太阳能建筑一体化原理与应 课件 第5章 太阳能集热器

太阳能建筑一体化原理与应用第五章太阳能集热器

上海理工大学环境与建筑学院5.1平板型太阳能集热器

5.1.1平板型集热器的基本结构与技术要求1.平板集热器的基本结构组成部分：透明盖板、吸热板、流体管道、隔热材料和外壳等。下面这种结构形式的集热器称为管板式。图5-1典型平板集热器横断面图平板型太阳能集热器结构总图1—出水集管2—流体出口3—壳体4—隔热体5—流体入口6—进水集管7—排管8—吸热板9—透明盖板平板集热器工作过程:太阳辐射透过透明盖板投射在吸热板上，被吸热板吸收转换成热能，使传热工质的温度升高，将集热器收集的热量输出；温度升高后的吸热板通过传导、对流和辐射等方式向周围散热，成为集热器的热量损失。2.平板型集热器的技术要求

5.1.2平板集热器的能量平衡与分析模型简化

1.平板集热器的能量平衡

1.平板集热器的能量平衡

1.平板集热器的能量平衡

2.平板集热器分析模型的简化(1)集热器处于稳态。(2)集热器结构为管板式。(3)集管只占集热器的一小部分，可以忽略不计。(4)集管为各排管提供均匀的流量。(5)不考虑透明盖板吸收的太阳能。(6)通过顶部盖层的热流是一维的。(7)通过盖板的温度下降可以忽略不计，也就是忽略盖板上表面和下表面的温度差。2.平板集热器分析模型的简化(8)透明盖板对长波辐射是不透明的。(9)通过背部的热流也是一维的。(10)在相当的天空温度下天空可以被认为是长波辐射的黑体。(11)排管周围的温度梯度可以忽略不计。(12)流动方向和管间的温度梯度可以单独处理。(13)材料的热物性参数与温度无关。(14)上部和背部的损耗是相同的环境温度。(15)不考虑集热器上的灰尘和污垢的影响。5.1.3集热器总热损失系数

1.集热器热损失分析的热网络图图5-3两层盖板集热器的热网络图图5-4平板集热器的简化网络图2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算

2.顶部热损失的计算从图中可以看出：板间距离小于10cm时Ut随间距减小快速增加。吸热板发射率、玻璃层数对Ut的影响。图5-5Ut与板间距离的关系3.集热器的背部热损失

4.集热器的侧面热损失

5.集热器的总热损失

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子图5-6管板结构及其尺寸

假设流体为一元流动，且流动方向的温度梯度可忽略，吸热板通常采用薄金属板，吸热板厚度方向的温度梯度也可忽略。5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子图5-7肋片上的微元分析

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子图5-8管板集热器的肋片效率5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.4横向

(管间)温度分布和集热器效率因子

5.1.5纵向(流体流动方向)温度分布与集热器热转移因子图5-10流体流动方向上的能量分布

5.1.5纵向(流体流动方向)温度分布与集热器热转移因子

5.1.5纵向(流体流动方向)温度分布与集热器热转移因子

5.1.5纵向(流体流动方向)温度分布与集热器热转移因子

5.1.5纵向(流体流动方向)温度分布与集热器热转移因子

5.1.6吸热板和流体的平均温度

5.1.6吸热板和流体的平均温度

5.1.6吸热板和流体的平均温度

5.1.7热容量对集热器性能的影响1）集热器在清晨的加热，太阳能除了加热管内的流体，还要加热集热器本体(包括吸热板、排管、集管、盖板和保温等)；2）太阳辐射和风等环境条件在白天迅速变化时的情况。

为了说明热容的影响以及集热器的动态分析方法，考虑一个单层盖板集热器。简化分析：1）假设吸热板、管道中的水和一半的背部保温层都处于相同的温度；2）假定透明盖板处于与平板不同的均匀温度；同时也忽略背部的热损失。5.1.7热容量对集热器性能的影响

5.1.7热容量对集热器性能的影响

5.1.7热容量对集热器性能的影响

5.1.7热容量对集热器性能的影响

上海理工大学环境与建筑学院5.2真空管型太阳能集热器

5.2.1真空管集热器的结构与技术要求1.真空管集热器的总体结构图5-12真空管型太阳能集热器总体结构与排布方式1—真空太阳集热管，2—联集管，3-尾架真空集热管的排列方式：1）竖单排

