（人机与环境工程专业论文）太阳能飞机飞行路线及溴化锂吸收式空调研究.pdf

堑i ! 三些奎耋堡圭兰堡墼圣。些! ! 坠! ： a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，ar e s e a r c ho nh o wt h ec h a n g eo fl a t i t u d ea n dd i r e c t i o no fa s o l a r p o w e r e dl o n g e n d u r a n c ea i r c r a f te f f e c tt h er e c e i v e ds o l a r p o w e rw a s d e v e l o p e d a n do nt h eb a s i so f t h ec a ra i rc o n d i t i o n i n g ，t h et h e r m a lp r o p e r t i e so f t h e s i n g l e e f f e c t l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nh o t - c o l d w a t e ru n i ta n dt w o - s t a g e l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nh o t c o l d w a t e ru n i ta p p l i e di nc a ra n dd r i v e nb yh i g h t e m p e r a t u r ec o o l i n g f l u i do ft h ec a re n g i n ea r ea d v a n c e da n dc o m p a r e dt h e t e c h n i q u e o fe n e r g e t i c o p t i m i z a t i o n i s e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t e t h e o p t i m a l p e r f o r m a n c eo fa n i r r e v e r s i b l e h y b r i da i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mc o n s i s t i n g o fa v a p o r c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t o r c a s c a d e dw i t has o l a r - d r i v e r a b s o r p t i o n r e f r i g e r a t o rd u r i n gf l i g h t o fas o l a rp o w e r e da i r c r a f t ，l a t i t u d ea n dd i r e c t i o na r e c h a n g i n ga ta l lt i m e s ，t h e r e f o r et h eo p t i m a ll a t i t u d ea n d t h eo p t i m a ld i r e c t i o na t d i f f e r e n tp e r i o di sd e v e l o p e d t h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nh o t - c o l d w a t e ru n i t sh a v em a n ym e r i t s ，s u c h a sl o wc o n s u m p t i o no f o i l ，s a f e t yi no p e r a t i o n ，p o l l u t i o n f r e ea n dn o i s e l e s s ，a n d t h e i rt h e r m a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y s i s e di nt h i sa r t i c l e o nt h eb a s i so ft h e s er e s u l t s ， t h e o p t i m a lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e o ft h es o l a rc o l l e c t o ra n dt h em a x i m u mo v e r a l l c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) o f t h ec o o l i n gm o d e so ft h es y s t e ma r ed e r i v e d k e yw o r d s ：l a t i t u d e ，b e a r i n ga n g l e ，l i t h i u mb r o m i d e ，a b s o r p t i o n ，f o c u s i n g c o l l e c t o r i i 塑i ! 