微型抛物槽式太阳能集热器集热特性研究
发布时间：2021-11-16 08:27
为将太阳能集热器与建筑结合,提高集热品位,满足中温热能需求,设计了一款聚光比为3.4、高度仅为120 mm的微型抛物槽式集热器,建立了该集热器的热力学理论模型和计算流体动力学（CFD）仿真模型,研究了集热特性,并从太阳辐照度、入口工质温度、进口工质流速、环境温度等方面探讨相关操作参数对集热温度和集热效率的影响规律。研究发现太阳辐照度以及进口工质温度是影响热效率的主要因素,而工质流速、环境温度对该集热器热效率影响较小,集热器瞬时热效率可达67.23%,循环加热的工质温度在200℃以内,平均热效率较高。且在辐照度较弱的天气仍能良好运行,既能提供中温热能,克服不良环境因素的影响,又实现了太阳能建筑一体化。
【文章来源】：南京工业大学学报(自然科学版). 2019,41(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微型抛物面槽式聚光集热器结构1一抛物面槽式反射镜面;2一齿条;3一齿轮;4一集热管;5一保温层;6一玻璃盖板
意图。图2微型平板集热器的热分析模型Fig．2Thermalanalysismodelofthemicroparabolictroughconcentrator入射的平行光束，大部分透过玻璃盖板聚集到集热管上，较少被玻璃吸收和反射，集热管壁上的能量大部分被吸收转换为导热油的内能，较少被反射回玻璃。由于集热管温度升高，对外热辐射增大。同时，玻璃盖板和壳体向外界传输热量，造成集热器的热损失［6］。为研究其集热特性，分别以玻璃盖板、工质和集热管为研究对象，建立了热力学理论模型。建模时，忽略了空气和抛物槽吸收的热量。另外，所有物性参数如表2所示，如玻璃和导热油的比热容等，均视为常数。玻璃盖板某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量与集热管对其辐射的能量和，减去其外部辐射换热与对流换热的能量。McAcCc?Tc?t=Acq0+Arqr/c－AcσεcT4c－t4s()－AchcTc－ta()(1)式中:Ac为玻璃盖板的面积，m2;Mc为玻璃盖板的质量，kg;Tc为玻璃盖板的温度，K;σ为斯特潘-玻尔兹曼常数;qr/c为玻璃盖板与集热器的辐射传热效率。玻璃盖板吸收的能量q0为q0=Iαc(2)式中I为太阳直接辐射，W/m2。根据文献［7］可得玻璃盖板与集热器的辐射传热速率qr/c为qr/c=σT4r－T4c()1εs+1εc－1()ArAc(3)式中Tr为集热管的温度，K。集热管某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量之和，减去其对外辐射能量、与外部空气换热能量以及被导热油吸收的能量之和MrCr?Tr?t=W
的合理性和正确性，采用CFD软件对所设计的集热器集热特性进行模拟计算。笔者采用ANSYSICEM建立几何模型并进行网格划分，本模型共3个计算域:固体域、液体域、空气域，将三者组装导入Fluent中，选择压力求解器，开启能量方程、选用层流模型，打开DO辐射模型模拟集热器内部各个表面之间的辐射换热，能量方程收敛标准设定为10－7，运用SIMPLE算法对集热器内外部能量流动进行三维数值模拟。经网格无关性验证，在满足计算精度的前提下，网格总数为322万个，总网格划分如图3所示，由理论计算得出玻璃盖板的热力学影响较小，因此模拟计算时只考虑了其光学损失。入口边界为速度入口边界、出口边界为压力出口。工质为导热油，导热系数为0.458W/(m·K)，动力黏度为0.0215Pa·s，导热油入口初始温度图3热力学计算模型Fig．3Thethermodynamicscalculationmodel298K，各壁面以及环境温度为293K，集热管材料为铜，其余各物性参数与理论模型一致，不再赘述。图4不同太阳辐照度下的热效率Fig．4Thermalefficiencyunderdifferentsolarirradiance图5不同太阳辐照度下的出口温差Fig．5Outlettemperaturedifferenceunderdifferentsolarirradiance3．2太阳辐照度与环境温度对集热器热效率的影响太阳辐照度是集热器的热源，对系统的热效率至关重要。不同太阳辐照度下的热效率、出口温差分别如图4和5所示，当工质流速为0.05m/s，环境温度为293、298、303、308K，太阳辐照度从400W/m2升至1kW/m2时，集热器的热效率分别增加第6期冯晨等:微型抛物槽式太阳能集热器集热特性研究917
【参考文献】：
期刊论文
[1]阳台栏板式聚光集热器与建筑的一体化应用研究[J]. 闫芳,马光柏,夏麟. 建筑技术. 2017(07)
[2]槽式太阳能集热器热效率的数值模拟研究[J]. 韩雪,王志敏,田瑞,齐井超. 太阳能学报. 2016(09)
