太阳能热水系统.docx

实验报告 实验题目： 太阳能热水系统的热性能测试 _xxx_级新能源科学与工程x班学 号： xxxxxxxxxxx姓 名： xxxxx 指导老师： xxxxx 实验地点： xxxxxx 前言 太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。本文使用的是平板型强迫循环热水系统。测量了不同倾角下的光辐照度，并对不同倾角、不同流速下集热器的有用功率、集热器的效率和时间常数进行了研究。摘要本实验通过对自然循环热水系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统三种太阳能热水系统的管路进行连接，认识相关管路元件，掌握管路系统的选择和设计，了解太阳能热水系统的分类和太阳能平板集热器的工作原理。通过温度传感器、压力传感器和伏照计等相关测量仪器的使用和记录数据，并计算得太阳能热水系统的热性能，同一倾角下，流速越高，集热器效率越高。关键字：太阳能 热水系统 热水系统管路连接 热性能1、 实验目的1、 掌握太阳能集热器的工作原理和管路系统的选择与设计；2、 掌握什么是自然循环热水系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统；3、 知道怎么连接上述的三种管路系统；4、 掌握测量太阳能热水系统的性能的方法。二、实验设备太阳能热水系统（包括平板集热器、水箱、水泵、流量计、温度传感器、压力传感器、电磁阀、止回阀、阀门、连接管线、管材管件等）、总辐射表、计算机三、实验原理平板太阳能集热器的基本工作原理十分简单。概括地说，阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，即为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。这就是平板太阳集热器工作原理。集热器的连接方式：串联：一台集热器出口与另一台集热器的入口相连。并联：一台集热器的出、人口与另一台集热器的出、入口相连。图1 太阳能热水试验系统示意图太阳能热水系统的分类：（1）自然循环式太阳热水系统如上图，自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。（2）主动循环式太阳热水系统 如上图，主动循环式太阳热水系统（又称强制循环太阳热水系统）是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。（3）直流式太阳热水系统如上图，直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。4、 实验条件(1)太阳辐照度：，其变化不大于。(2)介质进出口温度：进口温度，出口温度 ，环境温度。在集热器工作温度范围内至少取四个间隔均匀的介质进口温度，且的变化不大于，进口温度的变化不大于。(3)传热介质流量：。根据集热器面积，介质流量可设定在。同一试验周期内，流量变化不大于设定值的；不同试验周期内，流量变化不大于设定值的，（4）环境空气速度：实验期间周围环境空气速度不大于。5、集热器有用功率的测定当集热器工作稳定时，其有用功率计算公式：其中是传热介质比热容。6、集热器效率的计算 以集热器总面积为参考，集热器效率为：7、归一化温差的计算则 归一化温差 ，或者 8、瞬时效率曲线的确定 通过实验，取得等参数的一批测试数据，利用最小二乘法进行拟合，可得到集热器瞬时效率方程的线性表达式： 9、时间常数的确定 用于表征太阳能集热器对瞬变的驱动力反映的迅速程度，其定义实在太阳辐照度从一开始有阶跃式增加后，集热器出口温度与进口温度之差逐步上升到总增量的63.2%时所用的时间： ，且 则 时间常数： 10、入射角修正系数的测定入射角修正系数用于表征太阳能集热器透射比和吸收比的有效乘积随太阳辐射角的变化关系，其定义为入射角为时透射比和吸收比的有效乘积，与入射角为时透射比与吸收比的有效乘积的比值：，如果集热器进口温度非常接近于环境温度，即当时 为入射角为，时集热器的瞬时效率；为入射角为，时集热器的瞬时效率； 在实验中改变实验条件的方位（取值为0o、30o、45o、60o），测得对应的，得出入射角修正系数随入射角的变化关系曲线。5、 实验过程5.1 连接热水系统根据自然循环热水系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统的示意图，选取相应元件并连接相应热水系统的管路。循环热水系统: 强迫循环热水系统: 直流式热水系统: 5.2 测试太阳能热水系统1、 测量平板集热器集热面积记做Ac；2、 按照强迫循环热水系统的连接方式连接热水系统；3、 打开自来水开关，向热水器里面加水，检验各接口是否漏水；4、 打开循环泵，调节阀门改变管路中的水流量，读取流量计的读数；5、 打开电脑上控制软件，然后打开光源，将照度计放在太阳能板上，记录 0、30、45倾角太阳能板九宫格辐照度；6、将集热器倾角调为0，打开自来水开关向集热器里面注水，等水箱的 水达到集热器流向水箱入口的位置，关闭自来水开关；7、打开水泵，调节流速为0.01L/S；8、打开光源，设置软件每隔20S采集一次热水系统的环境温度、板1入水 口温度、板1出水口温度、产热水箱温度，并记录；9、当水箱温度增长趋于平缓时（一般要2小时左右），停止记录，关闭器；10、将流速分别调到0.005L/S、0.02L/S进行8、9步骤；8、分别将倾角调节至30度、45度进行8-10步骤。