陶瓷太阳能集热器（精选7篇）
陶瓷太阳能集热器 篇1
1 集热系统相关简介
陶瓷太阳板集中热水系统由集热器主体、控制柜、集热水箱、板式换热器、循环泵等若干部分组成。
控制系统采用触屏控制, 可进行手动控制、自动控制切换, 同时所有控制参数均可实时调整。控制系统共设置有两套自控方式:
(1) 直流运行控制:控制系统判定屋顶集热器板内温度与集热水箱内温度差是否满足设定条件 (通常为7-10℃) , 满足则开启电磁阀, 冷水直接进入集热器板内将热水顶入集热水箱, 至温差低于设定温差, 关闭电磁阀, 系统进入闷晒状态。
(2) 换热运行控制:控制系统下辖两台循环泵, 集热器组与集热水箱由一台板式换热器连接, 集热器内高温流体经板式换热器换热加热集热水箱内温度较低热水。循环泵启停采用温差控制, 即当集热器组内温度与集热水箱内温度差满足设定条件时, 两台循环泵同时开启进行换热。
2 数据采集记录简述
该系统共设置PT100铂电阻接触式温度探头27个, 其中屋面集热器支管、干管上设置有6个, 板式换热器进、出口两侧设置4个, 集热水箱中部设置1个。坡屋面顶端设置半球形远传辐照仪一台, 数据实时回传至控制柜显示屏。
本次共采集7天两种工况下的实验数据, 直流3天, 换热4天, 涵盖阴雨、多云、晴朗各天气状况, 数据采用远传记录处理。当天实验完成后, 放空集热水箱, 确保系统处于初始工况, 对次日运行无严重干扰。
3 集热性能分析
3.1 直流工况集热性能分析
3.1.1 陶瓷板太阳能集热系统直流工况日有效得热量
由表1所记录数据, 在不考虑环境温度对集热系统的影响前提下, 可依据公式 (1) 得出系统的日有效得热量:
其中c-工质的比热容, 水取1200J/ (kg·K) ;ρ-工质的密度, 水取1000kg/m3;v-工质的体积;计算得直流工况系统日有效得热量分别为:196.27MJ, 98.28MJ, 196.99MJ。
3.1.2 陶瓷板太阳能集热系统直流工况集热效率
依据集热器瞬时集热效率计算公式:
式中:I-太阳辐射强度 (W/m2) , 参表3;AC-集热器的有效面积 (m2) , 取0.715×0.75×160=81.8m2;G-流经集热器流体的流量 (kg/S) , 取0.38kg/S, 详细计算参表4;CP-流体的定压比热容 (J/Kg·K) , 取1200J/Kg·K;Ti-入口流体温度 (℃) ;To-出口流体温度 (℃) 。
依据公式 (2) 对3天共543组实时数据进行逐一计算, 得出集热效率峰值及最低值。
3.2 换热工况集热性能分析
依据公式 (1) 计算换热工况下系统日有效得热量。
换热工况下板式换热器两端各设置循环泵一台, 水泵流量12.5m3/h, 扬程12m。直流工况下G-流经集热器流体的流量 (kg/S) , 取12500/3600=3.47kg/S。
依据公式 (2) 对3天共275组实时数据进行逐一计算, 瞬时集热效率参下表
数据表明8/28日系统平均瞬时集热效率超过50%, 明显高于前两组数据, 这是由于8/28平均太阳辐照强度较8/19、8/25两日明显降低 (参表8) , 而辐照强度与集热效率成反比, 导致8/28日系统平均瞬时集热效率高于8/19、8/25两日。
4 系统性能分析
4.1 直流、换热工况系统性能对比
表2和表4数据表明:换热工况下, 由于二次换热设备的存在, 导致约160×6=960L (单块陶瓷太阳板存水量为6L) 的热媒水, 始终存留在屋面集热器组件内。而这部分热水受温差循环控制条件制约, 温度一定会高于储热水箱中的水温, 这就意味着换热工况下, 集热系统将始终有近960L的热水无法得到利用, 并随着夜间温度的降低, 重新被冷却。
因此, 该集中太阳能热水系统, 采用直流工况所获得的热水量将明显高于换热工况下系统所获得的热水量。
4.2 提高系统运行效率的假设
依照实验数据, 换热器两端温差提高5℃, 将使水箱温升效率提升一倍, 即有效换热量提高1倍。
参表5数据, 可知当系统循环启停温差设置在10/6℃时, 受换热温差较低的影响, 系统换热效率不高, 循环泵处于长时间运转的状态下。将循环启停温差调整为15/10℃时, 换热效率得到提高, 系统单个运行时段缩短。进一步增大循环启停温差至20/10℃, 系统换热效率得到明显提升, 同时循环系统单个运行时段缩短, 系统日总运行时间大幅度缩短。
结合表4、表5数据对比, 不难发现由于采用了大循环启停温差控制, 2012/8/28日, 在平均日辐照值较另外两日低 (分别低22%、17%) 的情况下, 通过更短的系统日中运行时间 (分别短33%、35%) , 获得了与另外两日基本相同的日有效得热量 (分别为高7%、低16%) 。同时系统平均瞬时集热效率也获得了明显的提高。