三些奎耋至圭耋堡垒圣 圭茎丝三茎 主要符号表 s i大气层外太阳辐照度s i 。 太阳常数，w m ： p ；。太阳电池输出功率，w f 衰变系数 占地球偏心率 庐 地理纬度 占赤纬角 r日地实际距离 r 。日地平均距离口 太阳入射角 仇。 太阳电池效率 1 1 日子数 占赤纬角 w 太阳时角 w ；。电功，j t 小时数 口倾斜角 k太阳天顶角 a 太阳高度角 q制冷量，k w t 。冷水进口温度，t 。：冷水出口温度， t 。冷却水进口温度，p 。蒸发压力，p a t 。蒸发温度，p 。吸收器压力p a t ，。吸收器出口冷却水温度， t k冷凝温度， t ，。冷凝器出口冷却水温度，p 。冷凝压力，p a t ：吸收器出口稀溶液温度， ，溴化锂浓溶液质量分数 t 。溶液热交换器出口浓溶液温度， ；。溴化锂稀溶液质量分数 h 焓，k j k g e热力系数 q ；发生器的单位热负荷，k j k g q n冷凝器的单位热负荷，k j k g q 。 蒸发器的单位热负荷，k j f l k gq 。吸收器的单位热负荷tk j k g q 。溶液热交换器单位热负荷，k j k g g 。加热热水流量，k g h i v - v 。冷水量，m 3 h v t 。冷凝器冷却水量。h u吸收器喷淋溶液量，m 3 h v 。蒸发器冷剂水喷淋量，m 3 h ，高压发生器稀溶液质量分数 b u t l t v t u u d 吸收器冷却水量，m 3 h 稀溶液循环量，m3 h 溶液泵流量，3 1 1 热源单耗，k g ( k w h ) l 。低压发生器浓溶液质量分数 太阳能吸收式系统制冷性能系数 太阳能吸收式系统制热性能系 数 吸收单元制冷性能系数 n 蒸汽压缩单元制冷性能系数 集热器总损失系数 n 。集热器的集热效率 内部冷却器温度 周围环境温度 t 。蒸发器的蒸发温度 太阳能吸收式系统综合制热效率 ” 性能系数 - v t 。集热温度， t c冷凝器的冷凝温度 。太阳能吸收式系统综合制冷效 “6 率性能系数 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 太阳能 第一章绪论 1 1 1 研究背景 2 1 世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资 源和环保严格要求的双重制约下发展经济己成为全球热点问题，而以下问题 将变得更为突出：能源短缺：世界上大部分国家能源供应不足，不能满 足其经济发展的需要。从长远来看，全球己探明的石油储量只能用到2 0 2 0 年，天然气也只能延续到2 0 4 0 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持 二三百年。环境污染：由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫 等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康 和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。温室效应：化石能源的 利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题已 提到全球议事日程，有关国际组织已召开多次会议，限制各国c o ：等温室气 体的排放量。因此，人类在解决能源问题的同时及考虑实现可持续发展，只 能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。 世界上最丰富的永久能源是太阳能。太阳是每时每刻都在进行核聚变的 反应堆，每秒约有65 7 1 0 8 t 氦质量亏损4 0 0 万t ，产生能量3 9 1 0 ”k w ， 这些能量以电磁波的形式穿越太空射向四面八方，而地球只接受到太阳总辐 射的2 0 亿分之一，地球截取的太阳辐射能通量为1 7 1 0 “k w ，比核能、地 热、和引力能储量总和还要大5 0 0 0 多倍。其中约3 0 被反射回宇宙空间； 4 7 转变为热，以长波辐射形式再次返回空间；约2 3 是蒸发、凝结的动力， 风和波浪的动能，植物通过光合作用吸收的能量不到太阳能的5 。地球每 年接受的太阳能总量为1 1 0 ”k w h 。这相当于5 1 0 “桶原油，是探明原油储 两北工业人学颂i 学位论文第l 章绪论 量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。太阳中氢的储量，足够维持6 0 0 亿年。从这个意义上来说，太阳能是取之不尽、 用之不竭的。 我国今后1 0 年将大力发展六大高新技术，以 太阳能利用为标志的新能源技术即是其中之一。 由此所形成的高科技产业太阳能产业，主要 研究生产各种太阳能跟踪、捕获、转换、传输和 存储的技术和设备，必将会产生巨大的经济效益 和社会效益e 2 1 。 一、人类能源开发利用已进入多样化新能源时期图1 1 中国太阳能市场预测 大规模开发会枯竭的能源称之为非再生能源，如煤炭、石油、天然气、 油页岩等，这些矿物燃料是经过亿万年才形成的，储量有限，开采后不可再 生：核燃料的储量也有限，属非再生能源。可再生能源是指那些在自然界生 态循环中可以不断产生，并有规律地得以补充，不会因不断开发而枯竭的能 源，太阳能就是其中重要的一种。 