[3]平板型太阳能集热器的热损失分析[J]. 胡小芳,高文峰,刘滔,林文贤. 太阳能. 2015(08)
[4]平板型太阳集热器的热损失分析[J]. 李开春,刘广虎,王晓静,李晓瑞. 太阳能. 2013(19)
本文编号：3498508
【文章来源】：南京工业大学学报(自然科学版). 2019,41(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微型抛物面槽式聚光集热器结构1一抛物面槽式反射镜面;2一齿条;3一齿轮;4一集热管;5一保温层;6一玻璃盖板
意图。图2微型平板集热器的热分析模型Fig．2Thermalanalysismodelofthemicroparabolictroughconcentrator入射的平行光束，大部分透过玻璃盖板聚集到集热管上，较少被玻璃吸收和反射，集热管壁上的能量大部分被吸收转换为导热油的内能，较少被反射回玻璃。由于集热管温度升高，对外热辐射增大。同时，玻璃盖板和壳体向外界传输热量，造成集热器的热损失［6］。为研究其集热特性，分别以玻璃盖板、工质和集热管为研究对象，建立了热力学理论模型。建模时，忽略了空气和抛物槽吸收的热量。另外，所有物性参数如表2所示，如玻璃和导热油的比热容等，均视为常数。玻璃盖板某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量与集热管对其辐射的能量和，减去其外部辐射换热与对流换热的能量。McAcCc?Tc?t=Acq0+Arqr/c－AcσεcT4c－t4s()－AchcTc－ta()(1)式中:Ac为玻璃盖板的面积，m2;Mc为玻璃盖板的质量，kg;Tc为玻璃盖板的温度，K;σ为斯特潘-玻尔兹曼常数;qr/c为玻璃盖板与集热器的辐射传热效率。玻璃盖板吸收的能量q0为q0=Iαc(2)式中I为太阳直接辐射，W/m2。根据文献［7］可得玻璃盖板与集热器的辐射传热速率qr/c为qr/c=σT4r－T4c()1εs+1εc－1()ArAc(3)式中Tr为集热管的温度，K。集热管某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量之和，减去其对外辐射能量、与外部空气换热能量以及被导热油吸收的能量之和MrCr?Tr?t=W
的合理性和正确性，采用CFD软件对所设计的集热器集热特性进行模拟计算。笔者采用ANSYSICEM建立几何模型并进行网格划分，本模型共3个计算域:固体域、液体域、空气域，将三者组装导入Fluent中，选择压力求解器，开启能量方程、选用层流模型，打开DO辐射模型模拟集热器内部各个表面之间的辐射换热，能量方程收敛标准设定为10－7，运用SIMPLE算法对集热器内外部能量流动进行三维数值模拟。经网格无关性验证，在满足计算精度的前提下，网格总数为322万个，总网格划分如图3所示，由理论计算得出玻璃盖板的热力学影响较小，因此模拟计算时只考虑了其光学损失。入口边界为速度入口边界、出口边界为压力出口。工质为导热油，导热系数为0.458W/(m·K)，动力黏度为0.0215Pa·s，导热油入口初始温度图3热力学计算模型Fig．3Thethermodynamicscalculationmodel298K，各壁面以及环境温度为293K，集热管材料为铜，其余各物性参数与理论模型一致，不再赘述。图4不同太阳辐照度下的热效率Fig．4Thermalefficiencyunderdifferentsolarirradiance图5不同太阳辐照度下的出口温差Fig．5Outlettemperaturedifferenceunderdifferentsolarirradiance3．2太阳辐照度与环境温度对集热器热效率的影响太阳辐照度是集热器的热源，对系统的热效率至关重要。不同太阳辐照度下的热效率、出口温差分别如图4和5所示，当工质流速为0.05m/s，环境温度为293、298、303、308K，太阳辐照度从400W/m2升至1kW/m2时，集热器的热效率分别增加第6期冯晨等:微型抛物槽式太阳能集热器集热特性研究917
【参考文献】：
期刊论文
[1]阳台栏板式聚光集热器与建筑的一体化应用研究[J]. 闫芳,马光柏,夏麟. 建筑技术. 2017(07)
[2]槽式太阳能集热器热效率的数值模拟研究[J]. 韩雪,王志敏,田瑞,齐井超. 太阳能学报. 2016(09)
[3]平板型太阳能集热器的热损失分析[J]. 胡小芳,高文峰,刘滔,林文贤. 太阳能. 2015(08)
[4]平板型太阳集热器的热损失分析[J]. 李开春,刘广虎,王晓静,李晓瑞. 太阳能. 2013(19)
本文编号：3498508
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