在系统最后一个循环时段内, 循环停止温差宜从0℃进行适当的提高, 因为循环停止温差过低, 将使换热效率严重消减, 导致系统长时间运行, 却只能为储热水箱内热水换取有限的热量, 与所耗费的电能相比得不偿失。
3 换热工况性能改进总结
北京地区夏季陶瓷太阳板集中热水系统, 采用换热工况时:
3.1上午9:00-下午14:30之间, 宜采用更高的系统循环启停温差 (推荐20/10℃) 。
3.2下午14:30-15:30间系统循环启停温差适当调低 (推荐15/10℃) 。
3.3 下午15:30之后, 受太阳辐射强度降低, 储热水箱水温升高的双重影响, 宜将系统循环启停温差进一步调低 (推荐10/4℃) 。
3.4 系统实现分时段控制, 在现有技术条件下并无太大难度, 程序编写员在编写控制程序时, 将控制时段预分为3-4个, 并为每一个控制段预留手动调整模块, 即可轻松实现。
4 推广应用前景分析
陶瓷太阳板在近一个月的调试、试验过程中, 表现出了较优秀的制热能力, 日有效产水量与真空玻璃管、平板型集热器相比基本相同。表明陶瓷太阳板作为一种新型、工艺独特的末端集热产品, 其集热性能还是比较出色的。
摘要：随着“十二五”规划纲要的正式提出, 太阳光热利用作为近十年来世界上发展最迅猛的可再生能源技术, 被明确列为“十二五”科技发展重点。黑瓷复合陶瓷太阳板 (以下简称陶瓷太阳板) , 作为一种全新材质的太阳能末端集热器, 因其独特的制作工艺、低廉的制造成本, 在户式家用太阳能热水器中已经得到成功应用。同时, 该类集热器尚无在中、大型集中型系统中使用的先例, 因此, 对采用陶瓷太阳板作为集热末端的大型集中太阳能集热系统的运转情况、集热效率进行跟踪测试、分析, 可以针对性的总结此类系统的使用成果, 促进太阳能光热利用技术的进一步完善。文章将依托采用陶瓷太阳板集中热水系统的某实验基地, 就系统实际运行过程中所采集到的数据为依托计算其实际制热能力。
关键词：陶瓷板,太阳能,集热器
陶瓷太阳能集热器 篇2
随着“城乡一体化”步伐加快,农村经济取得突飞猛进的发展。伴随着农民生活质量的提高,农民对房屋的热舒适性需求也逐步提高。然而,受村落分布不集中因素影响,集中供暖的形式难以在农村中开展,农村冬季采暖问题漏洞百出。目前,农村冬季采暖主要选取燃煤方式,或是辅以秸秆、柴草、电、气等能源的独立取暖[1],这些方式存在资源燃烧带来的大气污染、能源浪费等问题。因此,寻求节能、高效、环保的农村采暖技术势在必行。
太阳能作为清洁能源,“取之不尽、用之不竭”,一直以来都是国内外学者研究的热点。太阳能集热器可以实现太阳能向热能的转化:集热器内的水吸收太阳能后升温来对采暖设备加热或提供生活用热水。目前太阳能集热器种类按材质不同可分为真空管集热器、平板集热器、陶瓷集热器、塑料集热器等。其中,陶瓷太阳能集热器因集热率高、寿命长、价格低、安装方便等优势成为建筑加装太阳能系统的最好选择之一[2]。本文以山西省太原市晋源区某一农村居民独立建筑中的陶瓷太阳能集热系统为例,采用实测室内温度变化的方法,用以分析陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用。
1 陶瓷太阳能集热系统
1.1 系统构造
陶瓷太阳能集热系统由集热器、集热水箱、控制柜、循环泵系统、末端采暖设备、辅助热源等构成。其中,陶瓷太阳能板以普通陶瓷为基底,在向阳面浇筑工业废弃物生成的钒钛黑瓷,太阳能吸收率高达0.95。陶瓷太阳能板坡向屋面设置,与建筑物屋面形成一体:陶瓷太阳能板与其下覆盖的玻璃棉对建筑物起到了保温的作用;同时,陶瓷太阳能板上方的钢化玻璃在保护太阳能板的同时又充当了建筑物的防水层。
图1为陶瓷太阳能采暖系统构造图。
1.2 系统运行原理
在集热水箱底部出口处和陶瓷太阳能板出水口处分别设置温度传感器:当太阳能板出水口处温度(T1)与集热水箱底部出口处温度(T2)差值(T1-T2)高于设定温度(5℃)时,循环水泵开启,集热器内吸收太阳能升温后的热水进入集热水箱内与水箱内的冷水进行热交换,同时定温水位电磁阀开启向集热器内补充自来水;当温度差值(T1-T2)低于设定温度(5℃)时,循环水泵与定温水位电磁阀关闭。随着集热水箱与集热器内冷热水的不断换热,集热水箱内的水温度持续升高。当集热水箱内的温度达到末端采暖设备供热所需温度时,水泵开启,集热水箱内的热水进入末端采暖设备用于房间供热。当集热水箱内的水位低于设定值时,补水电磁阀开启向水箱中补充自来水至达到设定水位停止补水。其中,辅助热源用以满足冬季阴雪天的供热需求。
2 工程实例
2.1 工程概况