人类对能源资源的开发和利用经历了三个主要时期，即柴草时期、煤炭 时期、石油和天然气时期，现在又将进入一个新的时期，即以太阳能、核能 为主体的多样化新能源时期。据美国c m a r c h e t i n 博士对世界一次能源替代 趋势的研究结果表明，到2 0 5 0 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，2 1 世纪末，太阳能将取代核能占第一位。这种发展过程表明，能源发展将从资 源型向技术型转化的过程、从粗放型利用向高效率利用的转变过程、从污染 环境到保护环境的提高过程。 在我国，有限的能源资源承载着巨大的人口和环境压力，虽然近几年经 济结构调整过程中能源供需矛盾有很大缓和，但从长远看，能源供应不足仍 将是制约我国经济发展的重要因素之一。我国现存的石油、天然气等燃料的 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 可采储量，尚可采数十年，而此时利用太阳能就更具有现实意义。 二、太阳能利用将大力促进能源利用结构的优化 在相当长的时期内，我国能源消费以煤炭为主，而煤炭在开采和使用过 程中造成的大气污染、温室效应，特别是不适当的能源开发带来的资源退化、 桔竭，会给生态环境带来许多不利影响。由于我国过分依赖煤炭，因此而引 起的环境污染已相当严重。据世界能源研究所和中国环境监测总站测算，全 球1 0 个污染最严重的城市中，我国就占了8 个，环境污染和生态破坏己成为 危害人民健康、制约经济和社会发展的重要因素。1 9 9 0 1 9 9 5 年全国二氧化 硫的排放量从1 5 7 1 万t 增加到2 3 7 0 万t ，酸雨区面积已达到我国国土面积的 三分之一。 我国的能源阻煤为主的局面在长时间内难以改变，且优质能源短缺。在 受到能源需求增加和环境保护的双重压力和挑战下，寻求优质、高效、洁净 的新能源就显得尤为重要。利用太阳能，不消耗任何常规燃料，且没有固、 液、气体排污对环境无任何不利影响( 而常规燃料的燃烧过程，或多或少 都会对环境产生一定的污染作用) 。因此，利用太阳能是一种较好的选择。 三、太阳能利用的方式与途径 太阳能利用方式主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电。 太阳能热利用又有太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能干 燥、太阳能海水淡化、太阳炉、太阳能制冷、太阳能空调等；太阳能热发电 使用吸收到的太阳能量加热水或其它有机工质，产生具有一定温度和压力的 蒸汽，推动汽轮机发电机组发电：太阳能光电是应用太阳电池，将太阳辐射 能直接转换为电能。由于太阳能电池无运动部件，简单易用，并可小型化， 因此具有巨大的潜在应用前景。多个太阳能电池构成一个组件，而多个组件 可串联成一排电池方阵，电池方阵再并联，就可输出可观的电力。本文将以 用太阳能电池驱动的太阳能无人飞机为对象来研究太阳能的利用。 西北工业大学硕士学位论文第t 章结论 四、国内外的太阳能利用 1 9 9 0 年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1 9 9 7 年己完成近万套屋顶 系统，每套容量1 5 k w ，累计安装量已达33 万k we 3 o 日本政府从1 9 9 4 年开始实施“朝日七年计划”，到2 0 0 0 年安装1 62 万户屋顶系统，总容量将 达1 85 k w ；意大利1 9 9 8 年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2 0 0 2 年 完成，总投入5 5 0 0 亿里拉，总容量达5 万k w 。印度也于1 9 9 7 年1 2 月宣布， 将在2 0 0 2 年前推广1 5 0 万套太阳能屋顶系统。美国正在实旌“百万太阳能屋 顶计划”到2 0 1 0 年安装太阳能设备总容量将达到3 0 2 5 万k w 。法国已经批 准了代号为“太阳神2 0 0 6 ”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3 0 0 0 万法郎资金，预计到2 0 0 6 年时，法国每年安装太阳能热水器的用户将达2 万家。 在太阳能发电方面，日本、意大利、韩国、挪威、奥地利、西班牙、瑞 典及瑞士八国计划在2 0 0 1 年开始花4 年时间，选在亚洲内陆和非洲沙漠的 3 4 处，建设世界上规模最大的太阳能发电站，其规模最小的也可达数兆瓦， 最大的将达到上吉瓦。他们的目标是将占全球陆地面积约1 4 的沙漠地区上 空的曰照资源有效地利用起来，为3 0 万用户提供1 0 0 万k w 的电能。资源匮 乏的日本，还对空间太阳能发电表现出极大的兴趣，他们制定了s p s 2 0 0 0 计 划，准备发射功率为l 万m w 的太阳能电池发电卫星。西班牙计划建造一座 风筒高7 6 2 m 、温室直径1 0 0 0 m 、发电功率达4 0 万k w 的太阳能气流发电厂。 希腊将在克里特岛南部海岸建立一座功率为5 万m w 的太阳能光伏电站，这 也是世界上最大的太阳光伏电站，估计到2 0 0 3 该电站可向l o 万人提供电力。 另据报道，英国一栋屋顶完全用太阳能瓦铺成的房屋每月可发电1 0 0 多k w h ， 除房屋主人自用外，多余电力可输送给电网。 美国还在资金和政策上给予新能源发电以优惠，如联邦能源法规定，可 再生能源发电每k w h 减征l5 美分所得税，这一政策延续至今。