2）横单排3）横双排真空太阳集热管：简称真空管或者集热管，是集热器的核心部件分类：全玻璃真空管(吸热体为玻璃)、玻璃-金属真空管(吸热体为金属)和热管式真空管。5.2.1真空管集热器的结构与技术要求2.全玻璃真空集热管组成部件：内玻璃管、外玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等。特点：其形状犹如一只拉长的暖水瓶胆。

图5-13全玻璃真空管集热管结构示意图1—内玻璃管，2—外玻璃管，3—选择性吸收涂层4—真空，5-弹簧支架，6-消气剂5.2.1真空管集热器的结构与技术要求全玻璃真空集热管中的工质与吸热体的换热形式：1）传热工质与吸热体直接换热式(不承压式)①全水自然循环取热：集热管内充满水，无需外部动力设备驱动，实现了热量的自动传输。优点：方式简单，应用十分广泛。

图5-14全玻璃真空管集热管自然循环示意图5.2.1真空管集热器的结构与技术要求②

插管式：在集热管中间插入一根水管，将冷水直接的水输送到集热管的底部，水从茶馆中流出后，在压力的作用下，沿着集热管的内壁流动，不断吸收管壁的热量，温度上升，流出集热管。

不同点：使用插管这种强制对流的方式提高了换热系数。直接换热式缺点：1）只可设计成非承压的模式2）系统的热水利用率降低3）管内的水容易泄露，影响系统正常运行5.2.1真空管集热器的结构与技术要求2）间接换热式(承压式)优点：由于管内没有水，不会发生因一支破损而影响系统的运行，提高了产品运行的可靠性，尤其是可用于承压的封闭系统，因而得到广泛应用。图5-15内插U形管的真空管集热管图5-16内插热管的真空管集热管5.2.1真空管集热器的结构与技术要求3.金属-玻璃结构真空集热管组成部分：真空玻璃管、金属吸热板、吸气剂、流体管道、不锈钢弹簧支架等。优点：工作温度高、承压能力大和耐热冲击性能好等。

图5-17玻璃-金属真空集热管示意图1—金属密封，2—外玻璃管，3—导热管，4—吸热板，5-消气剂5.2.1真空管集热器的结构与技术要求4.热管型真空集热管组成部分：热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等。热管包括蒸发段和冷凝段两部分，在热管式真空集热管工作时，太阳辐射穿过玻璃管3后投射在金属吸热板4上。

图5-18热管式真空集热管结构示意图1—热管冷凝段，2—金属封盖，3—玻璃管，4—金属吸热板5—热管蒸发段，6—弹支架，7—蒸散型消气剂，8—非蒸散型消气剂5.2.1真空管集热器的结构与技术要求

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析图5-19全玻璃真空管集热器示意图

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析管间距B是管径D2倍数10.31820.41930.44640.46050.468

5.2.2真空管集热器热性能分析

管间距B是管径D2的倍数101.250.080±0.0131.50.140±0.0201.750.200±0.01420.343±0.01330.799±0.01441.280±0.014

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

5.2.2真空管集热器热性能分析

上海理工大学环境与建筑学院5.3空气集热器

5.3.1平板型空气集热器1.空气流道在吸热板之上的平板空气集热器组成部分：单层透明盖板、吸热板、保温层等特点：空气直接从盖板与吸热板之间流过，结构简单。图5-20平板型空气集热器

5.3.1平板型空气集热器

5.3.1平板型空气集热器

5.3.1平板型空气集热器图5-21空气集热器示意图

5.3.1平板型空气集热器3.带肋的空气集热器特点：吸热面上带有肋片结构。优点：肋片结构增加了吸热面的表面积，提高热效率，还能增加吸热面的结构强度，使其更加稳固和耐用。图5-22带肋的空气集热器示意图5.3.1平板型空气集热器

5.3.2真空管空气集热器特点：其内层玻璃管做了特殊处理，可满足内外层玻璃管热胀冷缩不同的要求。优点：方便让空气从一端进入，另外一端出来，接管方便，而且可以利用空气的热浮升力，减少管路系统阻力。图5-23直通式真空管结构图5.3.2真空管空气集热器图5-24单根直通式真空集热管的热网络图5.3.2真空管空气集热器

