太阳能集热器的结构与数学模型(1)
一种新型太阳能空气集热器的数值模型
一种新型太阳能空气集热器的数值模型摘要：据文献资料表明，对空气集热器的数值研究途径有两种，一种是利用CFD模拟的微观方法，这种方法的优点是可以详细分析各个面温度，压力和流速分布等。
还有一种是从宏观上来建立集热器的能量平衡方程，这种方法的好处是可以方便分析各个因素对集热器性能的影响。
本文拟从宏观上建立一种新型太阳能空气集热器（TTC）的数值模型，并分析各因素如何影响TTC集热性能。
关键词：空气集热器，能量平衡，数值模型1 TTC计算模型在建筑外表面涂上选择性涂层（集热部件），并在墙体外表面一定距离安装上带孔的聚碳酸酯板（PC板），PC板与建筑外表面之间形成一个空腔，空腔的四周用绝热材料闭合为一个箱体，风机安装在箱体的上部提供动力用于克服空气流动的阻力损失。
TTC的工作原理是，绝大部分的太阳光经PC板透射落在建筑表面的涂层上并使其温度升高，而剩下的太阳光被PC板吸收或者反射到环境中。
室外空气在风机产生的负压作用下持续经过PC板和集热涂层，从而使其被加热，最后通过送风系统送入室内，达到采暖通风的目的。
2模型假设（1）假设透明PC板和集热涂层的表面温度是均匀的。
（2）假设空气通过PC板小孔渗流是各向同性的，没有回流。
实际上，空腔中的气流分布是否产生各向异性由自然对流和强迫对流相对强弱决定。
（3）假设TTC涂层表面为漫-灰表面，即波长和方向不会影响表面辐射性质。
（4）假设PC板、集热涂层和外墙是一维稳态的传热过程。
（5）PC板小孔形状以当量直径为D、间距为P表示，小孔呈四边形排列。
3 TTC数学模型的建立图1 TTC能量流动示意图图1表示TTC的能量流动示意图。
太阳能穿过PC板输入系统加热空气，整个系统的热损失主要由PC板与环境的对流损失和辐射损失组成。
能量平衡方程主要包括三部分，即PC板、空腔和集热涂层及墙，此外还应考虑太阳能的辐射输入、对流热损失和辐射热损失。
（1）板能量平衡方程设PC板各处温度均为，则可列出PC板的稳态平衡方程：(1)其中，，孔隙率，表示PC板除去小孔的净面积。
太阳能热水器的组成及工作原理(13页)
太阳能热水器的组成及工作原理2.1 系统总体结构设计图2-1系统结构图图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2：T3T2图2-2 系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。
1.早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。
为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。
当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。
2.循环水集热过程早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。
具体控制过程如下：打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。
然后开始比较温度，若（T31>5摄氏度，T2>T1）为止。
如若T1，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。
3.冷水集热控制此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。
具体控制过程如下：关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。
若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3<N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。
太阳能集热器
通常，反射率ρ和透射率τ可以用下式表示：
其中，下标b和s分别表示直射辐射和散射辐射， 下标R和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。
盖板内的辐射实际上是经过了多次反射。
利用菲涅尔(Fresnel)公式，反射率可以表示为
其中，θ1和θ2分别为入射角和折射角。 根据光的折射定律，有
其中，n1，n2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。
盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长 波区域都要比较小。
玻璃在可见光区域透射率约为97%，在红外区的 吸收率约为94%。
