（机械工程专业论文）真空管太阳能热水器热效率及经济性研究.pdf

中文摘要 为提高太阳能热水器热效率，降低制造成本，本文着重从太阳能热水器真空管倾 斜角度、反射板、保温层厚度等方面对真空管太阳能热水器的热效率影响及其制造成 本的经济性进行分析论证，从而达到指导企业进行生产的目的。 第一，真空管的倾斜角度直接影响太阳能热水器对太阳辐射的有效接收和管箱之 间冷热水的自然对流，从而影响了太阳能热水器的热效率，而这一角度又于当地的纬 度及赤纬角有直接的关系。综合以上关系，本文提出了合理的选择真空管倾斜角度的 原则和方法。 第二，反射板可以有效的提高热水器的热效率，本文通过对几种反射板特征、反 射板材料的各种性质的实验对比，使用不同材料的反射板对于提高热水器热效率的对 比，提出了按照合理的性能价格比选择反射板类型和材料的观点。 第三，本文主要从保温层对于白天集热效率以及夜间保温效果的实验研究及理论 论证，以及经济性能的影响，得出了合理的保温层经济厚度以及合理的材料密度。 其中本文主要采用实验对比和计算分析的方法对太阳能热水器热效率和经济性做 出相应对照。 关键词：真空管、太阳能热水器、倾斜角度、自然对流、反射板、纬度、保温层、 热导率、热效率、经济性 a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h et h e r m a le f f i c i e n c yo fs o l a rw a t e rh e a t e r s ，a n dr e d u c et h e m a n u f a c t u r i n gc o s t ，t h i s a r t i c l ea n a l y z e st h et h e m l a le f f i c i e n c yi n f l u e n c eo fs o l a rw a t e r h e a t e r sa n dt h em a n u f a c t u r i n ge c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yf r o mt h ea s p e c to ft h e l e a n i n ga n g l eo fv a c u u mt u b e s ，r e f l e c t i n gb o a r d ，a n dt e m p e r a t u r ek e e p i n gl a y e r , e t c ，a n d f i n a l l yr e a c h t h ep u r p o s e o f g u i d i n gp r o d u c t i o n f i r s t l y , t h el e a n i n ga n g l eo f t h ev a c u n mt u b ei n s t a l l e di nt h ew a t e rh e a t e rc a nd i r e c t l y i n f l u e n c et h ec a p a b i l i t yo fa b s o r b i n gs o l a rr a d i a t i o na n dt h eo ft h en a t u r a lc o n v e c t i o n b e t w e e nt h ec o l dw a t e ra n dh o tw a t e ri nt h et u b e sa n dt h ew a t e rt a n k ，s ot h a ti n f l u e n c et h e t h e r m a le f f i c i e n c yo ft h es o l a rw a t e rh e a t e r a n dt h ea n g l ea l s oh a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pw i m t h el o c a ll a t i t u d ea n dd e c l i n a t i o na n g l e c o l l i g a t i n gt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e l a t i o n s h i p s ，t h i s a r t i c l eg i v e su st h er e a s o n a b l ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fs e l e c t i n gt h el e a n i n ga n g l eo ft h e v a c u u mt u b e s e c o n d l y ，t h er e f l e c t i n gb o a r dc a r li n c r e a s et h et h e r m a le f f i c i e n c yo f t h es o l a rw a t e r h e a t e re f f e c t i v e l y t h ea r t i c l eg i v e st h ev i e