太阳能热水器的倾角计算

1、题目：太阳能热水器的倾角计算 专 业: 学 号: 姓 名： 李X X 指导老师： 丁 X X XX大学地球科学与工程学院 2012年10月 1真空管式太阳能热水器工作原理 1.1全玻璃真空管的结构 13 1- 、 如图所示，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90 %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 20C以下的环境下使用。 在正常情况下，内管

2、温度可达100C,空晒时可高达260C。 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 10-3Pa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. 352. 5um)辐射能量具有较高的吸 收率，而在远红外波段(2. 52. 5um)具有很低

3、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。 1.2真空管式太阳能热水器结构 o Aift /- 7 、* 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, 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。 1.2.1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

4、型 企业一般用0. 5O. 6mm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. 3O. 4mm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。 1.2.2真空管管数 由于真空管内径很小，国内一般通用为37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12开始以2的倍数增加到24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

5、列，相邻两管之间有一定的间隙。 1.2.3反射板材料及其形状 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（CPC形，采用 的材料根据作用有漫反射材料和镜反射材料。 反射板材料及其形状的选择涉及包括经济成本、化学知识在内的多方面因素，但很多并 不是我们所关心的，故下面仅以平板形为例简要说明。 tl （a）以境反射为主的反射板 b）以

6、漫反射为主的反射板 如图（a）所示，在光线垂直入射时，如果选择的反射板是以镜反射为主的反射材料，那 么，大多数光线会沿入射方向返回，不能被集热管上背向太阳的吸收涂层吸收，浪费了这一 就会有绝大部分光线被反射到集热管背向 但是这一部分损失通过选用漫反射率较高的反射材料来 从而达到减少真空集 集热管的前面与背部接 大部分能量；而如图（b）中所示，如果平面反射板是以漫反射为主的反射材料作为真空集热 管背面的反射板，那么通过反射板的漫反射作用， 太阳的一面，虽然有镜反射的损失， 2.3 : 1，即集热管的前部接收到的太阳辐射能量占真空管所接收到的太 70%,而集热管背部能够接收到的太阳辐射能量占真空管

7、所接收到的太 30 %左右。可以说，反射板的作用是明显的。 CPC反射板反射光线示意图 减低，这无形中就充分利用了真空集热管作为圆柱形吸收表面的优势， 热管用量，降低成本的目的。通过有关公式和实验结果的验证计算， 收辐射能的比值为 阳辐射能量总数的 阳辐射能量总数的 另附：V形反射板、圆形反射板、复合抛物线形（ （1）V形反射板 (2) (3) 圆形反射板 复合抛物线形（ CPC反射板 1 /CPC貓紳/ 翻軸耐的溯 v S |Z T 小 CPC它是一种非成像低聚焦度的聚光器，它是 复合抛物线形反射器也就是现在所说的 根据边缘光线原理设计的，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收

8、器 上。由于它有较大的接收角，所以在运行时不需要连续跟踪太阳，只须根据接收角的大小和 收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可以有效的工作。它的聚光比在10以内， 当聚光比在2以下时可做成固定式装置。CPC复合抛物线形反射器可接收直射太阳辐射和部 分散射辐射，并能接收一般跟踪聚光器所不能接收的“太阳周围辐射”。所以它的反射效率 在所有的反射板中是效率最高的。但是由于此类集热器的加工比较困难，对聚光面材料的光 洁度要求较为严格，价格较为昂贵，所以在太阳能集热器上的应用并没有得到较大的推广， 但这是一个值得研究的发展方向。 1.3工作流程 当阳光照射到充满水的集热器时，水被加热，温度升高，它的

9、比重比贮水箱中的比重小 ，形 成了热虹吸压头，使被加热了的水进人贮水箱的上部 ，与此同时，贮水箱中较冷的水因密度较 大,便经循环管流人集热器的底部。这样,水就在系统中不断循环流动，贮水箱里的水的温度逐渐提高，经过一定时间以后，即成热水。 1.4本节小结 简而言之，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, 自然对流换热。 2影响真空管式太阳能热水器热效率的主要因素 对我们感兴趣的部分一一太阳能热水器倾角 及朝向 进行分析说明。 换热原理为 现在只 包括反射板材料及形状在内， 影响真空管式太阳能热水器热效率的因素有很多, 而到 约占到 1 . 73X 1014kw，其中被大气吸收的

10、能量为 23%,被大气分子和尘埃反射回宇宙的能量为5. 2X 1013kw，约 30%，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为& 1 X 47 %，而到达地球表面的这些能量中，仅仅有 10 %。这 1 . 7 X 1013kw 能 35000倍。在陆地接受的这部分太阳 O. 015%，被人们作为食物和燃料的也只有0. 002%，所以 天項 /頁附阳光 片0 图2-1太阳角 北J 2.1基本概念 在进入主题之前先了弄清几个基本概念，这是以后分析说明的基础。 2.1.1太阳能辐射量 太阳发射出来的总辐射能量为3. 75 X 1026瓦，其中只有 22亿分之一到达地球, 达地球范围的辐射能量为1

11、. 73X 1014kw，其中被大气吸收的能量为4. 0X 1013kw, 达地球范围内辐射总量的 占到达地球范围内辐射总量的 1013kw，约占到达地球范围内辐射总量的 1. 7x1013kw分配到陆地表面，约占到达地球范围内辐射总量的 量相当于全世界一年内消耗的各种能源产生的总能量的 辐射能中，被植物吸收的仅占 利用的比重微乎其微。 2.1.2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。 如图所示，天顶轴是通过南北轴和东西轴交点的水平面上的直线。考虑通过这一坐标原点的 一条太阳光线，这条光线与天顶轴的夹角叫做天顶角 。那么太阳高度角即太阳光线与 水平

