第13章太阳能集热器课件.ppt
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- 13 太阳能 集热器 课件
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1、第第2章章 太阳能集热器太阳能集热器l 太阳能集热器太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置,是太阳能热利用系统的核递到传热工质的装置,是太阳能热利用系统的核心设备心设备。l 太阳能集热器太阳能集热器可以按多种方法进行分类可以按多种方法进行分类。l 按照按照传热工质传热工质的类型,可以分为的类型,可以分为液体集热器液体集热器和和空空气集热器气集热器;l 按照按照进入采光口的太阳辐射进入采光口的太阳辐射是否改变方向,可以是否改变方向,可以分为分为聚光型集热器聚光型集热器和和非聚光型集热器非聚光型集热器;l 按照按照集热器内是否有集热器内是否有真空
2、空间真空空间,可以分为,可以分为平板型平板型集热器集热器和和真空管集热器真空管集热器;l 按照按照集热器的集热器的工作温度工作温度范围,可以分为范围,可以分为低温集热低温集热器器、中温集热器中温集热器和和高温集热器高温集热器。第第1节节 平板型集热器平板型集热器l 平板型集热器一般在平板型集热器一般在100以内的低温范围内应用,以内的低温范围内应用,它不仅结构简单,操作方便,价格也比较低廉它不仅结构简单,操作方便,价格也比较低廉。l 多多用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。一、集热器的结构一、集热器的结构l 一般来说,平板型集热器由下列一般来说,
3、平板型集热器由下列5个部件个部件组成。组成。l(1)吸热体吸热体 吸收太阳能并转换成热能传递给工质。吸收太阳能并转换成热能传递给工质。l(2)盖层盖层 允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐射以减少吸热体的热损。射以减少吸热体的热损。l(3)保温层保温层 减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的热损。热损。l(4)工质及流动通道工质及流动通道 使工质能与吸热体发生热接触。使工质能与吸热体发生热接触。集热器的工质为流体集热器的工质为流体(液体或气体液体或气体)。l(5)支架及框架支架及框架 将集热器的各个部分连接成一个整将集热器的各个
4、部分连接成一个整体并支撑其重力体并支撑其重力。l 液体集热器用水或者水液体集热器用水或者水-防冻剂混合物作为工质,防冻剂混合物作为工质,有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质。l 气体气体集热器以空气为工质。集热器以空气为工质。l 大多数液体集热器都采用管大多数液体集热器都采用管-平板结合式吸热体,平板结合式吸热体,管子可以在板的前面、后面或与板焊接成一个整管子可以在板的前面、后面或与板焊接成一个整体,有时也采用波纹金属板作为吸热体,有时也采用波纹金属板作为吸热体体。l 气体气体集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸热体背后的
5、通道,使空气与吸热体发生热接触;热体背后的通道,使空气与吸热体发生热接触;为了增大传热系数,还采用搅拌器、肋片和波纹为了增大传热系数,还采用搅拌器、肋片和波纹状吸热体以及多孔吸热体等状吸热体以及多孔吸热体等。l 盖层既可以使用玻璃,也可以采用透明塑料,层盖层既可以使用玻璃,也可以采用透明塑料,层数则由集热器的用途及其使用地点而定数则由集热器的用途及其使用地点而定。l 在在低纬度处,通常只需一层,但在中高纬度处,低纬度处,通常只需一层,但在中高纬度处,则有时需要两层甚至三层,以防止过多的热损失则有时需要两层甚至三层,以防止过多的热损失。l 所有所有盖层都必须对太阳辐射具有高透射率,而对盖层都必须
6、对太阳辐射具有高透射率,而对于热辐射则具有低透射率。于热辐射则具有低透射率。l 在集热器的背面和四周,必须放置足够的保温材在集热器的背面和四周,必须放置足够的保温材料以减少热损,至于具体的数量则由成本、用途、料以减少热损,至于具体的数量则由成本、用途、地点以及设计而定。地点以及设计而定。二、光学特性二、光学特性l 吸热体是低温集热器的最重要的部件,要求其对吸热体是低温集热器的最重要的部件,要求其对太阳辐射具有较高的吸收率,良好的导热性,同太阳辐射具有较高的吸收率,良好的导热性,同时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。l 黑体可以吸收所有波长的辐