本次陶瓷太阳能集热采暖测试系统选取在山西省太原市晋源区某一农村居民独立建筑中。该独立建筑为单层建筑,坐北朝南,建筑面积82.61 m2。在屋顶沿屋面倾角敷设陶瓷太阳能集热板:集热板规格选取710×710×26,分4排9列敷设,共计敷设36块;集热板连接选取串并联方式,敷设倾角22°。在室内安置采暖系统中的集热水箱,水箱容量选取1.5 t。末端采暖方式选取辐射地板供暖。
集热器敷设效果图如图2所示。
2.2 参数选取
1)集热板面积选取。
参照文献[3],选取计算用采暖期室外平均温度-1.1℃,计算用室内平均温度18℃,计算用采暖期天数127 d。利用PKPM采暖居住建筑能效测评软件计算得该独立建筑在采暖期内建筑耗热量指标为31.16 W/m2。因此,满足冬季供暖负荷所需的陶瓷太阳能板面积可用式(1)[4]计算:
其中,q为日平均釆暖负荷,取31.16 W/m2;A0为建筑面积,取82.61 m2;f为太阳能保证率,取0.1~0.3;JT为太原市集热器安装的平均日太阳能辐照量,取16.89 MJ/m2;ηcd为系统使用期的平均集热效率,取0.25~0.5;ηL为管道及集热水箱热损失率,取0.2~0.3。
由式(1)计算得,为满足冬季室内的供热负荷,陶瓷太阳能板的计算面积为14.5 m2。实际工程中屋顶敷设陶瓷太阳能集热板面积18.2 m2,因此,实际工程中使用的陶瓷太阳能集热系统可以很好地满足房屋的供热需求。
2)集热水箱的选取。
在进行集热水箱容积的确定时,对于短期蓄热的太阳能供热采暖系统,集热器对应的水箱容积选取80 L/m2[5],则18.2 m2集热板面积对应的水箱容积为1.46 t。因此,本次陶瓷太阳能集热系统中集热水箱容积选取为1.5 t。
2.3 系统运行
陶瓷太阳能集热采暖系统运行时间为2015年11月1日~2016年3月1日:设定集热系统每日早晨9:00开始集热器和集热水箱内的水循环,至下午16:00循环结束;地暖采取间歇供暖方式,集热水箱从15:00开始向地暖供水直至次日10:00供水结束。阴雪天时,开启电加热设备用于地暖供热。同时,在室内、室外分别安置温度探头用以监测室内外空气温度的实时变化。
3 结果分析
在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖时,由于供暖期较长,温度探头获取得到的室内外空气温度数据较多,故选取系统供暖时最冷日(晴天)1月18日室内外空气逐时温度数据和最冷月份1月份的室内外空气平均温度数据进行分析,如图3,图4所示。其中,1月1日~1月11日、1月16日~1月22日、1月30日为晴天,余下时间为阴雪天。
图3为1月18日室内、室外空气温度日变化。
由图3分析可得,在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖后,室内外空气温度变化趋势基本一致:室外温度波动范围-11℃~3.5℃,供暖后,室内温度波动范围14℃~16.4℃。可以看出,采用陶瓷太阳能集热系统进行供暖,可以有效地承担农村独立住宅中的大部分冷负荷。供暖后的室内温度略低于设计标准温度18℃,但仍可以满足居住热需求。
图4为1月份室内、室外空气平均温度变化。
由图4分析可以得知,2015年1月份室外平均温度波动范围-6.5℃~0℃,在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖后,室内温度波动范围14℃~19℃,符合农村住宅采暖需求[6]。因此,在北方农村地区使用陶瓷太阳能集热系统供暖是有效的。
4 结语
本文从实际工程出发,对陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用进行分析,得出以下结论:
1)陶瓷太阳能集热采暖系统可以有效地利用太阳能来对建筑物进行供热。在使用该供热系统后,最冷月室内温度可以保持在14℃~16.4℃范围内波动,符合农村住宅采暖需求。
2)采用陶瓷太阳能集热采暖系统为农村独立建筑供暖时,地暖的运行方式选取为间歇运行就可以较好地满足室内热需求。
3)在阴雪天时,需要辅以电加热的方式来对地暖进行加热来满足供暖需求。
参考文献
[1]张强.以城乡一体化思路解决农村供暖问题[J].北京农业职业学院学报,2012,26(6):3-5.
[2]潘晋,孟阳.我国北方农村太阳能采暖研究[J].建设科技,2015(6):76-78.
[3]GB J26—2010,严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].
[4]潘晋.青岛某新农村供热系统集成技术研究[D].济南:山东建筑大学硕士学位论文,2015.
[5]GB 50495—2009,太阳能供热釆暖工程技术规范[S].