w p o i n to fs e l e c t i n gt h et y p ea n dm a t e r i a lo ft h e r e f l e c t i n g b o a r db yc o m p a r i s o nw i t ht h ec h a r a c t e ra n dp r i c i n g ，w h i c hi sc o n c l u d e db y e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o nw i t hd i f f e r e n t c h a r a c t e ra n dn a t u r eo fr e f l e c t i n gb o a r da n dt h e c o m p a r i s o nw h i tu s i n gd i f f e r e n tr e f l e c t i n gb o a r dt o i n c r e a s et h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e s o l a rw a t e rh e a t e r t h i r d l y , t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e - k e e p i n gl a y e rt h r o u g ht h e e x p e r i m e n tr e s e a r c ha n da r g u m e n t a t i o n o ft h e o r yo ft h et h e r m a le f f i c i e n c yd a y l i g h ta n d t e m p e r a t u r ek e e p i n ge f f e c ta tn i g h t ，a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ee c o n o m y , a n d t h u sg i v e st h e r e a s o n a b l et h i c k n e s sa n dm a t e r i a ld e n s i t yo ft h et e m p e r a t u r e k e e p i n gl a y e r t h i sa r t i c l e g i v e s r e l a t i v e c o m p a r i s o n o ft h e r m a l e f f i c i e n c y a n de c o n o m i c a l p e r f o r m a n c eo fs o l a rw a t e rh e a t e r sm a i n l ya d o p t i n gm e a n so fe x p e r i m e n tc o m p a r i s o na n d c a l c u l a t i o na n a l y s e s 。 k e y w o r d s ：v a c u u mt u b e ，s o l a rw a t e rh e a t e r , l e a n i n ga n g l e ，n a t u r a lc o n v e c t i o n ，r e f l e c t i n g b o a r d ，l a t i t u d e ，t e m p e r a t u r e k e e p i n gl a y e r , t h e r m a lt r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c y ，t h e r m a le f f i c i e n c y e c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e 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彳亍的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鎏盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名：哆蛔j 签字日期：们上年月绣同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘茎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，并采用影印、缩印或扫播等复制手段保存、茫编以供查阕稆借阕，同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名：王国迅 签字r i 朗：0 府吐年么 j 髟f _ 1 签字r 期：j 础年厂j _ j 刀l i 第一章引言 1 1 世界太阳能利用的发展 第一章引言 关于太阳能的利用，早在我国馥周时代( 公元前十一世纪) ，我们的祖先已经掌握 “阳燧取火”的技术，即一种金属凹面镜会聚阳光点燃艾绒，取得火种。