六、实验数据及数据处理经过测量及查表得：集热器采光面积 Ac = 0.5 m2 传热介质（水）比热容： Cp=4.2KJ/（kg）= 4.23J/（kg）传热介质（水）流量：m1=0.01kg/(s*m2)，m2 =0.02kg/(s*m2)， m3 =0.04 kg/(s*m2)集热板的倾角为45各点位置的光照度（W/(Ms)）7221271497305561300139319253平均光照度为485集热板的倾角为30各点位置的光照度（W/(Ms)）832 1610600483871439192373363平均光照度为640集热板的倾角为0各点位置的光照度（W/(Ms)）10341610788 9051615595 307 673456平均光照度为887太阳辐照度： G0 =887 W/(Ms) ,G30 =640 W/(Ms), G45 =485 W/(Ms) 1.太阳能板倾角为0，水流量为0.04时：=0.04*4.2*103J/（kg）* 2= 336W= 336/（0.5*887）*100% = 75%2.太阳能板倾角为30，水流量为0.04时：=0.04*4.2*103J/（kg）* 1= 168W= ？/（0.5*640）*100% =52.5 %3.太阳能板倾角为45，水流量为0.04时：=0.01*4.2*103J/（kg）*1 = 168W= 168/（0.5*485）*100% = 69.2%4. 太阳能板倾角为0，水流量为0.01时：=0.01*4.2*103J/（kg）* 6= 252W= 252/（0.5*887）*100% = 56.8%5. 太阳能板倾角为30，水流量为0.01时：=0.01*4.2*103J/（kg）* 5=210 W= ？/（0.5*640）*100% =65.6 %6. 太阳能板倾角为45，水流量为0.01时：=0.01*4.2*103J/（kg）*4 = 168W= 168/（0.5*485）*100% =69.3 %7. 太阳能板倾角为0，水流量为0.02时：=0.02*4.2*103J/（kg）* 3 =252 W= 252/（0.5*887）*100% = 56.8%8. 太阳能板倾角为30，水流量为0.02时：=0.02*4.2*103J/（kg）* 3 = 252W= 126/（0.5*640）*100% =78.75%9. 太阳能板倾角为45，水流量为0.02时：=0.02*4.2*103J/（kg）*2 = 168W= 168/（0.5*485）*100% =69.2 %七、实验分析与讨论（1）0倾角的平均辐照度最大，30的次之，45的最小。这是由于热水器的倾角与太阳高度角互余时，光照强度最大。实验时灯光是在板的正上方，高度角是90度，所以倾斜角是0度时的光照度最大。（2）由上面的数据处理，我们可以看出在流速为0.01L/s的时候效率最高的是45的时候，30次之，0最小。会产生这样的结果，应该是由于测量的不是在同一天，受外界的影响比较大，导致我们测量的结果出现了与理论相反的情况。八、思考题1、太阳热水系统中的水箱根据需要往往留有多个开口，请思考一下在工程中应该留有哪些开口？请画图说明其用途和位置。、排气口：可以及时排除系统中的空气,维持系统稳定可靠运行；、溢出口：水箱水位一般由浮球阀控制，溢出口是防止浮球阀从上盖流出；、检修口：用于进出口水箱管道的安装、水箱内部结构的检修和维护；、连接口：连接其它水箱；、下进水口：自来水流进水箱的口；、下出水口：从水箱流出流向集热器的口；、上进水口：从平板集热器流向水箱的口；、上出水口：水箱热水流出的口。2根据传热工质的流动方式，可把太阳能热水系统分为自然循环热水系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统，请简述三种系统的优缺点和适用条件。（1）、自然循环热水系统：优点：结构简单，运行安全可靠，不需要循环水泵等缺点：为了防止系统中热水倒流，蓄水箱必须置于集热器的上方；集热效率随水温升高而下降。适用于小型热水系统，建筑外观要求不严格的场合。（2）、强迫循环热水系统：优点：水箱可以放置在低于集热器的位置，安装方便；水循环速度增加，集热效率高。缺点：需消耗电力驱动水泵及控制系统，断电不能工作，存在水泵电耗、维护以及控制装置失灵等问题。适用于热水供应规模大，建筑外观要求严格，水质要求和防冻要求不高的场合。（3）、直流式热水系统：优点：由于系统的补水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需要设置水泵；储水箱可以因地制宜放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储水箱保温，减少热损失；可以完全避免了热水与集热器入口冷水的掺杂；可以取消补给水箱；阴天只要有一段见晴的时刻，就可得到一定量的适用热水；便于实现冬季夜间系统放空防冻；可用热水时间比自然循环式要早。缺点：冬天环境温度低于零度摄氏温度时，水结冰容易冻坏系统；适用于建筑外观要求严格，水质要求和防冻要求不高的场合。3自来水管路连接到水箱上的冷水入口。如果自来水管