平板太阳能集热器技术问题浅析 篇3
平板集热器在我国已有20多年的生产和应用经验。与真空管太阳能集热器相比, 它具有承压能力强, 吸热面积大, 易于建筑相结合等特点, 被广泛应用于分体太阳能热水系统和大面积热水工程系统, 市场前景广阔。
随着技术的进步, 平板集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平, 产品的性能大幅提高, 市场竞争力也在进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。目前的平板太阳能集热器已经解决了产品集热性能的问题, 但由于在细节上还存在诸多不足, 使用效果不甚理想, 一定程度上限制了平板集热器的推广。
2 平板太阳能集热器技术问题简述
2.1 集热器的安全使用
平板太阳能集热器安装在阳台立面或者屋顶, 要适应各种天气状况下的运行, 必须保证集热器的安装牢固和自身抗冲击性能。相比真空管式太阳能集热器, 同等面积的平板太阳能集热器对强风的承载面积更大, 其支架必须加厚加固, 同时表面应做防锈处理, 尤其是安装在阳台南立面的阳台壁挂形式的集热器, 对集热器的安装要求更强。平板太阳能集热器所采用的3.2mm低铁超白钢化玻璃可抵抗直径30mm钢球0.5m高度的自由落体撞击, 一般都可经受暴雨或冰雹等较大负载;另一方面, 由于钢化玻璃中硫化镍的存在会引起自爆现象。当然, 由于玻璃中的重金属铁和镍是共生的, 随着超白玻璃铁含量的大大降低, 镍含量也大大降低, 可以从源头上控制解决自爆的问题, 根据南玻集团众多工程案例的使用情况统计, 超白钢化玻璃自爆率约为1/10000 (普通钢化玻璃自爆率高于3/1000) 。
2.2 平板集热器的集热性能
平板太阳能集热器的集热性能主要体现在太阳能选择性吸收涂层方面。由于技术工艺的不同, 不同涂层的吸收、发射性能及寿命也不同。阳极氧化涂层是对金属衬底进行阳极氧化处理, 制备具有梯度分布的多孔表面, 通过在孔洞中掺入金属来获得高的太阳能吸收率, 与衬底的低红外发射特性配合可获得选择性吸收效果, 涂层与金属结合较为稳定, 吸收率在0.88-0.93之间, 发射率为0.10-0.16。黑铬涂层是由金属铬和氧化铬组成的金属陶瓷型涂层, 该涂层吸收率为0.94, 发射率约为0.10。蓝钛涂层技术采用物理气相层沉积 (PVD) 技术, 将涂层连续镀在卷状金属带上, 在真空环境中, 钛在电子射线枪的作用下被汽化, 汽化物在加入氮和氧后成为氮氧化钛并在金属带上沉积冷凝, 此外石英在被汽化后形成第二次抗反射层, 并起到保护作用。氮氧化钛蓝膜涂层不仅高吸收, 且在减少反射的同时将热能存在吸收体内部, 该涂层厚度较薄, 且涂层与金属底板的附着力不强, 涂层吸收率约为0.96, 发射率最低只有0.05, 经试验, 在多云的天气条件下, 也可以很好的提高集热器的整体效率。
2.3 平板集热器的密封性和呼吸功能
平板太阳能集热器的密封可减小热量的损失, 同时避免大气中水汽和腐蚀性气体等对集热性能的影响。平板集热器吸收太阳光后温度升高, 集热器内气体受热膨胀, 必须通过集热器边框上的呼吸口向外界排出;晚上, 平板集热器降温, 外部空气回流到集热器内部。在这个循环中, 环境空气中的腐蚀性气体会影响选择性吸收涂层的吸收率和寿命, 同时进入集热器的水汽会加大集热器板芯与玻璃盖板间的对流换热, 并且集热器玻璃纤维棉吸收水分后保温性能将大大降低。另一方面, 集热器内铜管与条带板之间的焊点或焊缝在潮湿空气中容易发生电化学腐蚀现象。因此, 集热器的设计应采用先进防水处理, 将集热器玻璃盖板与集热器边框实现无缝隙紧密结合, 有效的防止雨水的渗透对集热器的影响。呼吸口在保证内部潮气排出的同时。
2.4 平板太阳能集热器的焊接技术
除了早期很多厂家采用铜铝复合工艺外, 平板太阳能集热器目前主流是采用焊接方法。焊接主要有两种方式:1、激光焊;2、超声波焊。这两种焊接方式各有优缺点, 激光焊接是利用高能激光将所焊金属熔化而产生连接。在太阳能吸热板焊接中采用间隔3~5mm一个焊点的形式焊接。优点:在所焊工件上不需要加压, 整体变形小吸热层表面破坏小缺点:金属片和铜管之间绝对导热面积小, 影响热传导效率;对铜管平直度要求高, 不易对准焊接位;焊点强度较差, 冷热交替频繁或受外力时, 焊点易断裂。超声波焊接是利用超声波焊头所产生的往复加速度, 使所焊金属在常温下产生的物理性连接。优点:焊接牢固, 热传导效率高。缺点:在吸热层表面会留下3mm左右的焊痕。
2.5 平板太阳能与建筑一体化相结合
平板太阳能集热器与建筑一体化结合是平板太阳能热水器的发展方向。与建筑一体化相结合要求在设计安装方面, 从“建筑后安装”升级为“建筑一体化产品”, 建筑一体化, 就是同步规划、同步设计、同步施工、同步验收。在建筑设计时, 太阳能配套厂家就要做到与建筑设计单位、建筑单位充分沟通, 设计时就考虑到太阳能集热器的安装及预留位置, 另一方面要求集热器自身要满足满足建筑的保温、防水等相关要求。同时要求集热器从选材、工艺、结构形式、安装方式都必须考虑与建筑一体化的要求, 使其在使用寿命、产品安全性、保温防水和安装形式上都能与建筑要求达到完美结合。
3 结论
陶瓷太阳能集热器 篇4