在距今一千 多年前晋代张华著的博物志一书中，有“削冰命圆，举以向目，以艾承其影，则 得火”的记载，说明我们的祖先在一千多年前已能用冰制成凸透镜取火。在国外，有 一个古老的传说，在公元前2 1 4 年，希腊著名科学家阿基米德利用许多磨亮的金属盾 牌会聚阳光烧毁了攻击西西里岛东部西拉修斯港的支罗马舰队。1 9 7 3 年，希腊科 学家伊奥尼斯萨克斯为了证实此传说，在皮拉斯城使用7 0 面镜子( 每面镜子的面积 约2 3 平方米) ，把一艘4 5 米长的木船烧着了。直到1 6 1 5 年，世界上出现了第一台太 阳能驱动的发动机以后，太阳能利用才进入了一个新的历史时期。 近代太阳能利用历史可以从1 6 1 5 年算起，直至本世纪七十年代初，在这三百多年 中，根据太阳能利用技术比较重要的关键性突破，可以将它划分为三个阶段。 第一阶段为1 6 1 5 年至1 9 0 0 年。在这一阶段中，已经初步成功地实现了将太阳能 转换为机械能，但功率不大，一般只有1 2 马力( 3 6 7 7 1 l i f ) 至3 马力( 2 2 1 k w ) ，但造 价非常高，实用价值不大。而太阳能采集几乎全部采用聚光装置，用手动跟踪太阳。 这一阶段比较典型的装置有；t 6 1 5 年，世界上首次实现把太阳能转换为机械能， 该装置是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功的抽水机；1 8 5 4 年至1 8 7 4 年，世界上 第一次用反射镜聚集阳光使锅炉产生蒸汽，推动一台太阳能蒸汽发动机：1 8 7 2 年，智 利建成一个面积约4 6 8 2 平方米的太阳能蒸馏装置；1 8 7 8 年，巴黎世界博盟会上展出一 台太阳能印刷机；1 8 8 3 年，建成一台由3 3 米长、4 8 米宽的抛物槽形反射镜组成的， 焦线上置有一根直径1 6 6 毫米吸热管，采用手动跟踪阳光的太阳能发动机。 第二阶段为1 9 0 0 年至1 9 2 0 年。在这一阶段中，太阳能研究的重点仍然是太阳能 动力装置，太阳能聚光装置已从单一采用聚光器发展到采用平板集热器，同时开始采 用双循环低沸点工质的动力系统，并且装置逐渐扩大，最大输出功率达到1 0 0 马力 ( 7 3 6 4 k w ) 左右，实用目的比较明确，但成本仍然很高。 在这阶段中有代表性的典型事例有：1 9 0 1 年，在美国加州建造了一台太阳能抽水 装置，聚光器是顶部直径为1 0 米，底部直径为4 5 米的截头圆锥，产生的蒸汽压力为 1 0 5 公斤厘米2 ，用来驱动一台往复式蒸汽发动机，峰值功率约l o 马力( 7 3 6 k w ) 。 1 第一章引言 1 9 0 2 1 9 0 8 年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工 质。1 9 1 1 年，在美国宾夕法尼亚州建造了一套规模巨大的动力装置，采用上下方侧翼 带反射镜的平板集热器集热。集热器总面积1 9 2 0 平方米，日平均输出功率约1 6 马力 ( 1 1 7 6 k w ) ，抽水能力1 1 4 0 0 0 升分，提水高度1 0 米。1 9 1 3 年，在埃及开罗以南建造 了一个由抛物镜组成的太阳能动力灌溉系统，从尼罗河中抽水。其五个抛物槽形聚光 器，每个长6 2 5 米，宽4 米，总采光面积1 2 8 0 平方米。 第三阶段为1 9 2 0 年至6 0 年代末。在这一阶段，已经加强了太阳能基础理论和基础 材料的研究，出现了光谱选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器 有了很大发展，技术上也逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建设了一批 实验性太阳房。同时对斯特林发动机和高温塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 在这一阶段中，1 9 2 0 1 9 4 5 年前后，世界上太阳能的研究处于低潮阶段，这可能 与当时大量使用矿物燃料和发生第二次世界大战有关。战后，一些有远见的人士已经 意识到石油天然气资源正在迅速减少，各国又开始重视太阳能研究工作并取得了一些 重大的成果，比较突出的有：以色列泰博教授提出选择性涂层基础理论并研制成功黑 镍等选择性涂层，为高效利用平板集热器奠定了基础；1 9 5 4 年美国贝尔实验室研制成 实用型硅太阳电池，极大地促进了太阳能光伏利用。此外，还有其它一些典型事例： 1 9 5 0 年，前苏联设计完成一个塔式太阳能发电站，用装在轨道上可移动的定日镜跟踪 太阳，设计功率为2 5 x1 0 6 千瓦。1 9 5 2 年，法国国家科学研究中心在比利牛斯山东部 建造了一座5 0 千瓦的太阳炉。1 9 6 0 年，在美国佛罗里达州建成世界上第一套用平板集 热器供热的氨一水吸收式空调系统。1 9 6 1 年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。 1 9 6 5 1 9 6 8 年，意大利先后建立了三套塔式太阳能试验装置。 7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家大 大加强了对太阳能和可再生能源技术发展的支持，研究领域不断扩大，研究工作日益 深入，取得一批较大成果，如c p c 、正空集热管、非晶硅电池、光解水制氢、太阳能热 发电等。