7、射,吸收率最大,黑体可以吸收所有波长的辐射,吸收率最大,=1。l 根据根据基尔霍夫定律,黑体也具有最大的发射率基尔霍夫定律,黑体也具有最大的发射率。l 吸热吸热体对辐射的吸收和发射依赖于波长体对辐射的吸收和发射依赖于波长。l 利用利用这一点,可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。这一点,可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。l 选择性涂层在可见光区域具有很高的吸收率,但选择性涂层在可见光区域具有很高的吸收率,但在红外区域具有很小的发射率在红外区域具有很小的发射率。l 有有很多选择性涂层在可见光区域的吸收率与红外很多选择性涂层在可见光区域的吸收率与红外区域的发射率之比,即区域的发射率之比,即/都很高,如黑镍
8、、黑锌、都很高,如黑镍、黑锌、黑铬等黑铬等。l 利用利用选择性涂层,平板型集热器具有较好的性能,选择性涂层,平板型集热器具有较好的性能,但是也有两个缺点:但是也有两个缺点:l(1)选择性涂层对高温和气候条件比较敏感;选择性涂层对高温和气候条件比较敏感;l(2)成本较高。成本较高。l 对于不透明的吸收表面,有对于不透明的吸收表面,有+=1,其中,其中为反射为反射率。所以有:率。所以有:=1。l 在在短波区域,反射率短波区域,反射率很小,即很小,即很大;而在长波很大;而在长波区域,区域,很大,即很大,即很小,或者很小,或者很小。很小。l 吸热体上面的盖板应该具有很高的短波辐射透射吸热体上面的盖板应
9、该具有很高的短波辐射透射率率()和较低的长波辐射透射率和较低的长波辐射透射率。l 根据根据公式公式+=1,可知高透射率就要求具有低的,可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率吸收率和反射率。l 盖板盖板对辐射的吸收,不论是在短波区域还是在长对辐射的吸收,不论是在短波区域还是在长波区域都要比较小波区域都要比较小。l 玻璃玻璃在可见光区域透射率约为在可见光区域透射率约为97%,在红外区的,在红外区的吸收率约为吸收率约为94%。l 根据基尔霍夫定律,红外区的高吸收率导致高发根据基尔霍夫定律,红外区的高吸收率导致高发射率,使得辐射热损失增加射率,使得辐射热损失增加。l 通过通过喷涂在红外区域透明的涂层
10、喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟如氧化铟(In2O3),氧化锌氧化锌(ZnO2),可以大大减少红外辐射热损失,可以大大减少红外辐射热损失。l 与与吸热体的选择性涂层类似,这些涂层暴露在高吸热体的选择性涂层类似,这些涂层暴露在高温环境和不同的气候条件下,性能会下降,同时,温环境和不同的气候条件下,性能会下降,同时,成本也比较高。成本也比较高。低温集热器可以有不同的设计,但主要的标准就是低温集热器可以有不同的设计,但主要的标准就是能够向工质有效传热。能够向工质有效传热。三、平板型集热器的能量分析三、平板型集热器的能量分析l 1、平板型集热器的能量平衡、平板型集热器的能量平衡l 平平板型集热器吸热
11、体的能量平衡方程如下:板型集热器吸热体的能量平衡方程如下:其中,其中,QA为吸热体接收的太阳辐射;为吸热体接收的太阳辐射;Qu为工质获得为工质获得的有效热;的有效热;QL为吸热体的热损失。为吸热体的热损失。l 热损失可以表示热损失可以表示为为l 其中,其中,Qk为吸热体的传导热损失,为吸热体的传导热损失,W;Qc为吸热为吸热体的对流热损失,体的对流热损失,W;Qr为吸热体向外的长波辐为吸热体向外的长波辐射热损失,射热损失,W。l 在实际工程中,热损失常用下式表示:在实际工程中,热损失常用下式表示:l 其中,其中,Qb为集热器背面热损失,为集热器背面热损失,W;Qs为集热器为集热器侧面热损失,侧