随着地球人口增长、环境恶化, 开发和利用清洁能源已被广泛关注。其中太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点也给太阳热能的收集和利用提出了很高的要求。采用太阳热能进行大规模集中式发电, 不仅将对我国电力的可持续发展和改变以煤为主的发电结构发挥重大作用, 也是电力工业实现可持续发展的重要能源基础。
国外对太阳能的利用研究起步早于我国将近20 多年, 且20 世纪初时已开始应用于工业。以色列鲁兹公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范, 在1985~1991 年间, 美国在南加州先后建成9 座槽式太阳能热发电站, 总装机容量354MW, 年发电总量10.8 亿度, 发出的电力可供50 万人使用。经过一些发达国家的持续研究, 目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统, 按集热器类型的不同, 聚光式太阳能热发电系统 (STPGS, Solar Thermal Power Generation System) 可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统3 大类[1,2]。
槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统, 在太阳能热发电领域中, 涉及槽式太阳能热发电中的关键技术是聚光集热装置, 其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。为有效利用太阳能, 除了要保证聚光镜片及集热管等相关设备的性能参数外, 提高太阳能能流密度也是重要途径之一, 经研究采用聚焦、跟踪技术能有效地提高太阳能能流密度。 (能流密度是在一定空间范围内, 单位面积所能取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率, 是评价能源的主要指标之一。) 因此, 本文针对聚焦跟踪技术设计出一种利用液压系统驱动集热器跟踪太阳的装置, 以提高太阳能能流密度[3,4,5]。
1 集热器自动跟踪装置结构及工作原理
整个装置包括槽式集热器、集热管、液压驱动跟踪装置、驱动控制器四部分, 装置结构如图1 所示。
槽式聚光器将投射来的太阳光聚焦到集热管上, 集热管将此热量传递给导热介质, 装置3、4、5、6、7 用于跟踪太阳, 以保证集热器的反射光线始终聚焦于集热管上。
系统控制原理[6,7]是采用闭环反馈控制原理:首先通过天文公式计算出太阳在聚光器所处地理位置的实时高度角和方位角, 再由高度角及方位角推算出对应的集热器最佳聚焦位置对应的法线角度值 (具体定义见太阳角度推算) , 同角度传感器测量得到聚光器实际的法线角度相比较, 计算出聚光器需要转动的角度值, 最后控制液压驱动系统来实现集热器跟踪太阳。本装置采用了一个角度传感器, 角度传感器用于测量集热器的法线角度。
2 跟踪角度公式推算
太阳在空间的位置可以用两个空间角度来表示, 即太阳的高度角和方位角。太阳高度角指太阳光线与地平面之间的夹角, 太阳方位角是太阳光线在地平面的投影与当地子午线的夹角。子午线是指通过当地的经线 (即正南方与正北方的连线即Y轴方向) 。太阳能集热器跟踪角度的解算模型如图2 所示, 其中A表示太阳所在的位置, C为太阳在地平面的投影, OC为太阳光线AO在地平面的投影。太阳高度角为 β, 太阳方位角为 γ, 角度 α 即为所求法线跟踪角。
因为太阳法线跟踪角的计算方法取决于槽式集热器的布置方式, 而槽式集热器通常为南北布置, 故下面以槽式南北方向布置为例进行论述。
追踪面的法线对准太阳时与地平面的夹角定义为法线追踪角, 追踪平面是沿Y轴南北固定。如图2所示, 当法线与AB重合时即对准太阳, 从投影C点做Y轴的垂线垂足为B, 连接AB两点, 因为AC垂直水平面, 而CB又垂直Y轴, 根据三垂定理可知AB垂直Y轴, 所以法线抬起的角度就是 α ( α角为法线跟踪角) 。
首先通过直角三角形OBC计算BC边, 其次利用直角三角形OCA计算AC边, 最后通过直角三角形ACB就可以计算角度 α 的值。从图中可知:
而, 因此
此外, 从图2 中可以看出, 当太阳的投影C点在不同的象限, OC与Y轴的夹角 δ 与太阳方位角 γ的关系是不同的, 法线追踪角 α 在西南和西北象限的值为180- ∠ ABC, 因此要先确定C点所在的象限。太阳高度角在0~90 度之间是白天, 方位角0~90 度表示太阳投影在东北方向 δ =γ , 90~180 度表示太阳投影在东南方向 δ=180°-γ , 180~270 度表示太阳投影在西南方向 δ =γ -180°, 270~360 度表示太阳投影在西北方向 δ=360°-γ 。
3 跟踪方案
槽式太阳能自动跟踪方案[8,9,10], 主要有两种:角度传感器与光线传感相结合跟踪、角度传感器闭环反馈控制跟踪。
角度传感器与光线传感器相结合的跟踪方案:利用光线传感器及角度传感器相结合的方式。利用角度传感器粗略定位集热器的角度位置, 角度偏差值需要在光线传感器的测量范围内, 再由光线传感器精确定位角度值进行跟踪。此种跟踪方式对光线传感器的安装要求很高。