1 9 7 3 年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1 9 8 0 年又正式将光伏发电列入 公共电力规划，累计投资达8 亿多美元。1 9 9 2 年，美国政府颁布了一项新的支持光伏 发电发展计划，目标要使2 0 0 0 年美国太阳电池的总产量达到1 4 0 0 兆瓦，约相当于目 前全世界太阳电池总用量的l o 倍。日本在7 0 年代制定了全国性的“阳光计划”合并 成“新阳光计划”。1 9 9 2 年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，通过了里约 热内卢环境与发展宣言，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。 其它像德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。 与此同时，许多国家还从政策上采取措施，鼓励开发利用洁净能源。如丹麦政府 对安装风力机的用户给予1 0 0 的安装费用补贴。这一时期，各国加强了太阳能研究工 2 第一章引言 作的计划性，不少国家制定了近期和远期太阳能发展计划，研究领域不断拓展，研究 工作日益深入，取得了大批科研成果。国际间合作也十分活跃，许多发展中国家也开 始积极参与太阳能开发利用工作。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大 主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技 攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。我国政府明确提 出“园地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源” 并制定了中孱e 帝世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目。 1 2 太阳能热水器的发展 太阳能热利用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。二十多年来，太阳能利用技术的研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了 长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。其中太阳能热水器就是其中一 个典型的代表产业。1 9 9 8 年世界太阳能热水器的总保有量约5 4 0 0 万m 2 。按照人均使用 太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居世界首位，分别为l m 2 人和0 7 m 2 人。日本 有2 0 的家庭使用太阳能热水器，以色列有8 0 的家庭使用太阳能热水器。 它的发展主要经历了三个产品阶段：平板式太阳能热水器、闷晒式太阳能热水器、 真空管式太阳能热水器。 1 2 1 平板式太阳能热水器 2 0 世纪三十年代，在将平板集热器用于动力装置的同时，许多国家已经注意到该 技术向民用方面的转化。澳大利亚、德国、美国等国家在泰博教授选择性理论的基础 上，率先将平板集热器应用到家用热水领域中，于是诞生了平板式太阳能热水器，开 创了太阳能热水器的先河。他由平板集热器和储水箱组成，采用自然对流循环热水方 式。平板集热器卣吸热体、透明盖板、保温层和框架组成。吸热体由碾压吹涨成型的 铜铝复合管板或全铜管板或不锈钢冲压成型焊接而成的扁盒构成，向光面涂有丙烯酸 黑漆或黑铬或用阳极氧化着色的选择性涂层，用来接收并吸收阳光，将光能转化成热 量通过自然循环加热储水箱中的水。集热器的和侧面有保温材料进行保温。 作为太阳能热水器的先驱，其核心技术是吸热体板芯的设计制造技术。在国外， 吸热体的加工工艺和专用生产设备已经具有非常高的水平，韩国、日本、澳大利亚等 国家的太阳能热水器大多为该型号。我国在7 0 年代就已经有平板集热器极其热水系统 的应用，大多集中在军工单位。由于集热器大多由小五金作坊手工制作生产，吸热体 3 第一章引言 热性能较差，寿命周期较短，销量有限。1 9 7 9 年，北京市太阳能研究所在对平板集热 器技术一经济效益分析和充分调研的基础上，引进加拿大s u n s t r i p i n c 制造集热器吸热 板芯的全套铜铝复合碾压吹涨成型工艺和生产线，并成立北京市桑普技术公司，生产 铜铝复合板芯条带，取代手工生产的劣质板芯。该生产线的引进使我国平板集热器产 品质量上了一个新的台阶。同时，桑普公司还将北京市太阳能研究所的铝表面阳极氧 化着色选择性吸收涂层成果开发为连续电镀生产线，为铜铝复合的铝翘翅和吸热板芯 增添了带有选择性涂层的新品，并用于平板集热器开发出家用平板式太阳能热水器及 多回路家用平板式太阳能热水器，质量达到国际先进水平。现在国内有1 8 条引进铜铝 复合板芯生产线，同时还有全铜管板和防锈铝管翼生产线是十几条，年生产能力在1 0 0 万平米左右。但是由于其自身结构原因，透明玻璃盖板和吸热体之间无法抽成真空， 和外界之间存在着严重的对流热损失，不便于保温，不能在低于0 度的条件下使用， 所以近几年来国内市场占有率正在大幅度降低。