5.3.2真空管空气集热器

5.3.2真空管空气集热器

5.3.2真空管空气集热器

上海理工大学环境与建筑学院5.4光伏集热器

5.4.1平板光伏集热器的基本结构和工作原理有盖层型结构：玻璃盖板、空气层、光伏电池板、吸热板、排管与保温材料；无盖层型则没有玻璃盖板和空气层。不同点：有盖层的集热器热损失较小，热效率较高，但电效率稍有降低；无盖层的热损失较大，热效率低，但成本低一些。图5-25光伏集热器结构示意图5.4.2平板型光伏集热器的热性能分析1.平板型光伏集热器的热分析方法与平板集热器的分析类似，可以采用热网络图的方法。不同点：1）集热器吸收的太阳能有一部分转化为电能，其余部分才转变为热能；图5-26管板式光伏集热器热网络图5.4.2平板型光伏集热器的热性能分析

5.4.2平板型光伏集热器的热性能分析

5.4.2平板型光伏集热器的热性能分析（2）发电效率

理论上，在相同的条件下，平板型管板式光伏热水器的光电转换效率应该高于普通太阳能光伏板的光电转换效率。因为在平板型管板式光伏热水器中，排管中的水流会把光伏组件的热量带走，光伏组件的温度会下降从而其效率会增加。但是，现实的结果和预想的恰恰相反，平板型管板式光伏热水器的光电转换效率略低于普通太阳能电池板的光电转换效率。

平板型管板式光伏热水器中的光伏模块的温度有可能高于常规光伏组件的温度，那么平板型管板式光伏热水系统的光电转换效率就会较低。上海理工大学环境与建筑学院5.5集热器的热性能特征参数及其测试

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率集热器面积的计算举例：1)平板集热器总面积和采光面积(a)平板集热器的总面积和采光面积（b）平板集热器的总面积、采光面积和吸热体面积图5-27平板集热器总面积、采光面积和吸热体面积示意图5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率2)没有反射器的真空集热器的总面积和采光面积图5-28无反射器的真空管型太阳能集热器5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

图5-29集热器效率曲线5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率3.集热器效率的测试（1）检测装置与主要仪表采用液体为传热工质的太阳能集热器试验台架结构示意图5-30。测试装置包含的测试仪表有：图5-30闭式试验系统5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率图5-31传热工质进口和出口温度传感器推荐安装位置示意图

为了避免工质中的气体在传感器周围聚集，传感器所处管道中的工质最佳流向为上升方向，传感器测头对着液体的流向。5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率

5.5.1集热器效率图5-32集热器瞬时效率曲线5.5.2入射角修正系数的测定

5.5.2入射角修正系数的测定图5-33不同玻璃盖板的集热器入射角修正系数随入射角的变化图5.5.2入射角修正系数的测定在每个试验周期内，应使集热器方位保持在该入射角的±2.5°范围之内。对平板型集热器进行四种试验条件的方位调节，角度分别约为0°、30°、45°和60°。数据应在一天内采集完毕。对于每个数据点，传热工质的进口温度应接近环境空气温度(两者差值应在±1℃以内)。分别测定集热器每个入射角的效率值。5.5.2入射角修正系数的测定

5.5.2入射角修正系数的测定(a)(b)(c)图5-34真空管入射角修正器的平面5.5.2入射角修正系数的测定图5-35金属-玻璃管角度修正5.5.2入射角修正系数的测定图5-36全玻璃管（带CPC反射板）角度修正5.5.2入射角修正系数的测定

5.5.3时间常数的测定

5.5.3时间常数的测定

5.5.3时间常数的测定

图5-37集热器时间常数5.5.4压力降的测定压力降：表征太阳能集热器在不同工作条件下的流动阻力特性流动阻力特性：指介质流动阻力随流量的变化关系。流动阻力通常用进、出口介质的压力降表示。压力降的测试步骤：(1)在集热器进、出口之间选择适当的管子来装配压力计。测压点应设置在靠近集热器且不受其他配管影响的直管部分。5.5.4压力降的测定

5.5.5典型集热器的特征参数表5-3一些平板型太阳能集热器主要特征参数平板型太阳能集热器主要技术参数序号规格型号瞬时效率方程（基于采光面积）1PCT-2.00.60.332.237.539.72CP-P-G/0.6-TL/YJ-2.00.60.015∽0.0202.13537.13CP-P-G/1.6-T/NGT-2.01.60.015∽0.0202.13739.14PJ-2.0A0.50.01∽0.022.23537.25XYYG-PB/2.00.60.002336395.5.5典型集热器的特征参数全玻璃真空管型（竖排）太阳能集热器主要技术参数序号规格型号瞬时效率方程（基于采光面积）1Φ58-1800X20>0.050.0570801502PGTJG-2.00.050.006~0.0123