12、面的夹角就是=90。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就是太阳方位角。通过地轴的平面是经度面， 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w称为太阳时角，该角每小时变化 15度。w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。 如果知道当地的纬度 、太阳赤纬角 和时角W,根据前面图中所示， 就可以用下式计 算天顶角 cos cos cos cosw sin sin (2-1)

13、热效率 2.1.3热效率 d是目前评价太阳热水器热性能的重要指标，它定义为规定的气候条件下, 天内总有效得热与斜面上累计的日曝辐量之比，即 (2-2) 其中 Nb -为水箱容水星*单俭X kg, cp为水的比热容.单值为W/ r-kg, Tu-“为终了时的水温*单條为匚 R为初始刖的氷温.单位为匸 加九农阳St热器的采光面积.取位为 H为丸阳集热器斜面上的曝辐鈕.单位为KJ/ m-J. n 在国标GB/T12915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100kg，即M / Ac & Oil 0-1 t( IS II I (L) I t

14、M I 5|() 图2-3不同倾角下管一箱轴向(真空管方向)上平均温度分布 试验方法是将不同位置分布有温度传感器的长度为1600毫米的不锈钢管插入相同型号 的具有不同真空管倾斜角度太阳能热水器的真空管中，段时间后水箱与真空管的热对流达 到稳定状态后观测各点的温度。从图中可以看出，管内水温普遍高于水箱中水温，这为对流 温差与系统轴向流动的强弱一 3-4中明显看出，随着真空 90度左右时由于换热环境恶化，换热 传热提供了推动力。而两者温差的大小则反映了系统传热能力的高低。两者之间的温差小， 说明热传递速度快，对流传热热效率高，整体热性能好。反之，两者之问温差大，说明系统 传热能力低，对流传热效果差

15、，整体系统热效率低。事实上， 一对应，流动性弱则温差大，否则温差小，系统热效率高。从图 管倾斜角度的增大，热水器换热能力明显提高，但到 能力反而下降，导致热效率下降。 223真空管倾斜角度对太阳能热水器热效率 d的综合影响 对系统的影响并不是单纯的影响系统 在太阳能热水器实际工作情况下，真空管倾角 的自然对流或者拦截垂直光线的能力，对两者的影响是同时并且相互制约的。在同一地区, 随着真空管倾斜角度的增大，热对流速度增大，但是作为拦截垂直阳光的能力却不一样。 根据当地纬度 和不同季节不同时间当地赤纬角 的不同，真空管集热器自身拦截垂直阳光 的能力与其倾角成一定的三角函数关系，可能随着真空管倾斜角

16、度的增大而增大，也可 能随着真空管倾斜角度的增大而减小。所以在真空管倾斜角度的选择上，既要照顾到 当地的地理纬度中，也要照顾到系统自身的自然对流传热效率。只有二者有机地结合起来， 才能使热水器得到一个较高的热效率。 2.2.4本节小结 安装，使真空管与正午光线垂直， 这样接收辐射效果最好, 真空管以一定倾斜角度 (1) 但是该角度与当地的纬度 和当时的赤纬角密切相关。 的增大，热水器系统中水的自然对流效果加强，但到 90 随着真空管管倾斜角度 度左右突然恶化。 合各种因素，选择合适的真空管倾斜角度的基本原则是：必须结合当地的实际情况, 高纬度地区因为处于寒带地区，应优先考虑夏季用水，冬季考虑电

17、辅助加热，所以 可以选用倾斜角度较大的热水器, 45: 50左右；中纬度地区基本可以考虑 35 : 40 的 全年使用性能，应使真空管管倾斜角度应该与当地的纬度接近, 低倾角热水器。低纬度地区由于属于热带气候，热水器使用应该有先考虑冬季使用 性能，真空管倾斜角度应该选择大于当地 10度左右的角度，考虑到自然对流, 30 : 35左右比较合适。 2.3方向角对太阳能热水器热效率d的影响 这个没有具体公式，但是可以通过大量的实验数据总结出规律 倾斜面上天文辐射日总量的计算公式为 虫纟 ( sin 9? 006(1 三 cm护站nacos/?)(32 - wj) +(ocwcofitr +) ( s

18、tin - sinw ) (2-9) siriff- (w如i) 其中 &一 無面上天文辐射日总ft*单位: 卡/厘米立日i 切一太W常数(1.96分” T天的时间长度，单位:分； P以日地平均距离为单位的日地距 离； d纬 护地理纬度； 阿R出时角； 叱 H落时角； B斜面朝向，以止南开始计算，威时 针方向为正，逆时针方向为负； a斜面与地面的夹角. 利用上式对北纬0 : 50各坡面、坡度夏半年、冬半年及全年的天文辐射总量进行计算 和分析，得出下列结论： (1)夏半年在赤道附近的低纬度，北坡天文辐射量最大，南坡最小。同时，北坡辐射量随坡 度变化较小，且当坡度在10 : 20时,辐射量随着坡度增大而增加。因此，在0: 10oN范围内, 倾斜面上要想获得最大天文辐射量，应以北向坡为最佳朝向。 (2) 夏半年在北回归线附近，以东坡或者西坡的天文辐射量为最大，