由于该型号热水器具有集热效率高、 启动快、造价低廉的特点，所以该技术正在得到改进和完善。 值得一提的是，虽然近几年国内太阳能热水器的市场大有真空管式太阳能热水器 一统天下的趋势，但是在国外大多数国家中，平板式太阳能热水器的市场占有率却一 直维持在9 0 以上。这应该引起国内众多太阳能生产厂家重视。 1 2 2 闷晒式太阳能热水器 它是集热系统和储水系统合二为一的整体式简易热水系统，一般由二至三个圆筒 组成，圆筒的表面涂上不反光的黑漆用来吸收阳光。有的使用黑橡胶皮囊作为简易的 储水吸热体，外面与平板式集热器相同，具有保温和框架。也有的直接用黑色塑料袋 直接制作。其特点是技术含量低，结构简单，制作方便，造价低廉，缺点是由于散热 较大热效率低，尤其是夜间散热严重，热水不能过夜使用。这是由于前期乎板式太阳 能热水器价格昂贵结果的廉价分支，虽然前期在农村有一定的推广，但是随着生活水 平的提高，如果没有一定的技术突破，它的市场份额将会进一步降低。 1 2 3 真空管式太阳能热水器 平板式集热器的抗冻性能比较差，使它在太阳能热利用领域中的全面推广受到限 制。于是科学家将眼光转向抗冻型集热器的研究。由于平板集热器的主要热损失是热 水与空气的自然对流，而限制集热器对流热损失的主要途径和手段是将吸热体与透明 盖板之间的空隙抽成真空。由于空气压力，这对于平板集热器显然是具有较高的难度。 但这对于圆管来说是轻而易举的事。 4 第一章引言 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管是由单层 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。该设计曲面使投射的太阳射线 在一宽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) 在全玻璃真空集热管上应用的雏形，为降低热损失，熟管上开 始电镀黑铬。现在，国外已经具有完备的生产制造真空玻璃管的工艺和技术，并且和 c p c 技术得到完美结合。 我国从2 0 世纪7 0 年代后期就开始对玻璃真空集热管技术进行研究。1 9 8 4 年，清 华大学殷志强教授发明单靶制造太阳选择性吸收涂层技术并于1 9 8 5 年研制成功一种新 型选择性吸收涂层，即铝一氮一铝选择性吸收涂层，该选择性吸收涂层被世界公认为性 能价格比最佳，从而形成至今仍然居世界领先水平的真空集热管制造核心技术一铝一氮 一铝溅射选择性吸收涂层技术，为真空集热管的制造奠定了良好的基础。1 9 8 6 年到1 9 9 2 年间，清华大学在完成国家“七五”科技攻关课题“玻璃真空管热水器技术开发与 应用”和国家自然科学基金项目“选择性吸收表面光性下降机理的研究”的基础上， 于1 9 8 9 年自筹资金建立了全玻璃真空集热管中试生产线，并经过4 年的中试解决了技 术关键，确定了生产工艺，并与北京玻璃仪器厂联合创办了清华大学太阳能电子厂， 完成了技术向成果的转化同时将真空集热管用于家用太阳能热水系统，开创了真空管 型太阳热水器的先河并在技术上达到世界领先水平。清华大学在生产集热管的同时， 通过开办培训班，免费赠送图纸等措施，初步打开了市场，为我国真空管式太阳能热 水器和真空集热管的规模化、产业化奠定了基础。8 0 年代后期至9 0 年代初，北京市太 阳能研究所相继在我国政府、u n d p 支持下，与德国合作研制成功可在高寒地区推广的 热管式真空管集热器，1 9 9 6 年与德国d a s a 公司合资建立了热管式真空管集热器生产 厂，实现了规模化生产，使我国的该技术达到国际领先水平。时至今天，全国共有全 玻璃真空集热管生产线3 0 0 多条，年成产能力突破6 0 0 0 万只大关，真空管式太阳能热 水器生产厂家超过1 0 0 0 家，2 0 0 1 年年产量达到5 0 0 万平米，销售量达到4 5 5 万平米。 1 3 真空管式太阳能热水器的市场发展现状 目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。经过近5 年的发展，真空管式太阳能热水器已经取得长足的进步，并逐步取代了平板型热水器国 内市场的龙头地位，逐步占据了太阳能热水器市场的绝对主导地位。不同太阳能热水 5 第一章引言 器的市场份额见表卜1 ，目前热水器主要用于家庭，其次是厂矿机关公共场所等。 由表卜1 可以看出，真空管型太阳能热水器以其独特的优点，正在得到广大用户 的青睐。据国家经贸委资源与综合利用司提供的消息，目前，我国已成为世界上最大 的太阳能热水器生产和使用国。2 0 0 0 年，我国太阳能热水器年销售量达6 0 0 万平方米， 实现产值6 0 亿元，上缴税金2 5 亿元。2 0 0 0 年底全国太阳能热水器拥有量达2 6 0 0 万 平方米，年替代常规能源能力4 0 0 万吨标准煤，居世界第一位。太阳能热水器已成为 与燃气热水器、电热水器并列的3 大热水器之一，并以其安全、节能、经济、环保等 优点为消费者接受。我国太阳能热水器市场年增长率为2 0 3 0 ，整个太阳能热水器 行业产值已超过3 5 亿元。据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，5 7 4 拥 有燃气热水器，3 1 3 拥有电热水器，拥有的太阳能热水器只有7 6 。