经过近1 0 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 年的努力，美国已经确立了太阳能、风能和生物质能发电技术在世界上的领 先地位。 我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规则中己将太 阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅 速，1 9 9 7 年销售面积近3 0 0 万m 2 ，数量居世界首位：全国从事太阳能热水 器研制、生产、销售和安装的企业达1 0 0 0 余家，年产值5 0 亿元。根据我国 1 9 9 6 2 0 2 0 年太阳能光电( p v ) 发展计划，在2 0 0 0 年和2 0 2 0 年的太阳能 光电总容量将分别达到6 6 万k w 和3 0 万k w 。在联网阳光电站建设方面， 计划2 0 2 0 年前建成5 座m w 级阳光电站。由国家投资1 7 0 0 万元修建的西藏 第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量l o o k w ，于1 9 9 8 年1 2 月 建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。 总之，大力发展太阳能利用技术，是节约能源和保护环境的重要途径。 1 1 2 发展与现状 根据可持续发展战略，太阳能热利用在替代高含碳燃料的能源生产和终 端利用中大有用武之地。太阳能热利用具有广阔的应用领域，但最终可归纳 为太阳能热发电( 能源产出) 和建筑用能( 终端直接用能) ，包括采暖、空调 和热水等。当前太阳能利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器和太 阳能光付发电。 一、太阳能热水器 在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优 良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器 发展很早，但8 0 年代的石油降价，加之取消对新能源减免税优惠的政策导向， 使工业发达国家太阳能热水器总销售量为4 5 万m 2 ，其中日本为2 0 万m 2 ， 美国为1 2 万m 2 ，欧洲为8 万m 2 ，其他国家为5 万m 2 。世界环境发展大会 5 一 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪诧 之后，许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放c 0 2 方 面的潜力，仅据美国加州首府萨克门托市的计划，到2 0 0 0 年太阳能热水器将 取代该州4 7 0 0 0 套家用电热水器。到2 0 0 0 年日本太阳能热水器的拥有量将翻 一翻，以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。 目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。1 9 9 2 年 销售量为5 0 万m 2 ，为世界其他各国销售量之和；1 9 9 5 年销售量翻番，达l o o 万m 2 。据初步统计，1 9 9 7 年我国太阳能热水器销售量达3 0 0 万1 1 1 2 ，目前， 我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1 0 0 0 余家，年产 值5 0 亿元，从业人数1 5 万人。但从房屋的热水器安装率来说，以色列已达 8 0 ，日本为1 1 ，台湾达27 ，我国在千分之几左右，太阳能热水器的 推广应用潜力仍很大。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，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问的隔层，以减少热量损失，聚酯薄 膜的透明蜂窝己在德国和以色列批量生产。随着世界范围内的环境意识和节 能意识的普遍提高，太阳能热水器必将逐步替代电热水器和燃气热水器。虽 然太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节和天气影响的不利因素，但 太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势，而且随着技术的发展 其经济性也逐步显露出来。有关专家对三种热水器的经济指标比较结果表明， 太阳能热水器在经济上已具有较强的竞争力。 二、太阳能无人飞机 5 0 年代第一块实用的硅太阳电池的问世，揭开了光电技术的序幕，也揭 开了人类利用太阳能的新篇章。自6 0 年代太阳电池进入空间、7 0 年代进入 地面应用以来，太阳能光电技术发展迅猛。世界观察研究所在其最近一期研 究报告中指出，利用太阳能获取电力己成为全球发展最快的能量补给方式。 报告说，1 9 9 0 年以来，全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均1 6 西北t 业大学顾十= 学位论文第l 章结论 的幅度递增，目前总发电能力己达8 0 0 m w ，相当于2 0 万个美国家庭的年 耗电量。