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。
通过喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟(In2O3)， 氧化锌(ZnO2))，可以大大减少红外辐射热损失。
(2)侧面热损 侧面热损主要由热传导和对流造成。 平板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成。
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 较保守的估计，可以假定框架内部的温度处于最 高可能的温度(即吸热体温度T)，这样传热就变为 一维的。
侧面热阻Rs为
(2)盖层 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。
(3)保温层 减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的 热损。
(4)工质及流动通道 使工质能与吸热体发生热接触。 集热器的工质为流体(液体或气体)。
(5)支架及框架 将集热器的各个部分连接成一个整 体并支撑其重力。
液体集热器用水或者水-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。
热损失可以表示为
其中，Qk为吸热体的传导热损失，W；Qc为吸热 体的对流热损失，W；Qr为吸热体向外的长波辐 射热损失，W。
太阳能空气集热器吸热板结构优化及其数值模拟_程友良
关键词： 太阳能空气集热器； 吸热板； 结构优化； 数值模拟
中图分类号： TK513.3 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2016）07-0949-06
DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2016.07.001
0 引言
器内空气换热特性进行数值模拟。
太阳能空气集热器利用太阳能加热空气被广 1 物理模型
0.114、透过率 0.81
吸热板 流固耦合边界条件，不透明介质，其上涂层吸收率
性逐渐增大。主要由于空气流经吸热板时，经历入 口段到充分发展段， 同时流动空气温度沿流动方 向逐渐升高， 致使流动空气从吸热板上带走的热 量逐渐减少， 从而使得吸热板温度沿空气流动逐 渐增大。 在模拟过程中，太阳光照方向在模型 z 方
向不为零，随着流速的增大，空气与壁面间的对流
换热系数逐渐增大，空气从吸热板上吸收的热量
温 度/K
340 339 338 337 336 335 334 333 332 331 330 329 328 327 326 325 324 323 322 321 320 319 318 317 316 315 314 312 310 308 306 304 302 300
新能源领域的研究工作。 E-mail：ylcheng@
·949·
可再生能源
2016，34（7）
表 2 集热器基本构成单元结构和材质 Table 2 Fundamental unit of structure and material of the solar air collector
瞬时效率
0.56
0.54 0.52 0.50 0.48 0.46
0.44
0.42 0.40 0.38
太阳能吸附式制冷和供热循环模型
０前 言
系统开始产生吸热效果 。接通 电加热器 使吸附床 的温 度升 高 ， 制 冷剂从吸附剂中解 吸吸附床内压力升高 。 解吸 出来的制冷剂进入
节能 和环保 已成为 当今制冷 空调技术领 域公认 的两大研究 冷凝器 ， 通过 冷凝器 向用 户供 热 。经冷 却介质冷却 后凝结 为液 主题 ， 在 太阳能利用 中 ， 太阳能制冷空调 技术是一个极 具研究发 态 ， 节流后进入蒸发器。由热泵理论知 ， 该 系统 中以供热的设备冷 展前 景的研究领 域 ，同时也 是 当前制冷 技术利于研 究 的热点之 凝 器提供的热量应该 等于蒸发器 吸收的热量加 以吸附床消耗 的 当今建筑制冷与供热消耗 了大量 的能量 ， 本文将采 用太阳能 电能。即满足下式 ： 制冷 和热 泵 技 术 达 到 节 能 环保 的效 果 。
图 １太 阳能 吸 附 式 制 冷 和供 热循 环 原 理 图
பைடு நூலகம்
【 ｌ １ 谭盈科， 冯毅， 崔乃瑛。 吸附式太【 ｌ 阵 军， 朱冬生， 张立志 等。 固
《 资 源节约 与环 保》 ２ ０ １ ３年 第 ５期
１ ． ２太 阳能 吸 附 式 制 冷 原 理【