但在城市家庭的购 买预期调查中，三者的比例将演变为3 5 8 、3 0 2 、2 3 2 ，太阳能热水器的比例将大幅 增长。据预测，到2 0 1 5 年，我国太阳能热水器普及率将达到2 0 3 0 ，约2 3 2 亿平 方米的市场拥有量，年产值4 3 8 亿元。但同时应当看到，我国太阳能热水器市场还远 没有开发出来，太阳能热水器的户用比例只有3 ，与日本的2 0 和以色列的8 0 相 比相差甚远，因此中国的市场容量尤其是真空管式太阳能热水器是非常巨大。 表卜1 我国家用热水器的市场份额 、，场份额 1 9 9 7 焦1 9 9 8 年1 9 9 9 在2 0 0 0 生2 0 0 1 生 热水器类型、( 万m 2 )( 万m 2 )( 万m 2 )( 万m 2 )( 万m 2 ) 闷晒式太阳能热水器 7 52 5 8 02 0 6 01 2 6 01 0 5 28 平板式太阳能热水器 1 4 54 5 1 8 04 5 1 6 03 3 1 6 02 5 1 4 32 2 真空管式太阳能热水器 9 03 0 1 4 03 5 2 8 05 5 4 2 06 5 4 5 57 0 1 4 我国真空管式太阳能热水器技术现状 我国的太阳能热水器工业正逐步走向成熟，除了技术不断改进、产品质量不断提 高外，几种热水器的国家标准已经颁布并开始实施：如“平板热水器热性能评价实验 方法”( g b4 2 7 1 8 4 ) ；“平板热水器产品技术指标”( g b6 4 2 4 8 6 ) ：“家用热水器热性 能实验方法”( o b1 2 9 1 5 9 1 ) ；“全玻璃真空管集热器”( g b t1 7 0 4 9 1 9 9 7 ) 等。 但是应当看到，各生产厂家在实际生产中基本上采用“拿来主义”的原则，照搬 清华大学早期样式，在集热器方面的设计针对性差，尤其存在着炒作概念、过于注重 外观和材料的使用，没有充分考虑热水器的集热性能和经济性能，使消费者承受一部 分不必要的费用。同时有些企业没有对全国各地不同经纬度和日照情况进行专门的研 究，设计上不符合国内的实际情况，对生产缺少理论方面的指导。 6 第二章真空管和真空管热水器综述 第二章真空管和真空管热水器综述 2 1 全玻璃真空管的结构 9 玻璃营造择性吸收潍层真空夹层自玻璃管 支撑件一弹簧卡子吸气膜吸气剂 i ， l | ， 图2 - i ：全玻璃真空管结构示意图 如图2 一l 所示，全玻璃真空集热管可分为内玻璃管、外玻璃管、支撑件和选择性 涂层等几部分，实质上是一种夹层抽成真空并在内管外壁镀上选择性吸收涂层的双层 同心玻璃管，形如拉长的暖瓶。 制造真空集热管一般选用高硼硅玻璃，该型号玻璃具有良好的光线透过率，平均 光线透过率超过9 0 以上，同时具有低的热膨胀系数，耐热急变性能良好，抗酸碱性能 较高。可以在一2 0 以下的环境下使用。在正常情况下，内管温度可达1 0 0 。c ，空晒时 可高达2 6 0 。 为减少内外管之间的传热，它采用高真空技术，使内外层玻璃管之闯夹层的压强 维持在1 0 1 p a 以下，基本上消除了内外管壁之间空气的热传导和基本上消除了外层盖 板玻璃和内层吸热玻璃之间的热传导和自然对流。为保持夹层内的真空度，在夹层的 底部还放置了吸气剂。 为保证在真空管对太阳辐射充分吸收的同时有效的降低内外管之间的辐射热损， 在玻璃内管外表面上采用高真空反应蒸镀、磁控溅射等技术镀上具有优良耐热性和长 期稳定性的选择性吸收涂层，使真空管对透过外管壁的太阳光谱范围( 0 3 5 2 5 u m ) 辐射能量具有较高的吸收率，而在远红外波段( 2 5 2 s u m ) 具有很低的发射率，因 而有效地拟制了辐射热损。它的工作原理是通过涂层吸收太阳辐射能量，以金属基底 发射长波辐射。 7 第二章真空管和真空管热水器综述 2 2 真空管热水器的结构 全玻璃真空管热水器由水箱、真空管、支架系统、反射板及相关组件等部分构成。 如下图2 2 所示。 水箱， 壳保温层水箱内胆 图2 - 2 真空管太阳能热水器结构示意图 全玻璃真空管太阳能热水器集热器由开口端插入水箱下部的一定数目的真空管组 成，真空管内选择性吸收涂层吸收太阳辐射热量，内管管壁温度升高并加热真空管内 的水，由于水箱内的水湿低于真空管内水温，则利用水箱、真空管内冷热水之间的自 然对流将热量逐步传递到水箱中去。 2 2 1 水箱系统 水箱系统一般由内胆、外壳、内外壳之间的保温材料及相关真空管密封圈组成。 内胆由于长期和水接触，所以要求材料耐腐蚀性能良好，便于加工，且具有良好的卫 生性能。大型企业一般用0 5 o 6 m m 厚的不锈钢板材作为内胆材料，但为了降低制造 成本，提高其经济性，现在许多企业降低不锈钢板材的厚度，采用0 3 o 4 m m 厚板材， 内胆采用滚筋技术提高内胆强度，达到降低成本的目的。 水箱的外壳一般采用一定强度的不锈钢板材或压花铝板、防锈铝板、彩色喷涂钢 板，以便于支撑固定整个水箱。由于长期置于室外恶劣环境下工作，该材料必须具有 8 第二章真空管和真空管热水器综述 良好的耐腐蚀且兼顾美观和良好的经济性。由于不锈钢板材质地美观耐腐蚀，有些企 业错误引导市场，片面夸大不锈钢外壳的好处，让消费者承担了一些不必要的费用。 实际从实用性经济性考虑，防锈铝、压花铝、彩色喷涂板完全可以达到外壳的材料要 求，而成本将是不锈钢外壳的三分之一。同时不锈钢亮板由于造成光污染而受到一些 专家的质疑。 