1 9 9 7 年全球太阳电池的销售量增长了4 0 ，已成为全球发展最快的 能源。 现在世界上通用的飞机，大多使用吸气式发动机提供动力，一遇高空空 气稀薄，发动机功率就下降，因此，现有飞机的飞行高度和续航能力很难进 一步提高，而以太阳能为动力的飞机，完全可以弥补这些不足，飞得更高， 飞得更远。正是这些优点，使得太阳能无人机在资源调查、环境监测甚至军 事预警等方面有着广泛用途。目前，美国、以色列、日本等国都在积极开展 太阳能飞机的研究。 2 0 0 2 年7 月1 4 号由美国太空总署资助研制的太阳能飞机“太阳神号”在 夏威夷试飞，它是首架完全靠太阳能驱动的飞机。研究人员预计其飞行高度 最高可飞到三万米高空，超出喷气式客机飞行高度三倍多。“太阳神”号耗资 约一千五百万美元，用碳纤维合成物制造，部分起落架材料为越野自行车车 轮，整架飞机仅重五百九十公斤，较小型汽车还要轻。“太阳神”号的机身长 二点四米，活动机翼全面伸展时达七十五米，比波音七四七的机翼还要长。 “太阳神”号太阳能飞机上装有六万五千片太阳能电池板，由地面两名技师 通过遥控设备“驾驶”；太阳能电池板输出的 电力驱动小型马达，令机上十四个螺旋桨转 动。动力完全依靠机翼上的太阳能电池板。 白天产生的电能可以存储一部分用于夜间飞 行，但是普通蓄电池太笨重，“太阳神”号采 用的是较轻的燃料电池，在白天将产生的2 3 的电能充到燃料电池中。图1 - 2 太阳能无人飞机 “太阳神”号在那次试飞中，飞行了十小时十七分后达n - - 万二千八百 米的目标高度。目前的飞行高度记录已达到3 万米高空。一项名为“绿色先 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 锋”的中国太阳能无人驾驶飞机探索研究计划已经正式启动，由珠海新概念 航空器研究中心设计的世界首创“复合飞翼”式太阳能无人机，已经完成了 原机1 4 大小的技术验证机也将腾空而起。这标志着我国在太阳能无人驾驶 飞机研制方面取得了新的突破。 由于太阳能无人驾驶飞机综合了现代尖端科学技术，我国在这方面起步 比较迟。还有很多工作要做。 1 2 溴化锂吸收式汽车空调 1 2 1 研究背景 汽车空调是汽车空气调节的简称，即采用人工制冷和采暖方式对驾驶室 和车厢内的温度，湿度，气流速度和清洁度进行调节，为乘坐者提供舒适的环 境。 调节温度是空调的主要任务。夏季，汽车空调向车厢提供冷气，冬季则 提供暖气。汽车空调首先是要有暖气设备，其结构比较简单，汽车和中小型 汽车一般以发动机冷却水作为暖风的热源；而大型客车或严寒地区的车辆则 常采用独立式加热器，夏季的降温则由制冷装置完成。 汽车空调的第二个功能是调节车内的湿度。普通车辆一般没有调节湿度 的功能：高级车辆采用了冷暖合一的再加热式空调器，可以适量地对车内空 气进行去湿处理，即靠制冷设备( 蒸发器的冷却、去湿) 去除空气中的绝对含 湿量，再靠采暖设备( 暖风芯子升温) 降低空气的相对湿度。在夏秋交接季节， 傍晚时空气中湿度较大，会在风窗上凝结成雾，影响司机行车，此时打开冷 气装置，可以去除空气中的部分潮气( 只要将空气冷却至露点温度以下，便可 使空气中含有的水蒸气凝结成水，排出车外，便可去湿) 。但在汽车上加湿是 8 - 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 比较困难的，只能依赖于开车窗或通风设施，靠车外新风来调节。冬季采暖 时，可用改变新风门开度来调节车室内相对湿度，实际上也是靠车外新风来 调节湿度。 汽车空调的第三个功能是调节室内的空气流速。空气的流速和方向对人 体舒适性的影响是很大的。气流速度稍大，有利于人体散热降温。夏季，没 有制冷，只有风扇，也会使人感到舒服就是这个道理。但过大的风速直接吹 到人体身上，也会使人感到不舒服。冬季，风速大了会影响人体保温因而 冬季取暖希望气流尽量小一点。根据人体生理特点，头部对冷比较敏感夏 季冷风吹到头部比吹到身体其他部位感到舒服，头脑也容易保持清醒。而冬 季，足部对热比较敏感，只要足部暖和了，全身都会感到舒服。因而，布置 空调出风口时，应让冷风能达到乘员头部，暖风能吹到乘员足部，即采取“头 凉足暖”的布置方式。 汽车空调的第四个指标是空气的清新度。由于车内空间小，乘员密度大， 全封闭空间的空气极易产生缺氧和二氧化碳浓度过高；汽车发动机废气中的 一氧化碳和道路上的粉尘、野外有毒的花粉都容易进入室内，造成车内空气 混浊，严重影响乘员的身体健康。汽车空调必须具有补充足够新鲜空气的功 能，必须具有对车内的空气过滤吸附功能，以保证车内空气的清新度。 1 2 2 发展与现状 汽车空调主要有舒适性，操作性，对汽车行驶的适应性等方面特点。汽 车空调的舒适性要求包括温度，相对湿度，空气清洁度，气流分部，噪声， 振动等。 由于汽车在室外行驶且车壁较薄，所以受外界影响很大，在日光直射下 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 车内温度可达到5 0 6 0 。在室外大气温度为3 4 。c 的晴天，汽车在马路上放 置1 日后车顶温度可达7 5 。c ，车内前座5 8 ，后座5 4 ，这是由于玻璃窗 面积大，辐射量也大，加上玻璃的温室效应造成的。汽车内由于空间所限， 座位靠背相隔，加之乘客体型各异，因而形成许多小的区域，造成气流受阻， 乘客人数与所占空间的比率小。这些因素都使得汽车空调的制冷负荷较大。 目前汽车空调基本上采用蒸汽压缩系统，利用发动机轴功驱动。