用户采暖 的热量 ， 但它可 以提高蒸发器 吸收的热量 Ｑ ， 从而实现 １ ． ２ ． １太阳能吸附制冷原理 节约电能的 目的。 太阳能吸附式制冷系统 的循环原理如图 ｌ ， 将阀门 ３ 、 ４关闭 ， 打 １ ． ４太阳能吸附式制冷与供热循环 开阀门 ｌ 、 ２ 、 ５ ， 实现制冷循环给用户提供冷量 ， 向用户提供生活用热 本系统将以上制 冷系统 和供热 系统组合在一起 ， 通过开关不 水将阀门： 由它主要 由发生器ｆ 吸附床）、 冷凝器 、 蒸发器 、 太阳能集 同的阀 门来实现 夏家用太 阳能制 冷 ，同时 向用户提供生 活用 热 热器 、 阀门等部分组成。 本系统在夏季运行时 ， 白天太阳辐射充足时 ， 水， 冬季用电能附加太 阳能供热的 目的。 集热器吸收太阳辐射后水的温度升高 ， 高温水通入吸附床使制冷剂 从吸附剂中解吸吸附床内压力升高。解 吸出来的制冷剂进入冷凝 器， 经冷却介质冷却后凝结为液态 ， 节流后进入蒸发器。
太阳能集热器热性能分析报告
太阳能集热器热性能分析摘要：本文介绍了太阳能集热器的种类以与各自的特点。
同时，阐述了太阳能集热器热性能的理论，包括影响太阳能集热器热性能的因素、太阳能集热器热性能的测试方法等。
关键字：太阳能集热器、热性能测试、影响因素0引言随着能源的大量消耗和环境的急剧破坏，新能源技术已经成为21世纪世界经济开展中具有决定性影响的五个技术领域之一。
太阳能因为具有取之不尽、用之不竭、无环境污染等诸多优点而受到各国重视。
2011年，我国太阳能集热器生产量占世界产量的80%，占世界保有量的60%左右，说明我国已经成为太阳能利用大国。
太阳能集热器是将其接收的太阳辐射能向传热工质传递热能的装置，因此，太阳能集热器是太阳能利用的关键装置。
所以，太阳能集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效应用至关重要。
1太阳能集热器的种类随着太阳能利用的大力开展，太阳能集热器的种类也越发多样化。
根据进入采光口的太阳辐射方向是否改变，分为聚光型集热器、非聚光型集热器；根据集热器的传热工质类型的不同，分为液体型集热器、空气型集热器；根据集热器是否跟踪太阳，分为跟踪集热器、非跟踪集热器；根据集热器是否有真空空间，分为平板型集热器、真空管型集热器；根据集热器的工作温度围的不同，分为高温集热器〔300℃～800℃〕、中温集热器〔80℃～250℃〕、低温集热器〔40℃～80℃〕。
其中，太阳能热利用产品最常见的有两种--平板型太阳能集热器与真空管型太阳能集热器。
1.1 平板型太阳能集热器与其特点平板型太阳能集热器[1]的典型结构如图１所示，主要包括透明盖板、吸热板芯、流体流道、隔热层和箱体等局部.图1 平板型太阳能集热器典型结构透过透明盖板照射到吸热板外表，吸热板吸收大局部太阳辐射能，将其转化为热能，并将热能传递给流道的传热介质，传热介质携带热能进入储热设备。
这样，传热工质被加热后，温度逐渐升高，作为集热器的有用热能输出。
同时，由于吸热体的温度升高，通过透明盖板和外壳向周围环境散失热量，造成了平板型太阳集热器的各种热损失。
(整理)平板太阳能集热器结构及选材特点分析
平板太阳能集热器结构及选材特点分析平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。
平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。
用平板型太阳能集热器部件组成的热水器即平板太阳能热水器。
平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成(如图1)。
图1平板型集热器结构示意图当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。
一、吸热板吸热板是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件，其基本上是平板形状。
1.吸热板的结构形式在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管和集管。
排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件;集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。
吸热板的材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。
吸热板有如下主要结构形式(如图2)。
图2吸热板结构形式示意图(1)管板式。
管板式吸热板是将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带(如图2a)，然后再与上下集管焊接成吸热板。