现在许大多数企业保温材料都是利用聚氨酯整体发泡，还有些企业用聚苯乙烯泡 沫塑料。这些材料易于加工，常温下导热系数较低。现在热水器保温层厚度一般在4 5 6 0 r a m 之间，关于保温层厚度对水箱保温性能和经济性能的影响将在后面专题论述。 2 2 2 真空管管数 由于真空管内径很小，国内一般通用为3 7 毫米，这就决定了它对太阳垂直截面即 接受太阳辐射面的面积很小。以真空管作为核心集热元件的太阳能热水器，要保证对 太阳辐射有足够的接收面积，以保证吸收足够多的太阳辐射，必须使用一定数量的真 空管。现在市场上的太阳能热水器真空管数量一般从1 2 开始以2 的倍数增加到2 4 只 管。出于安装和降低成本考虑，组成集热器的真空管并非紧密排列，相邻两管之间有 一定的间隙。真空管安装在太阳能热水器上具有一定的倾角且，该倾角的选择从后面 将进行专门论证。 2 2 3 反射板及其形状 由于太阳能热水器相邻两根全玻璃真空集热管之间有一定的间隙，所以就有一部 分辐射从这间隙透过而损失掉。为尽可能多的利用太阳辐射，充分利用透过相邻两真 空管间空隙的阳光，提高太阳能热效率，在真空管的背面应该增加反射板，将该部分 太阳辐射反射到真空管上加以利用。在通常情况下的反射板有平板形、v 形、圆弧形、 复合抛物线( c p c ) 形，采用的材料根据作用有漫反射材料和镜反射材料。其作用和相关 经济性分析将在后面论述。 2 3 本文的任务 本文主要采用实验对照和理论论证结合的方法，结合太阳能热水器设计、生产的 实际情况，主要对真空管的倾斜角度、反射板、保温层厚度影响热水器热效率以及经 济性能进行研究论证。 9 第三章真空管倾斜角度对太阳能热水器熟效率的影响 第三章真空管倾斜角度对太阳能热水器热效率的影响 3 1 太阳辐射能量 太阳是一颗熊熊燃烧的大火球，她以辐射的方式源源不断地向地球传递能量，这些 能量是取之不竭用之不尽的。太阳发射出来的总辐射能量为3 7 5 1 0 2 6 瓦，其中只有 2 2 亿分之一到达地球，而到达地球范围的辐射能量为1 7 3 1 0 “k w ，其中被大气吸收的 能量为4 0 1 0 ”k w ，约占到达地球范围内辐射总量的2 3 ，被大气分子和尘埃反射回宇 宙的能量为5 2 1 0 ”k w ，约占到达地球范围内辐射总量的3 0 ，穿过大气层到达地球表 面的太阳辐射能大约为8 1 1 0 ”k w ，约占到达地球范围内辐射总量的4 7 ，而到达地球 表面的这些能量中，仅仅有1 7 x 1 0 ”k w 分配到陆地表面，约占到达地球范围内辐射总 量的1 0 。这1 7 1 0 ”k w 能量相当于全世界一年内消耗的各种能源产生的总能量的 3 5 0 0 0 倍。在陆地接受的这部分太阳辐射能中，被植物吸牧的仅占o 0 1 5 ，被人们作为 食物和燃料的也只有0 0 0 2 ，所以利用的比重微乎其微。可见，太阳能利用的潜力是 相当大的。 将太阳辐射到达太阳能热水器集热器累计日辐射量定义为日曝辐量h 。在良好光照 日，该日曝辐量h 的获得主要集中在太阳时8 ：0 0 1 6 ：0 0 这一段时间，尤其是正中午附 近的2 个小时，占到日曝辐量的4 0 多。从表3 一l 中可以看出每小时辐射总量在日曝辐 量中占有的比例。 表3 - 1 太阳小时辐射总量在日曝辐量中占有的比例( ) i 太阳时8 99 1 0 1 0 1 11 1 1 21 2 1 31 1 41 4 1 51 5 1 6其他 l 比例 5 7 97 7 81 1 - 3 51 9 9 6 2 1 0 71 2 1 38 9 76 8 16 1 4 3 2 太阳角 在计算进入太阳能集热器辐射能量时，必须知道当地的纬度、太阳赤纬角和太阳时 角。如图3 一l 所示。 天顶轴是通过南北轴和东西轴交点的水平面上的真线。考虑通过这一坐标原点的的 一条太阳光线，这条光线与天顶轴的夹角叫做天顶角孚。那么太阳高度角a 即太阳光线 与水平面的夹角就是“= 9 0 。0 。含有天顶轴和太阳光线( 通过原点) 的平面与水平面垂 直。该平面与水平面的交线与朝南坐标轴的夹角y 就是太阳方位角。通过地轴的平面是 1 0 第三章真空管倾斜角度对太阳能热水器热效率的影响 经度面，与地轴垂直的平面是纬度面。含有天顶轴的经度面和含有太阳光线的经度面与 纬度平面交线之间的夹角6 0 称为太阳时角，该角每小时变化1 5 度。6 0 以当地太阳时问 正中午即太阳升到天空的最高点为0 度，太阳正午之前为正度数，太阳正午之后为负度 数。赤纬角d 是投射到地球上某一点的太阳光线与地球赤道平面的夹角。 北 无顶轴 直射目光 极轴平行线 p 卜 睢坛 j 南 图3 1 太阳角 如果知道当地的纬度中、太阳赤纬角6 和时角。，如前面3 一l 图中所示，就可以用 下式计算天顶角臼： c o s 口= c o s 由c o s 6 c o s u + s i n 出s i n 6 ( 3 - 1 ) 3 3 热效率t 1 a 热效率m 是目前评价太阳热水器热性能的重要指标， 下，一天内总有效得热与斜面上累计的日曝辐量之比，即 ”d2 【m c p x ( t e t s ) ( a e h 3 它定义为在规定的气象条件 ( 3 - 2 ) 其中：m 为水箱容水量，单位为埏， c p 为水的比热容，单位为w - 蚝， t e 为终了时的水温，单位为， t s 一为初始时的水温，单位为， a e 为太阳集热器的采光面积，单位为酐， h 一为太阳集热器斜面上的曝辐量，单位为i l l 2 d 。 