平板太阳能集热器的若干关键技术研究

发布时间：2020-08-13 21:27

【摘要】：平板太阳能集热器由于结构简单、承压性好、与建筑一体化程度高,成为当今太阳能利用研究的热点。但现有平板太阳能集热器板存在着设计效率低,制造成本高等问题。为了提高平板太阳能集热器的效率和降低其制造成本,本文采用计算流体动力学技术,从平板太阳能集热器外部结构因素和内部工况因素两个角度同时切入,重点研究了集热板厚度和材质、流体通道管间距、空气夹层厚度对集热器性能的影响；分析了不同浓度的氧化石墨烯纳米流体传热工质在流体通道内的流动与传热机理,得到了一种新型的流体传热工质；探讨了流体通道的直径、管壁热流密度与流体进口速度对集热器性能的影响。研究结果表明：集热器集热板厚度到达0.6mm后,继续增加集热板厚度对集热器的效率提升很微小,当集热板材质采用铝时集热器效率仅比铜材质低2.36%；流体通道管间距W越小和集热板厚度δ越大,集热器的效率因子越大；空气夹层厚度对集热器的热损失影响较大,空气夹层厚度越大夹层内对流损失越小,空气夹层厚度应选30～40mm为宜。氧化石墨烯纳米流体作为传热工质时能显著地提高流体传热性能,但不同浓度的纳米流体差别较小；当流体通道管径越大、管壁上加载热流密度越大和流体入口速度越大时管内流体流动达到湍流状态,此时管壁与流体的换热更充分。
【学位授予单位】：上海应用技术学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【图文】：

平板集热器,透明盖板,集热板,流体通道

第３页逡逑典型的平板太阳能集热器一般由透明盖板、集热板、流体通道、保温层Ｗ及外壳边逡逑框等几部分组成。图１．３是典型的平板太阳能集热器横截面图，图中１为透明盖板，２逡逑为集热板，３为保温层，４为流体通道Ｉ邋５为外壳边框。逡逑巧１．３平板太阳能窠巧器的巧栽面图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｌａｔ－ｐｌａｔｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ逡逑（１）

集热板,结构示意图,集热器

映集热器结构设计与集热器性能关系的一个重要参数。对于不同的结构设计的集热板，逡逑其效率因子也有很大的不同。本文中的平板太阳能集热器的集热板结构形式可看作管翼逡逑式，如图２．５所示。逡逑图２．５管冀式集热板结构示意图逦Ｖ逡逑Ｆｉｇ．邋２．５邋Ｔｕｂｅ－ｗｉｎｇ邋ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ邋ｐｌａｔｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋出ａｇｒａｒａ逡逑对营翼式集热板结构的集热器集热效率因子由（＾下式表示：逡逑Ｗ逦１逦Ｉ邋１逦（２－２７）逡逑＋邋（Ｗ－Ａ）］Ｆ逡逑式中：０。为流体管道的外径，ｍ；逦？是流体管道的内径，ｍ；邋Ｗ为两流体道之间的逡逑中也距，ｍ；逦是流体管道内对流换热系数，Ｗ／（ｍ２‘Ｋ）；邋Ｆ是翅片效率。从式（２－２７）逡逑中可知集热器的效率因子随着集热板厚度、宽度、集热板导热系数、总损失系数、流体逡逑管道内径化及传热工质与管壁间的对流换热系数等几个变化量而变化。逡逑２．３．２平板太阳能集热器的热转移因子逡逑集热器热转移因子是集热器工质流经流体通道时温度不断升高情况下的有益能与逡逑整个集热器处于极热工质入口温度下计算得到有益能的比值，也可称为两者等量关系的逡逑修正系数。它是综合反映集热板的传热性能和流体对流换热对集热器热性能影响的无量逡逑纲参数。集热器热转移因子可用下式表示：逡逑｜ｎＣｐ（７｝0－ｒ＂）逦。＿２８）逡逑Ａ＾［Ｓ－Ｕ，（Ｔ＾，－Ｔ＾）］逡逑集热器热转移因子是评价集热器性能一个很方便的计算式，因为集热器的传热工质逡逑的流量、流体进出曰温度、环境温度在实验

温度分布,温度分布,单位,集热板

３．６．１集热板温度分布与传热特性逡逑从集热效率计算式（２－３０）可知集热板温度与效率密切相关，集热板温度可反映内逡逑部传热特性。图３．５反映了集热板温度分布情况，集热板在靠近流体进口处由于冷流体逡逑的冷却影响温度较低，尤其在集热板与流体通道相接触处其温度更低些。随着流体沿流逡逑体通道流动过程中被逐渐加热，远离进口处的集热板温度逐渐升高并达到稳定状态，集逡逑热板上最大温度可达３４０Ｋ左右。由于平板太阳能集热器内空气夹层厚度一般较小，集逡逑热板上表面热量损失主要与夹层内的空气Ｗ对流方式实现。图３．６反映了集热板表面努逡逑赛尔数分布情况，其与集热板的温度分布恰好相一致，这说明了在集热板温度高的区域逡逑表面与夹层内空气的对流换热程度更加剧烈，在集热板表面离温区域集热器内部的对流逡逑换热损失更大。因此，如果想提高平板太阳能集热器的热效率，降低集热板的温度是十逡逑分关键的。逡逑ｉ邋ｍ逦吕：却著姦：ｉｔ！逡逑ＩＥ邋‘；眶ｊ逦．邋ＥＩ邋Ｉ邋ｉ｜逡逑－ｔ邋喻Ｉ灥Ｉ逡逑Ｉ邋Ｌｉ逦１１．０１！逡逑图３．５集巧扳温度分布（单位：Ｋ）逦图３．６集热板努巧尔巧分布逡逑Ｆｉｇ．邋３．５邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ邋ｐｌａｔｅ邋（Ｋ）邋Ｆｉｇ．邋３．６邋Ｎｕｓｓｅｌｔ邋ｎｕｍｂ巧邋ｏｆ邋ｃｏＵｅｃｔｏｒ邋ｐｌａｔｅ逡逑３．６．２盖板温度分布与传热特性逡逑透明盖板既是集热器保温部件又是集热器热量损失的主要部件，平板太阳能集热器逡逑的热量主要从顶部的盖板中散失出去。图３．７反映了盖板的温度分布情况

【参考文献】