 要的温度。 图2 - 1 热管式太阳能蒸发器系统示意图 ( 1 一聚光器2 一热管式真空管3 一蒸汽上升管4 一阀门5 一排气孔 6 一温度计7 一压力计8 一冷凝水下降管) 2 1 复合抛物面聚光器 由于非聚光类集热器不能达到较高的温度，抛物面聚光器又需要复杂的跟踪 控制，因此复合抛物面聚光器( c p c ) 在太阳能中温应用领域有着广泛的应用前景。 浙江大学硕士学位论文第二章复合抛物面聚光器( c p c ) 型热管式真空管集热器 2 1 i 复合抛物面聚光器的发展简史 1 9 6 6 年，苏联的b m 巴兰诺夫和q k 苗尔尼可夫，美国的h 海因特伯格和 r 温斯东以及1 9 6 7 年德国的m 帕洛克【2 0 】先后独立地提出了一种用于高能物理实 验研究中的辐射探测器，其特点是可将探测器开口面上的包含在接收角内的投射 辐射全部反射到接收元件。当时尚处于冷战时期，传媒和信息的交流还很落后， 而太阳能利用也并不是热门的研究领域，所以这种探测器至少在太阳能界并未引 起注意。到了上世纪7 0 年代中后期，由于太阳能引起重视，不少科学家转向太 阳能研究，美国的a 拉布尔和r 温斯东( 他们都是物理学家) 【2 l 】等人将这种探 测器作为聚光器应用于太阳能作了大量深入的研究，出版了专著、发表了一系列 论文，并正式将原先各自以发明人命名的这种聚光器定名为c p c ( 复合抛物聚 光器) 。与必须连续跟踪和可使辐射源成像的传统抛物镜不同，c p c 是一种不需 跟踪、只需间断性地调节方位就能得到一定聚光比的聚光器，由于c p c 只是聚 集辐射能，不能使辐射源成像，因此它是一种非成像聚光器。 复合抛物聚光器出现以后，不少人对其评价很高，甚至认为是太阳能热利用 技术的一次重大突破，预言将得到广泛应用。但是几十年过去了，c p c 仍只是 在少数示范工程中得到应用，并没有像平板集热器和真空管集热器那样大量使 用。我国不少单位在七八十年代曾对c p c 进行过研制，也有少量应用，但现在 基本都已经停止使用。 从8 0 年代中期开始，南加利福尼亚的陆茨( l u z ) 公司生产并投入运行的有 1 0 座太阳能电站，装设抛物线一圆柱面的聚光器，单机功率由最初的1 3 8 m w 增加到目前的3 5 0 m w 。但是随着美国保障太阳能电站不亏损政策的废止，陆茨 公司倒闭，建设这类新型太阳能电站也被禁