在国标g b t1 2 9 1 5 中规定的测试条件除日照、环境温度及风速之外，对测试时每 平方米采光面积对应的水量，至规定应不大于1 0 0 k g ，即m a c t w 2 ， q = 九s ( “l - t 。2 ) 6 由 s = 冗r 1 2 令,d r = t ，j t 吐 得到：q = 梳r 1 2 a t 5 积分上式可得： ( 5 4 ) ( s 一5 ) f s 一6 ) ( 5 7 ) 图5 2 封头平壁热传导 扶式5 7 可以看出，随着厚度的逐渐增大，单位时闻内该面积上的热量散失成线 性减少关系。 5 3 2 筒身周围定态圆筒壁热传导方程 图5 3 是水箱内胆简身周围保温层圆筒壁热传导示意图。保温层的内径为r l ，厚度 为6 ，长度为l ，圆筒形保温层内表面的温度为t w l ，外表面的温度为t 观，内外表面都 是等温面并且垣有t 。l t 吡。若在圆筒形保温层半径r 处沿半径方向取微分厚度d r 的薄 壁圆筒，其传热面积s = 2 r c r l ，由于对于固定的太阳能热水器内胆半径r l 和保温层长度 l 都是常数，所以传热面积也是常数。假设通过该薄层的温度变化为d t ，圆筒壁的平 均热导率为九且不随温度而变化，根据傅立叶定律，通过该薄圆筒壁的导热速率可以 表示为： q = - - k s ( d t d r ) 2 一m 2 n r l ) ( d e a r )( 5 - g ) 当r = r l 时，t = t w l ；当r = r t 伯时，t = 妇；并且值有t w i t w 2 ，将式5 8 分离变量 并积分可得： q = 2 m 。h t w l 一t w 2 ) i n ( f a i r l )( 5 - 9 ) 3 6 第五章保温层厚度对太阳能热水器热效率及经济性影响 由 令 得到 r 2 = r l + 6 t = t w l t w 2 q = 2 札丸卅t l n ( r t + 8 ) r 1 ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) 图5 4 水箱筒身周围定态圆筒壁热传导 从式5 1 1 可以看出，随着厚度的逐渐增大，单位时间内该水箱上的热量散失在逐 渐减少。 5 3 3 太阳能热水器水箱上的热量散失方程 由上面5 - 3 1 和5 3 2 的分析结合太阳能热水器水箱的结构可以看出，太阳能热水 器水箱的热损方程可以表示为： q = 2 hr 1 2 1 t 6 + 2 7 c l x a t l n ( r l + 8 ) r 1 ( 5 1 2 ) 对于指定的太阳能热水器，其水箱保温层的热导率九、内径r l 、长度l 都是常数， 所以能量的损失只与保温层的厚度和内外温差t 有直接关系。对于不同厚度保温层的 两台热水器，在同一环境下，热量的散失表现为不同的温差t 即水箱内部水温的区别。 下面的讨论主要是通过对太阳能热水器水箱内部水的终了温度和温差么t 的变化来体 现保温层的作用。 5 4 保温层厚度对太阳能热水器整体性能的影响 5 41 不同厚度保温层对于太阳能热水器热效率的影响 3 7 第五章保温层厚度对太阳能热水器热效率及经济性影响 前面已经提到过，太阳能热水器水箱内部和外部环境存在着温差，所以白天系统 收集太阳辐射将之转变成热量的过程中，同时存在着水箱向外部环境散失热量的过程。 所以水箱的保温性能赢接影响到热水器的集热效率。因为系统的保温性能越好，系统 在吸收热量的同时散失的热量就越少，水箱内水得到的热量就越多，水温上升的就越 快，系统的集热效率就越高。反之集热效率就越低。下面通过实验来看一下不同厚度 保温材料对于热水器集热效率的影响。 实验方法是在保温层厚度分别为2 5 毫米、3 5 毫米、4 0 毫米、4 5 毫米、5 0 毫米、 5 5 毫米、6 0 毫米同型号的七台热水器摆在指定的同一实验场所，在热水器水箱的正 中位置放置数字测温器测温探头，测量一天中水的温升。实验时，每天早8 ：0 0 同时为 热水器上满水，每天下午1 6 ：0 0 同时对热水器水箱中水的温度进行测量并记录下来，然 后在每天晚上2 0 ：0 0 将水箱中的水放光，第二天重复做，连续做6 天。表5 2 是实际测 量结果。 媪升初始保温层厚度 时高温度2 5 毫米3 5 毫米4 0 毫米4 5 毫米5 0 毫米5 5 毫米6 0 毫米 第1 天 1 2 61 6 41 9 62 1 22 2 72 3 92 3 82 3 7 第2 天 1 3 t 31 7 22 0 62 3 52 4 22 5 72 5 72 5 5 第3 天 1 3 71 6 31 9 72 1 42 3 12 4 - 32 4 22 4 1 第4 天1 2 81 5 81 9 5 2 1 o2 2 42 3 72 3 72 3 7 第5 天 1 1 51 4 71 9 12 0 82 2 22 3 22 3 12 3 1 第6 天1 2 71 5 1 1 9 82 2 12 3 92 5 32 5 32 5 2 从表5 - 2 中可以看出，随着太阳能热水器水箱保温材料厚度的增加，太阳能热水 器的温升在逐渐增加。但是在厚度达到5 0 毫米后，水箱中的温升不但没有上升，反而 接近或者略有下降。这是因为，真空管吸收到的太阳辐射能量，除去水箱散失掉的部 分，另一部分用来加热水箱中水的同时，还要