12、面热损失,W;Qf为集热器正面热损失,为集热器正面热损失,W。l 2、能量损失分析、能量损失分析l 平板型集热器的热损失平板型集热器的热损失QL可以表示可以表示为为l 其中其中:l T为吸热体温度,为吸热体温度,K;l T 为环境温度,为环境温度,K;l Ac为集热器面积,为集热器面积,m2;l UL为总热损系数,为总热损系数,W/(m2K),为正面热损、背面,为正面热损、背面热损、侧面热损之和,即热损、侧面热损之和,即l(1)背面热损背面热损l 背面热损主要包括传导热损和对流热损背面热损主要包括传导热损和对流热损。l 典型典型的平板型集热器在吸热体的背面装有保温层的平板型集热器在吸热体的背面
13、装有保温层,其其热导率为热导率为k,厚度为,厚度为t。l 利用热阻的概念,可以得背面的热阻利用热阻的概念,可以得背面的热阻Rb为为l 其中,其中,Ri和和Rc分别表示保温层热阻和对流热阻;分别表示保温层热阻和对流热阻;hb为对流传热系数为对流传热系数。l 集集热器通过背面的热损速率为热器通过背面的热损速率为l 式中,式中,Ab表示背面的面积,表示背面的面积,Tb,为背面的气温。为背面的气温。l 上式与前式比较,可上式与前式比较,可得得l 其中其中l 大多数集热器都采用很厚的保温层,且所用材料大多数集热器都采用很厚的保温层,且所用材料的热导率都很低。因此,的热导率都很低。因此,t/k常远大于常远
14、大于1/hb,故背,故背面热损系数简化为面热损系数简化为l 对常用的平板型集热器,对常用的平板型集热器,Ab=Ac,且,且Tb,=T,此时,此时背面热损系数即简化为背面热损系数即简化为k/t。l(2)侧面热损侧面热损l 侧面热损主要由热传导和对流造成侧面热损主要由热传导和对流造成。l 平平板型集热器的侧面通常由框架与保温层板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成。构成。l 由于框架的内部面对几种不同的温度,故侧面传由于框架的内部面对几种不同的温度,故侧面传热应是二维的。为了获得关于侧面传热系数的比热应是二维的。为了获得关于侧面传热系数的比较保守的估计,可以假定框架内部的温度处于最较保守的估计,可
15、以假定框架内部的温度处于最高可能的温度高可能的温度(即吸热体温度即吸热体温度T),这样传热就变为,这样传热就变为一维的。一维的。l 侧面侧面热阻热阻Rs为为l 其中,其中,tm和和km分别为框架的厚度和热导率;分别为框架的厚度和热导率;hs为为侧面的对流传热系数。侧面的对流传热系数。l 集热器通过侧面的热损速率集热器通过侧面的热损速率为为l 式中,式中,As为垂直于传热方向的侧面总面积,一般为垂直于传热方向的侧面总面积,一般即等于侧面的高度与周长的乘积即等于侧面的高度与周长的乘积。l 与与式式l 比较,可得比较,可得l 其中其中l 由于通常框架是由薄金属制成的,即由于通常框架是由薄金属制成的,
16、即tm很小,且很小,且t/k远大于远大于1/hs,如果,如果Ts,=T,则侧面热损系数可,则侧面热损系数可以简化为以简化为l(3)正面热损正面热损l 集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种方式同时发生方式同时发生。l 传导传导通过盖层发生,而对流和热辐射则在吸热体通过盖层发生,而对流和热辐射则在吸热体和盖层的空隙之间以及最外层盖板与周围空气之和盖层的空隙之间以及最外层盖板与周围空气之间间发生。发生。l 设所考虑的集热器具有两层盖板,则在等效热回设所考虑的集热器具有两层盖板,则在等效热回路中的各种热阻如下:路中的各种热阻如下:l Rc,1:风力造成的
17、对流热阻;:风力造成的对流热阻;l Rr,1:外层盖板与天空之间的辐射热阻;:外层盖板与天空之间的辐射热阻;l R12:外层盖板的传导热阻;:外层盖板的传导热阻;l Rc,23:在两层盖板之间空气缝隙内的热阻;:在两层盖板之间空气缝隙内的热阻;l Rr,23:两层盖板之间的辐射热阻;:两层盖板之间的辐射热阻;l R34:内层盖板的传导热阻;:内层盖板的传导热阻;l Rc,45:内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻;:内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻;l Rr,45:内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。:内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。l 正面热损系数正面热损系数Uf即为即为Req的倒数,且通过