这是目前国内外使用比较普遍的吸热板结构类型。
(2)翼管式。
翼管式吸热板是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带(如图2b)，然后再与上下集管焊接成吸热板。
吸热板材料一般采用铝合金。
翼管式吸热板的优点：热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻;耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。
缺点：水质不易保证，铝合金会被腐蚀;材料用量大，工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度;动态特性差，吸热板有较大的热容量。
(3)扁盒式。
扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板(如图2c)，吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。
通常，流体通道之间采用点焊工艺，吸热板四周采用滚焊工艺。
太阳能集热器的结构与数学模型
太阳能集热器的结构与数学模型1.集热器：太阳能集热器的集热器是最关键的部分，它用于吸收太阳能并将其转化为热能。
集热器一般采用具有较高吸收率和较低辐射率的材料，如黑色吸热涂料或有光吸收涂层的镀膜玻璃。
集热器的形状可以是平板、管式或反射式等不同形式。
2.传热管：传热管位于集热器内部，用于将集热器吸收的热能传导给水。
传热管一般采用铜或铝等导热性能较好的材料制作，通过与水接触，将热能传递给水，使其升温。
3.水箱：水箱是太阳能集热器的储热部分，它用于存储通过传热管传递过来的热水。
水箱一般由具有良好绝热性能的材料制成，以减少热量损失。
同时，水箱内还设置有热水进出口和温度传感器等部件，用于控制热水的流动和温度。
4.支架：支架是太阳能集热器的支撑结构，用于将集热器安装在合适的位置上，以最大程度地接收太阳辐射。
支架通常采用金属材料制作，具有一定的倾斜角度，以便于集热器的调节和定位。
1.热收益模型：热收益模型用于描述太阳能集热器的热收益情况。
该模型通常基于太阳辐射强度、集热器的吸收率、集热面积和环境温度等参数，通过数学公式计算出集热器的热收益、能量转化效率等指标。
这有助于评估太阳能集热器的热效应以及其在不同条件下的产热能力。
2.能量平衡模型：能量平衡模型用于描述太阳能集热器内部的能量传递和热平衡状态。
该模型通常基于热传导、对流、辐射等热传导方式，通过建立能量守恒方程和热传导方程，计算出集热器内部各部分的温度分布和热量传递过程。
这有助于优化太阳能集热器的结构设计和改进传热效果。
综上所述，太阳能集热器的结构包括集热器、传热管、水箱和支架等部分。
通过合理的结构设计和制造工艺，太阳能集热器能够高效地吸收太阳能并将其转化为热能。
同时，太阳能集热器的数学模型可以描述其工作原理和热效应，有助于评估和改进集热器的性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
集热器效率可定义为集热器得到的有用功率与投 射到集热器上的太阳辐射功率之比，即
Qu
As I
（2-3）
将式（2-2）代入式（2-3），得到热管式真空管 集热器的瞬时效率方程：
（2-1）
式中S—单位时间内太阳辐射总量，W Qu—单位时间内集热器得到的有用能量，W QL—单位时间内集热器热损失量，W
Qu S Ql
将S和QL的数学表达式代入式（2-1）可得
（2-2）
式Q中u I—A太p阳I辐照度e，W/Am2pU L (Tp Ta )
UL—总热损失系数，W/m2.℃ AP—集热器吸热板面积, m2 TP—集热器吸热板平均温度, ℃ Ta—环境温度, ℃
4.2 热管式太阳能集热器的数学模型 2.2.1 热管式太阳能集热器的结构
如图2-2所示，太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在金属吸热板上。吸热板 将太阳辐射能转换为热能，使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升到热管 冷凝段后，通过导热块将热量传递给集管内的工质，而自身又凝结为液体，依 靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环，使集管内的工质不断升温。与此同时， 被加热的吸热板和集管则不可避免的经由各种途经向周围环境散失一部分热量。 为了便于对热管式真空管集热器进行传热分析，作如下假设：