角度传感器闭环反馈控制跟踪:根据美国国家可再生能源实验室提出的天文公式 (美国国家可再生能源实验室 (NREL) 是美国能源部主要的可再生能源和能源效率研发国家实验室, NREL由可持续能源联盟 (The Alliance for Sustainable Energy, LLC.) 为美国能源部管理) , 推算出太阳的实时入射角度, 再控制液压驱动系统进行跟踪, 当集热器停止转动后由角度传感器测量出的实时角度值与计算值比较, 确定需要跟踪的角度, 当差值小于要求精度时, 保持不动, 当大于精度值时则做相应的调整。
4 控制系统
4.1 控制系统硬件部分
槽式集热器驱动控制系统硬件部分主要是CPU处理单元、电源转换模块、信号传输模块、通讯模块、操作按钮、断路器、接触器等组成, 控制器完成对传感器 (角度/ 光线/ 温度) 实时数据的采集及计算, 发送数字信号来控制液压驱动单元电磁阀的动作, 控制电机的启停动作, 对上位系统可实现数据的远程传输, 存储重要事件和操作状态信息, 具有手动定位及检修的操作模式。整个控制原理如图3 所示。
4.2 控制系统软件设计
系统控制流程说明如下:系统开机启动, 首先读取时钟信号得到系统日期和时间, 在CPU软件平台完成对天文公式及集热器法线跟踪角的编程, 将当地的经纬度参数、大气参数、海拔、年平均温度、气象参数、时钟信号等相关信号输入到CPU完成法线跟踪角的计算, 法线跟踪计算值与角度传感器的实时测量值进行比较, 得到集热器偏离法线跟踪位置的差值, 如果差值大于所要求的跟踪精度即进行校正, 反之则保持位置不动。在初始角度调整时使用角度粗定位, 当到达光线传感器的测量范围后再进行精确定位。其中, 大气参数、气象参数、时钟信号为非固定参数, 气象参数需由气象站给出并实时更新, 大气参数需要由待集热器初调完成后由光线传感器进行精确调整, 至此完成集热器的一次追踪过程。
通过计算得出太阳入射角度, 在气象条件允许的前提下, 当入射角度大于15°时开始跟踪, 当跟踪角度大于150°时停止跟踪, 系统回到收藏位置 (暂定法线角度-33°) 。避免能源的浪费, 可以同时参考天气状况及单位面积辐射值来判断系统是否进行逐日跟踪。
5 数据分析及结论
当所有参数设定到合适的值时, 对两种不同的追踪方案进行实验, 以横轴为时间轴, 纵轴为角度轴绘图, 如图4所示。曲线1代表倾角及光线传感器相结合装置太阳入射角理论跟踪值;曲线2表示倾角及光线传感器相结合装置集热器实时角度值;曲线3代表倾角传感器闭环控制装置太阳入射角理论跟踪值;曲线4表示倾角传感器闭环控制装置集热器实时角度值。实验数据从早晨10:23到下午14:23, 图中曲线表示不同组合的跟踪理论值及集热器实时角度值。从曲线图中可以看出, 两种方案跟踪精度存在一定的差距, 传感器与角度传感器相结合的方案中, 利用天文公式理论计算值实时曲线与实时跟踪角度值曲线基本重合, 而只用传感器作为跟踪测量的方案中, 实时计算值曲线与实时跟踪曲线始终存在一定的差值, 跟踪精度不高。
本文设计的槽式太阳能液压驱动跟踪控制系统采用粗定位倾角传感器及精确定位光线传感器相结合的方式, 不仅能实现太阳入射角度在180范围的跟踪, 也同时满足了集热器高精度定位的要求, 定位精度可达到0.1°。此种结合的定位方式避免在云遮的情况下无法跟踪的缺点, 并且运行安全可靠。整个系统结构简单、运行可靠、跟踪精度高、成本低廉。此跟踪系统的缺点是, 对于测量系统的安装精度提出了较高的要求, 倾角传感器及光线传感器的安装精度将直接影响到整个系统的跟踪精度。
参考文献
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陶瓷太阳能集热器 篇5
拉萨地区太阳能资源丰富,开发利用好该地区太阳能不但可以能源利用多样化,还可以保护环境。但在太阳能利用的实际工程中,出于简化目的,通常都是将太阳能集热器倾角按照国家太阳能热水规范的要求来进行安装,即当地纬度加减10°。但拉萨地区太阳能不仅可以用来供应当地热水又可以满足一部分采暖,而且国家并没有相应的太阳能采暖规范,所以为了能够更有效的利用太阳能,应尽量以最佳倾角安装太阳能集热器,以达到最佳效果。本文以拉萨地区太阳辐射强度和地理特征为研究条件,通过对不同安装倾角真空管太阳能集热器在整个采暖季的集热量动态计算分析,旨在探讨该地区太阳能集热器的最佳安装倾角。
1 理论分析
根据拉萨地区的气象条件,所用气象数据为水平面上太阳辐射的逐时辐射值。根据文献[1],到达倾斜平面上的平均小时日射量为
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式中 等号右边第一项为倾斜面上的直射辐射分量,第二项是倾斜面上散射辐射分量,第三项是来自地表的漫反射分量。
HT,h——倾斜面上平均小时辐射量,W/m2;
Hb,h——水平面上平均小时直接辐射量,W/m2;
Hd,h——水平面上平均小时散射量,W/m2;
Rb,h——倾斜面上与水平面上平均小时直接辐射之比,称为修正因子;
β——倾斜面与水平面的夹角,°;
ρ——地物表面的反射率,见文献[1]中表2-22,取0.2。
根据文献[3],集热器朝南放置,修正因子为
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式中 δ——太阳赤纬角,°;
φ——拉萨地理纬度,°;
β——集热器安装倾角,°;
ω——时角,°。
实际工程中,时角ω可用下式表示
ω=15×(ω′-12) (3)