18、集热器正的倒数,且通过集热器正面的热损速率为面的热损速率为l 整个正面热回路的净有效热阻整个正面热回路的净有效热阻Req为为l 给定环境温度和吸热体温度后,可以通过热阻回给定环境温度和吸热体温度后,可以通过热阻回路的分析求得盖层表面的温度路的分析求得盖层表面的温度。l 例如例如,内盖层外表面的温度即为,内盖层外表面的温度即为l 综上所述,求解综上所述,求解Uf的步骤为:的步骤为:l(1)预估预估T1,T2,T3和和T4的值;的值;l(2)根据估计值求出所有热阻;根据估计值求出所有热阻;l(3)利用热阻求得正面热损系数利用热阻求得正面热损系数Uf;l(4)利用利用Uf计算计算Qf;l(5)根据热
19、回路图重新计算根据热回路图重新计算T1,T2,T3和和T4的值;的值;l(6)利用这些新的温度值,进行迭代计算,直到误利用这些新的温度值,进行迭代计算,直到误差在给定范围内差在给定范围内。四、集热器的效率四、集热器的效率l 集热器获得的太阳辐射集热器获得的太阳辐射为为l 其中,其中,Ig为太阳辐射强度,为太阳辐射强度,W/m2;为总透射率;为总透射率;为吸热体的吸收率;为吸热体的吸收率;Ac为集热器面积,为集热器面积,m2。l 因此因此l 其中,其中,UL为吸热体的总热损系数,为吸热体的总热损系数,W/(m2K);T为为吸热体温度,吸热体温度,K;T为环境温度,为环境温度,K。l 由上面两式可
20、以得到由上面两式可以得到热损失可以表示为热损失可以表示为l 单位集热器吸热体面积得到的有效能量单位集热器吸热体面积得到的有效能量就是就是集热器的热效率定义为集热器的热效率定义为l 其中,其中,0=,为吸收率与透射率的乘积,通常称,为吸收率与透射率的乘积,通常称为光学效率或转换系数。为光学效率或转换系数。l 1、光学效率计算、光学效率计算l 计算光学效率,首先要确定盖板的总透射率。计算光学效率,首先要确定盖板的总透射率。l(1)确定确定反射系数反射系数l 通常,反射率通常,反射率和透射率和透射率可以用下式表示可以用下式表示:其中,下标其中,下标b和和s分别表示直射辐射和散射辐射,分别表示直射辐射
21、和散射辐射,下标下标R和和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。分别代表入射辐射的反射和透射部分。l 盖板内的辐射实际上是经过了盖板内的辐射实际上是经过了多次反射。多次反射。l 利用菲涅尔利用菲涅尔(Fresnel)公式,反射率可以表示公式,反射率可以表示为为l 其中,其中,1和和2分别为入射角和折射角。分别为入射角和折射角。l 根据光的折射定律,有根据光的折射定律,有l 其中,其中,n1,n2分别为空气和玻璃的绝对折射率;分别为空气和玻璃的绝对折射率;n21为玻璃相对于空气的相对折射率。为玻璃相对于空气的相对折射率。l 将上式带入前式,可将上式带入前式,可得得l(2)只考虑反射现象的透射率计算
22、只考虑反射现象的透射率计算l 只考虑入射光在玻璃盖板上下界面上的多次反射只考虑入射光在玻璃盖板上下界面上的多次反射和透射,不考虑玻璃吸收的情况,则总辐射中穿和透射,不考虑玻璃吸收的情况,则总辐射中穿过玻璃盖板的透射率过玻璃盖板的透射率r计算如下。计算如下。l 经过经过1次,次,2次,次,3次,次,n次,次,反射,各次透反射,各次透过玻璃盖板的辐射量可以表示过玻璃盖板的辐射量可以表示为为l 总的透过辐射总的透过辐射是是故故类似地,可以得到类似地,可以得到N层盖板的透射率:层盖板的透射率:l(3)只考虑吸收现象的透射率计算只考虑吸收现象的透射率计算l 玻璃的入射辐射中,有一部分会被玻璃吸收。光玻璃
23、的入射辐射中,有一部分会被玻璃吸收。光线经过的路线越长,被吸收的就越多线经过的路线越长,被吸收的就越多。l 与与一般传输定律类似,有一般传输定律类似,有l 式中,式中,A为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率;为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率;K为吸收系数,为吸收系数,1/m;m为光程,为光程,m。l 如果入射光的入射角为如果入射光的入射角为1,折射角为,折射角为2,封盖为,封盖为N层,每层的厚度为层,每层的厚度为t并且具有相同的吸收率,并且具有相同的吸收率,则则l(4)总透射率总透射率l N层盖板的系统的总透射率是层盖板的系统的总透射率是r,N和和A,N的乘积,的乘积,即即或者或者其中,其中,
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