一般汽 车空调要消耗8 一1 2 的汽车发动机动力，其中压缩机占8 0 - 8 5 ，风机 占1 5 - 2 0 ，这样大的功率消耗不仅增加了油耗，而且可能引起水箱过热， 影响汽车动力性能。它不仅增加了油耗和废气排放，还减少了运输能力。大 城市的公交工具倾向于要求舒适性空调，其代价是增加能源消耗和空气污染。 于是人们长期以来不断寻找新的方法。有人提议在大客车上采用溴化锂吸收 式制冷机。 一般汽车发动机的实用效率为3 5 一4 0 左右，约占燃料发热量l 2 阻 上的能量被发动机循环冷却水及排气带走。所以汽车发动机的余热包括循环 冷却水带走的热量和排气余热两部分，其中，冷却水所带走热量占燃料发热 量的2 5 一3 5 。现有汽车发动机冷却水的水温一般为8 0 。c 一9 0 。但有资料 表明：通过对一台车用汽油机的反复试验，以1 2 0 。c 作为发动机的冷却温度 上限是切实可行的，在此温度下发动机不致出现爆振，而润滑油尚能保持正 常状态。 由此可见，考虑利用汽车发动机冷却液所带走的热量作为汽车空调用溴 化锂吸收式冷热水机组的驱动动力，既可减少汽车的油耗，又能够提高汽车 的动力，还能使汽车发动机的尾气排污物明显减少。 1 0 塑i ! 三些奎兰堡圭兰堡鎏奎 ! 耋! i 垒 1 3 本文研究内容 一、太阳能飞机的概念设计 l 不同时间段太阳能飞机的最佳飞行线路； 2 不同地区，不同时段太阳方位角的变化对辐射能的影响； 3 在现有条件下，开展相应的研究以检验理论计算的准确性。 二、溴化锂汽车空调 1 单效和两级溴化锂吸收式汽车空调的热力学循环分析 2 单效和两级溴化锂吸收式汽车空调系统的性能评价指标 3 采用太阳能的吸收式空调系统的性能分析 西北工业大学硕士学位论文 第2 章太阳能飞机设计计算 第二章太阳能飞机设计计算 2 1 引言 太阳能高空无人飞机作为一种新能源无人机，具有高效、廉价、无污染、 飞行高度高、留空时间长等特点。而现在世界上通用的飞机，大多数使用吸 气式发动机提供动力，一遇高空稀薄空气，发动机功率就下降。这些飞机的 飞行高度和续航能力很难进一步提高。而以太阳能为动力的飞机可弥补这些 不足，这种无人机在高空有几乎不受限制的飞行距离和续航时间，可以飞得 更高，飞得更远。正是这些优点，使得太阳能飞机在无线通讯、资源调查、 环境与气象监测甚至军事预警等方面有着广泛用途。这种类型的飞机可以执 行许多目前由小型轨道卫星所执行的任务，而且成本低廉，能够返回地面修 理或者重新装载更先进的设备。 作长时间飞行的太阳能高高空无人机可以执行某些使用卫星来完成的任 务，但是这种飞机的费用和风险要比卫星低得多。这种飞机可以随时起飞和 降落，飞机一天内的覆盖范围大约在几百公里范围以内。 这种飞机要求能够在高空( 2 0 公里或者更高) 作长时间的飞行，因此选 择动力源即驱动方式是建造这种飞机要考虑的主要问题之一。对于这种飞行 器，一种有吸引力的提供动力的方法就是使用太阳能光电模块并带有一个能 量储存系统。使用这种全电方法而不是其他方法( 如开放循环燃烧发动机) 的主要优点是它去掉了带燃料和在氧气稀薄的高空吸气和压缩空气的要求， 而携带大量燃料又会使飞机的负载过重。对于军事用途来说，电动飞行器将 会有非常小的热特征，这在避免被侦察上非常有利。 太阳能电池是无人机系统的主要能量来源，为了实现高空昼夜长时间飞 行，白天太阳能电池所吸收能量的一部分直接提供给无人机使用，另一部分则 输入储能装置储存起来，以备晚上使用。本文所采用的方法主要是分析在每 西北工业大学硕士学位论文 第2 章太阳能飞机设计计算 个时间段，太阳能飞机的最佳飞行路线，以获得最多的太阳能。通过确定每 小时的最佳飞行纬度，来确定太阳能飞机一天的最佳飞行路线。 2 2 太阳能飞机动力系统 在高空，空气密度会下降，因为机翼升力与飞行器机翼面积和速度的平 方成比例，所以对于给定机翼速度，由于空气密度下降，会使单位机翼面积 上的压力减小，造成在机翼上产生的升力变小。因此在机翼面积不变的情况 下，提高太阳能无人机的动力就变得非常重要。太阳能飞机的动力系统是决 定太阳能飞机结构设计的非常关键的因素。太阳能飞机的动力系统包括太阳 能光电电池、可再生燃料电池、电动机、螺旋桨、能量控制和管理系统。如 果这些部件的特性( 例如，光电电池的类型、光电电池的质量、光电电池的 效率、燃料电池效率和燃料电池的比质量) 发生变化都将对飞机的设计产生 影响。 到散热器或换热器 图2 1 太阳能飞机动力系统 图2 - 1 给出了太阳能飞机的动力系统图，这个系统包括太阳能电池阵列 西北工业大学硕士学位论文 第2 章太阳能飞机设计计算 和可再生的h 2 一0 2 燃料电池。其中太阳能电池阵列在白天收集并把太阳辐 射能转化成电能，以提供飞机所需要的能量。燃料电池的作用是在太阳辐射 很小或夜间无太阳辐射的时候给飞机提供飞行动力和机载设备所需要的功率 以及负载的功率。 l 太阳电池阵列 太阳能飞机的动力完全来自太阳电池所产生的电能。太阳电池吸收与其 能隙相匹配的太阳光谱的能量转变为电能。事实上单个太阳电池的发电量是 十分有限的，太阳能飞机所用的电池系统是由一系列太阳电池单元经串、并 联组成的电池系统即太阳电池阵列。 太阳电池阵列是许多块太阳电池的组合。当有阳光照射的时候太阳电池 产生电能。产生的电能一部分提供给机载设备、负载、电子设备和驱动电动 机，另一部分提供给燃料电池储存起来。 