（1）忽略真空管内空气对流和传导热损失； （2）真空管玻璃外壳与周围环境的传热系数为常数； （3）真空管总热损系数UL在一定温度范围内为常数； （4）忽略热管管壁、导热块和集管管壁的传导热阻； （5）忽略吸热板与热管蒸发段之间以及导热块与热管冷凝段、集管之间的接触
热阻； （6）热管内传热介质蒸汽的湿度均匀一致。
另外水压高，冷凝端换热，特别适用集体系统的应用；热效率高，闷晒温度 达250 ℃，工作温度为70-120 ℃。由热管式真空管构成的太阳能集热器具有 热效率高和工作温度高的优点，因而不仅可以用于太阳能热水，还可用于公 用热水、太阳能采暖、太阳能空调、热泵系统、海水淡化、医用杀菌，等诸 多领域。
热管式集热器与传统集热器比较，具有以下优点： (1)用热管传输热量，可避免普通集热器存在的集 热管冬天晚间结冰问题。
热管
水箱
集热板
图2-1 集中供热热管式太阳能集热系统图
4.1.1 热管式太阳能集热器的特点 热管式太阳能集热器热管的热容极小，在多云间
晴的低日照条件下能迅速起动，有效收集热量。 所以即使对于日照条件不太高的地区也可有效使 用，应用地域很广；由于被加热的工质不直接流 入真空管内，所以系统管路可承受较高工作压力 （≤6kg/cm2），承压能力很强；热管式太阳能集 热器采用热管传热技术，集热管内无水，不会因 高寒地区气温过低而冻破集热管，从而影响使用， 而且因管中无水，若一支热管破损，不会影响整 机工作。热管式传热方式使系统即便在-50℃的气 温条件下仍能正常运行，而且具有抗直径25mm以 下冰雹冲击的能力；集热器为单元式结构，便于 搬运、安装。当系统中某根真空管需要维修时， 可在不妨碍系统运行的情况下进行更换，安装维 修很方便。
4.1 热管式太阳能集热器
4.1.1 热管式太阳能集热器的工作原理
热管式太阳能集热器的工作原理是利用金属吸热板吸收紫 外线，当金属吸热板温度达到20℃时，热管中的工质就汽 化向上运动，在运动过程中不断吸收吸热板上的热量，到 达冷凝端时可达到250℃，在冷凝端回流至热管底部，重复 加过程。热管沿轴向分为蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发 段使热量从管外热源传给管内的液相工质，并使其蒸发， 气相工质在冷凝段冷凝，并把热量传递给管外的冷源。当 冷源和热源隔开时，绝热段使管内的工质和外界不作热量 传递，吸液芯靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发 段及使液相工质在蒸发段沿径向分布。太阳能热水器中应 用的热管一般为两相闭式热虹吸管 (简称TPCT),又叫重力热 管，内部没有吸液芯，凝结的液体从冷凝段回到蒸发段不 是靠吸液芯所产生的毛细力，而是依靠凝结液的自身重力。
4 太阳能集热器的结构与数学模型
主动式太阳能建筑是通过集热装置来收集太阳能， 因此太阳能集热器的效率对整个系统来说至关重 要。太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能并向工 质传递热量的装置，以工质种类可分为工质为液 体的集热器和工质为气体的空气集热器。太阳能 集热器从闷晒式、平板式、全玻璃真空管不断发 展到金属热管式。热管式太阳能集热器，利用真 空管集热，内置¤型翅片，把高温环境中的热量传 给热管、热管迅速将热量传入水箱，特别在多云， 辐射强度低的情况下，启动传热快。本章主要介 绍了热管式太阳能集热器系统的工作原理、特点 及集热器的结构与数学模型。
4.2.2 基本方程
QLLeabharlann STa 1/ULTp Qu
(a)
1/Kb-a
S
Ta Tp Qu
1/Kg-a Tg 1/Kp-g (b)
图2-3 热管式太阳能集热器热网络图
图2-2(a)给出了热管式真空管集热器的等效热网络。根据能量守恒定律，单位 时间内集热器得到的有用能量等于集热器吸收的太阳辐射能量减去集热器向周 围环境散失的能量，即
集中供热的热管式集热器结构如图2-1所示，几片集热器联合组成一个集热系 统，其特点是采用两级热管结构，集热板吸收热量后，经过第一级热管传入 中间大直径的管子，该管中充有工质，然后第二级热管从中间的管子吸收热 量传入水箱。这样 ,当一片集热器或一根热管发生泄露时，不会导致整个集热 系统的失效，解决了真空管一支损坏而导致整个集热器无法使用的弊端。
(2)由于重力辅助热管的“热二极管”的作用，热 量只能从吸热板向换热器输送，能防止晚上或阴天 时的倒流散热。
(3)热容小，启动性能好。
(4)热管式真空管集热器兼有平板型集热器与玻璃 真空管平板型集热器的优点，热管式集热器由于热 管外表面涂有选择性吸收涂层，而且真空绝热，因 此热损失小，在高的工作温度下仍有较高的集热效 率。热管选用合适的工质使集热器温度超过工质的 临界温度后，热管的传热就停止，这就防止了集热 器在无负荷情况下带来的高温问题。