式中 ω′——真太阳时,h。
根据国家标准《真空管太阳集热器》所知,真空管式太阳能集热器的平均效率为0.45,因此
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所以在某段时间(τ1<τ<τ2)内,集热器的累积集热量为
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上式中τ1、τ2可以根据拉萨地区典型年气象资料采暖季中每日出现辐射的时间段进行取值。为了求得最佳倾角,(5)式对β求导取零点获得太阳辐射量最大值,此时对应倾角即为最佳倾角。
2 计算模拟结果及分析
为了计算和分析方便,集热器朝正南放置,结合拉萨地区典型年气象资料,采取采暖季节小时平均辐射量,在利用Origin软件对其进行曲线拟合,利用理论分析中各式计算得出不同倾斜角对应的采暖季日平均太阳辐射量,从而得到月平均太阳辐射量以及整个采暖季太阳辐射量与不同倾角的关系,对计算结果进行整理分析。
图1为拉萨地区太阳能集热器朝南放置,该地区采暖季中各月的太阳得热量随不同倾角的变化曲线。由于一月份和十二月份拉萨地区的太阳辐射强度要比二月份和十一月份的要低,二月份拉萨地区的大气透明度比其他月要低,从而影响大气质量的太阳直射透射率,所以其实际太阳得热量会比图中理论分析所示要低。
图2为拉萨地区整个采暖季的太阳得热量随不同倾角的变化曲线。太阳辐射得热量都是先随着倾角的增大而增大,然后当达到某一值时又会随着倾角的增大而减小显然其对应一个最佳倾角,经分析得该值为46°。
从图1,图2中看出,不论各月还是整个采暖季的太阳辐射得热量随不同倾角的曲线变化趋势比较明显,但由于拉萨整个地区的纬度不同,采暖季中各月的气象条件不同以及一些其他相关因素的影响,因此经过分析给出一个太阳能集热器安装参考范围,该范围为40°～50°。
3 结论
由于采暖季各月的气象条件不同,导致各月的太阳得热量与倾角的变化不同,但其整个采暖季的变化趋势明显。所以在安装太阳能集热器时,也要充分考虑拉萨整个地区的纬度以及各月的气象条件等的影响因素。通过本文以上分析,得到以下结论
(1)拉萨地区当集热器朝正南放置时,在整个采暖季中,集热器的安装倾角存在一个最佳值,该值为46°。
(2)考虑到拉萨整个地区的纬度和气象条件不同,因此该地区在采暖季中应用的太阳能系统应尽量使集热器的安装倾角在(40°～50°)范围内。
参考文献
(1)方荣生,项立成,等.太阳能应用技术(M).北京:中国农业机械出版社,1985.
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(4)西藏自治区居住建筑采暖地方标准(S).J11036.中国标准出版社,2007.
陶瓷太阳能集热器 篇6
彩钢复合板广泛应用于厂房乃至民用建筑, 因为它具有应用广泛、寿命长久、防火抗风、质轻、高强度、色泽丰富、施工方便快捷、抗震、防雨、免维护、隔热保温性能好、无污染等特点。
正是由于彩钢复合板的广泛应用, 在太阳热水系统的安装施工过程不可避免地要解决集热器与彩钢板屋面的结合问题。在一般的平顶建筑屋顶, 我们可以预留水泥基础或安装钢结构来固定太阳集热器, 但是彩钢板屋面的檩条在保温层下面, 表面面层不能直接焊接会破坏其性能, 且一般彩钢板表面会有波峰, 直接操作比较困难。而彩钢复合板屋面荷载设计为0.5kN/m2。恒定荷载为0.2～0.3k N/m2, 活荷载为0.35k N/m2, 即彩钢复合板本身不承受重量。但是彩钢复合板利用钢结构来支撑, 钢结构一般为:梁以“工”字钢或者“方钢”为主, 檩结构采用“C”型钢或“Z”型钢为主。故我们可利用彩钢复合板下面的钢结构作为切入点。
我们可以采用钢板通过自攻丝与檩条结合的方式 (主要结构见图2) 。结合工程案例具体操作如下:
1. 与彩钢板屋面的结合
采用一块钢板 (大小可以根据屋面波形的情况选定) , 打孔, 自攻螺钉 (图3所示) 穿过钢板的预留孔与彩钢板下的檩条连在一起 (自攻螺钉分为自攻自钻螺钉和打孔后自攻螺钉) , 所有接缝处全部打密封胶, 自攻丝处也要打胶处理, 以防漏水。这是一种外露连接方式, 单面施工, 操作方便, 简单易行。
2. 单个组件的安装
再取一块钢板, 在两钢板之间焊接槽钢或工字钢等, 可拉线确定其高度等。建议不低于200mm, 高度一定要高于彩钢板的波峰高度。
单个组件制作如图4所示。
3. 钢结构的设计安装
根据所安装的太阳能集热器的南北尺寸确定南北方向两个单个组件的位置情况;根据所安装的太阳集热器的东西尺寸和台数确定东西方向的尺寸。
每两个单个组件通过槽钢焊接连接在一起, 东西方向可通过槽钢或其他型钢将其连接。需要注意钢结构材料的选型必须经过设计院校核其承载能力;焊接部位不能出现虚焊、漏焊现象, 且所有的型钢必须经过防腐处理, 如涂刷防锈漆和银粉漆等, 保证钢结构在室外恶劣的天气情况下不会很快腐蚀锈蚀。如图5所示。
4. 集热器的安装
布置好钢结构后, 太阳能集热器安装即可, 图6为太阳能热水系统工程安装完成后的照片。
陶瓷太阳能集热器 篇7
1 微通道集热器结构
微通道集热器的结构如图1, 其基本组成部分如下:
(1) 吸热板, 微通道集热器内吸收太阳辐射能并向工质传递热量的部件, 采用1.5 mm×12.5 mm的矩形微通道扁管 (该结构中, 流体与吸热板接触面较大, 换热均匀, 其结构如图2) 作为微通道换热器的流管, 再将所有微通道流管的两端分别与集流管相连, 形成一个紧凑的微通道板, 在其上表面电镀一层黑铬作为微通道集热器吸热板。