2 可再生h 2 一0 2 燃料电池 可再生氢氧燃料电池是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的 可充放电池，使2 h 2 + 0 2 2 h 2 0 + 电能与其逆过程得以循环进行，换言之，氢 氧燃料电池的燃料氢气和氧化剂氧气可通过水的电解技术得以“再生”，起到 蓄能作用。 这里用在太阳能飞机上的燃料电池系统是由燃料电池、电解槽、水泵和 一个双压力调节器组成。在白天的时候，太阳电池产生的多余电能输给电解 槽，用来电解其中的水，使水分解成氢气和氧气，再经过压力调节器调节到 适当的压力，然后输送给燃料电池进行电化学反应产生电能，在晚上没有光 照或在日出或日落时光照强度不够时，这些电能用来保证飞机的连续飞行。 燃料电池反应后产生的水再输送到电解槽中，这样就实现了燃料电池的“再 生”，从而使飞机能够长久的飞行。 因为燃料电池的质量占了飞机总质量的1 3 到一半左右，所以燃料电池 西北工业太学硕士学位论文第2 章太阳能飞机设计计算 的质量对飞机设计的影响是至关重要的。一般使用质量轻的整体式燃料电池。 这样可以减少燃料电池的重量。 3电动机 在高空几乎真空的条件下，运动部件的磨损非常快且有可能损坏而不工 作。一般需要使用多台电动机以确保电动机能够提供足够的动力。在某些电 动机失灵的情况下，另外一些辅助电动机能够正常工作。 此外，电动机的电刷在高空磨损的很快，通常采用质量比较轻的永磁无 刷稀土电动机。为了提高这些发热部件的冷却效率，最好将这些发热部件放 在飞机外部的镀镍铝制电动机箱中，并快速的打开冷却装置。 4 螺旋桨 当飞机在做爬升、加速和水平盘旋的时候，必须要保证飞机能够克服如 风的阻力、空气温度和空气密度等环境条件的变化。一般螺旋桨驱动的飞机 是使用变距螺旋桨来调整功率的。但是近来国外的太阳能飞机( 如p a t h f i n d e r 号) 则使用固定距螺旋桨，在飞机到达巡航高度之前把桨距设置到最佳状态， 采用电动机转速的变化来弥补在其他高度时桨距的不足。 2 3 可用w ：。s 分析计算 太阳辐射量对太阳电池的功率有着决定性的影响。为了保证太阳能飞机 能够连续的飞行，太阳能飞机必须在白天尽可能的收集和储存足够多的能量。 本文所采用的方法是首先假设太阳能飞机的机翼面积是不知道的，所以这个 能量平衡方程的建立必须是不考虑机翼面积的。在这里假设每平方米太阳电 池能够得到的电功率是p 。s ( w m 2 ) ，这是一个时间的函数，其计算公式如 下： 足s = s i r l 7 。c o s ( a ) ( 2 - 1 ) 式中，7 。是太阳电池效率： 西北工业大学硕士学位论文第2 章太阳能飞机设计计算 s i 是大气层外的太阳辐照度，它随着曰地实际距离r 的改变而变化。 r = r m ( 1 一s ! ) ( 1 十e c o s ( a ) ) ( 2 2 ) 口= 2 z r ( n 一4 ) 3 6 5 ( 2 3 ) s i = s i 。r ： ( 2 4 ) 式中，r m 一14 9 6 e 8k m ，曰地平均距离： = 0 0 1 7 ，地球的偏心率； s i 。= 1 3 6 7w m 2 ，太阳常数； r = 0 8 5 ，为太阳辐射的衰变系数； n 是所求日期在一年中的日子数。 0 为太阳入射角太阳光线与接受表面法线之间的夹角。 1 在水平面，太阳入射角0 可用下式计算得到： 0 = c o s l s i n ( 矽) s i n ( 回+ c o s ( ) c o s ( 占) c o s ( f ) ( 2 5 ) 式中，砂为地理纬度， d 为赤纬角地心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角，是一 个以一年为周期变化的量。可用下式计算： 8 = 2 3 4 5 s t n ( 3 6 0 等) ( 2 - - 6 ) 脚( t ) 是太阳时角，它是用角度来表示的太阳时。其中t 为时间( 小时) 。 它是以一昼夜为变化周期的量，太阳午时c o ( t ) 为0 ，上午取负值，下 午取正值。每昼夜变化为1 8 0 。，每小时相当于1 5 。 酗( ，) = 硝1 2 一厅 ( 2 - - 7 ) 所以，根据上式可以得出 巴s = s ir c o s p ) = s i 口r s c s i n ( 8 ) s i n ( # ) + c o s ( a ) c o s ( # ) c o s ( n t 1 2 7 r ) 1 在任天( n ) ，从6 点至1 8 点，每平方米每小时产生的电功为： 塑! ! 三些奎兰堡圭耋堡尘圣篁! 塞奎里! ! 圣堡堡堡些兰 w 。s = c p s 。s d t = i t 2s i r ，7 s c s i n ( 6 ) s i n ( ) + c o s ( 8 ) c 。s ( ) c 。s ( n t 1 2 一万) 】t d t = s i r r s c s i n ( d ) s i n ( # ) ( t2 - t 1 ) 。c o 舻) c o s ( 抄外n ( m 别t , g ( 2 - - 8 ) 式中t i , t 2 为时间，若t 2 一t 1 = 1 ( 小时) ，t i ，t 2 e n ( 整数) ，t l ，t 2 e 6 ，1 8 则( 2 - - 8 ) 式对庐求导，有 w ；c s = s i r t 镌c s i n ( c o s ( 庐) ( t 2 一t 1 ) 棚一叩s c c _ s i 删詈s i s ( t 1 ) “n ( 等1 ) ( z 叫)石zl 呱。s = s i 口，7 。s i n ( 8 ) 【s i n ( ) 】( t ：t 。) s i 一( 酚c o s ( 抄里r 阻净“n 亩t , t f ) ( 2 - - 1 0 7 1 ) l上i z1 分析：从3 月2 1 日( 春分) 至9 月2 3 日( 秋分) 赤纬角艄3 4 5 s n ( 3 6 0 等) 。 5 lt 2 一t l = 1 ( 小时) ，t h t 2 e n ( 整数) ，t h t 2 e 6 ，1 8 ，可得 所以有，w 二s o 即在此区间w s 。s 有最大值。 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第2 章太阳能飞机设计计算 取( 2 - - 9 ) 式为0 ，即、矾。s = 0 ，可解得 庐= 智 卺藕馏 1 2 s i n ( s i n ( 净。 即当取此值时，w 。s 最大。 从9 月2 3 日( 秋分) 至第二年3 月2 1 日( 春分) ( 2 一1 1 ) 赤纬角艿= 2 3 4 5 s i n ( 3 6 。等) o 所以可得，式( 2 9 ) w ；。s 0 当卢矿时，式( 2 1 6 ) w s 时式( 2 1 5 ) w ；。s o 即在此区间，w 。s 随的增大而单调递增。 因此欲使w 。s 较大，则尽可能使最大。 当 时，式( 2 - 1 6 ) w ：。s o 雪i l 三些奎兰堡圭耋堡墼兰丝：塞銮堕墼三堡堡婆苎塞 即在此区间w 。二s 有最大值。 取( 2 - 1 5 ) 式为0 ，即w 。s = 0 ，可解得 = 妒百1 l 老 即当取此值时，w 。s 最大。 t g ( 6 ) l ( 2 - 1 8 ) o ，j i 。、 旺 蒋1 0 星 。 t | _ 时间f 小# ) 图2 - 85 月7 日倾斜角变化图2 - 96 月2 2 日倾斜角变化 - 7 日1 b 西女地e 韩度= 3 4d 。 釜 、 襄m ， 、 9 1 a j| ， | | 【 。 | ， j 时间小时 图21 07 月1 日倾斜角变化图21 18 月81 3 倾斜角变化 2 4 互他 l 州卜 坚佗 一州 西北工业大学硕士学位论文第2 章太阳能飞机设计计算 从图中可以看出，在每天的主要飞行时段9 点至l j 点之间，倾斜角的变 化很小，因此在确定了飞行时间和飞行地区后，可以适当调整飞机机翼的倾 斜角，以保证飞机获得最大的太阳辐射能。 2 4 飞行轨迹分析 从上节的计算可以得到太阳能飞机在不同时间段，在什么纬度能得到最 大的太阳能辐射量。可以在上述计算基础上，根据飞行任务要求对太阳方位 角对太阳能辐射量的影响以及太阳能飞机在某一纬度范围的最佳飞行路线进 行分析。 从地面某一观察点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线， 该投影线与正南方的夹角r 。叫太阳方位角 c o s 化) ：s i n ( a ) s i n ( 矽) - s i n ( 8 )( 2 1 9 ) c o s ( a ) c o s ( 妒) 式中a 为太阳高度角从地面某一观察点向太阳中心作一条射线，该 射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角叫太阳高度角。从上式可以锝出 某一纬度任天不同时段的太阳方位角。但对于我们的研究来讲，求日落后 的方位角是没有意义的，因此需要确定一年中不同日子的日出日落时间 = c o s 。 _ t 瓿万) t g ( 妒) 】 ( 2 2 0 ) 根据此式可求出地面上任何地区，任何一天的日出和日落时的时角。由 此可以确定从日出到日落每个时段的太阳方位角。这样就可以根据太阳方位 角的变化，设计出合适的飞机的飞行轨迹。 西北工业大学硕士学位论文第2 章太阳能飞机设计汁算 日 0 口 12 t 0t 9 j 堕塑! ! ：翌! j 图2 - 83 月2l 日太阳方位角变化图2 - 96 月2 2 日太阳方位角变化 莨 l ! 旦塑旦亘塞垫匡苎堕皇蔓! 立： 。 j ，j 、 7 耵 、 ， ： ， i j y 。 时问( 小时)陲 ， 、r 。 ， 1 ，7 卜 、 7 图2 1 09 月2 3 日太阳方位角变化图2 - 1 11 2 月2 2 日太阳方位角变化 从图中可以看出，西安地区夏至( 6 月2 2 日) 目出时的太阳方位角为 1 1 8 8 。，秋分( 9 月2 3 日) 日出时的太阳方位角为8 8 7 8 。，冬至( 1 2 月 2 2 ) 日出是的太阳方位角为6 1 2 。，春分( 3 月2 1 日) 日出时的太阳方位角 为8 9 5 l 。，从夏至到冬至，日出时的太阳方位角随着每天日出时间迟后而 逐渐减小，过了冬至后，又随着每天日出时间的提前而逐渐增大。 善，。j - 幽盟龃坚苎堕生型1 l 知 。 f 连 - - 7i 捌* j - ，。7 l j i i * j、 ， j i 0 _、 r ”1j ，j ：。l ! i：! ：! ：! ! 盛塑! 塾! 图2 - 1 26 月2 2 日广州太阳方位角变化图2 - 1 36 月2 2 日沈阳太阳方位角变化 与西安地区6 月2 2 曰太阳方位角的变化比较，可以看出在低纬度地区太 阳方位角变化较慢，随着纬度的增加，太阳方位角在各时段的变化逐渐加快。 南 。，夕芦一 1 1 1 2 1 0 1 1 、 g i 一 8 9 图2 1 4 西安地区6 月2 2 日跟踪太阳方位角的飞行轨迹图 该图是太阳能飞机在西安地区，6 月2