(2) 透明盖板:平板型集热器中覆盖吸热板、由透明 (或半透明) 材料组成的板状部件。它的功能主要是透过太阳辐射, 使其投射在吸热板上;保护吸热板, 使其不受灰尘及雨雪的侵蚀;形成温室效应, 阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。
(3) 集管:分入口管和出口管, 与吸热板各微通道流管组成流体循环系统, 将吸热板吸收的热量供给需要加热的流体。
(4) 隔热层:集热器中抑制吸热板向周围环境散热的部件。
(5) 外壳:平板型集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。
2 系统模型及条件
2.1 系统模型
(1) 热损数学模型
平板型集热器热损计算公式[6]
式中QLC———平板集热器总热损系数;
Ua、Ub、Ut———边壁和底部热损系数;
tp———吸热板温度/℃;
ta———环境温度/℃。
由于吸热板底部及四周都包有保温材料, 因此底部和边壁热损较少, 只需考虑顶部热损, 根据Klein经验公式[7], 顶部热损失系数Ut
式中n———盖板数目;
C———集热器倾角影响系数, 常数;
hw———风与盖板的对流换热系数;
εg———玻璃发射率;
εp———吸热板发射率;
f———常数, f=f (εg, hw, n)
(2) 板温计算数学模型
吸热板平均温度计算公式[8]
式中Tf, i———入口水温/℃;
Qu———集热器有效能量收益;
Ac———集热器面积/m2;
UL———热损系数/W·m-2·℃-1;
FR———热量转移因子;
F'———效率因子;
Rp-f———吸热板与流管间的换热热阻。
其中, FR、F'、Qu和Rp-f的计算公式由文献[7]给出。
(3) 水侧换热模型
式中mw———水的质量流量/kg·s-1;
Cpw———水的比热容;
to———出口水温/℃;
ti———入口水温/℃。
2.2 条件设置
本文采用循环式太阳能热水系统为研究对象, 与直流式太阳能热水系统[7,8,9,10]相比, 水与集热器之间的换热动态特性会加强, 换热效率会有所提升, 同时能有效减少水垢产生。将产水温度设定为55℃, 可用于盥洗、沐浴和洗涤用, 完全可以满足用户对水温的要求[11]。初始冷水温度为17℃, 当水箱内水温低于55℃时, 循环泵工作, 使冷水流过集热器, 与吸热板进行循环换热;当水温达到55℃时, 循环泵停机, 太阳能热水机组停止工作。设定太阳辐射强度为800 W/m2, 太阳辐射透过玻璃盖板垂直射到金属集热板上使集热板温度上升, 集热板将太阳能转化为热能, 与流管进行稳态传热, 由管道中的水将热量带走。由于水箱内储水量较大, 太阳能热水器加热水的各时间点, 可视为一个稳态换热过程。建立一水平放置的平板集热器模型, 长度为2 m, 宽度为1 m, 流管数随管间距变化。吸热板厚度1 mm, 流管和吸热板材质, 微通道集热器为铝, 传统集热器为铜。盖板到吸热板距离40 mm, 底部和边壁绝热, 环境温度为17℃。玻璃板物性参数:吸收率0.12, 透过率0.92, 发射率0.85, 密度2 220 kg/m3, 比热容830 J/ (kg·℃) 。吸热板和排管物性参数:吸收率0.96, 发射率0.17, 密度8 978 kg/m3, 比热容381 J/ (kg·℃) 。为便于对比分析, 设置了管径为15 mm, 管间距分别为50 mm、100 mm、125 mm的传统平板型集热器, 做对比仿真分析, 其中50 mm管间距为管翼式平板集热器最佳管间距[12], 100 mm、125 mm管间距为市面销售的平板热水器较常见的, 下文中分别以W50 mm、W100 mm、W125 mm对这三种热水器做区分, 各集热器结构参数如表1所示。
3 模拟结果及分析
在稳态条件下, 比较了微通道集热器和不同管间距传统集热器的平均板温、热流损失, 仿真结果如图3、图4、图6、图7。微通道、W50、W100、W125四种类型集热器分别由a、b、c、d表示。图3、图4显示了各集热器在不同入口水温条件下吸热板的平均温度和吸热板的热损系数, 用于评价工作性能。图6、图7显示了各集热器相同的环境条件下板温和瞬时集热效率随时间变化趋势。
由图3和图4可知, 平板型集热器吸热板平均温度和热损随着入口水温的升高而升高, 在相同的入口水温下, 微通道集热器的平均板温和热损系数明显低于传统平板集热器;在传统平板集热器中, 平均板温和热损系数随着管中心距增大而增大。集热器的集热板吸收太阳辐射, 通过管翼把热量传递给管中流体使其升温, 如图5所示。传统平板集热器中, 管中心距小的集热器较管中心距大的吸热板管翼吸收的太阳辐射量少, 除去向管中流体传递的热量, 管本身所剩余的热量较少, 相应吸热板温度也较管中心距大的集热器低。而微通道集热器流管管翼最大长度只有0.5 mm, 因此相对传统平板型集热器来说, 吸热板温度更低。集热板温度对平板集热器的热损有重要的影响, 集热板温度越低, 热损越小;吸热板温度越高, 集热器热损越大。
图6和图7是在相同的环境条件下将100 L水加热到55℃水温和瞬时集热效率[13]随时间变化的趋势, 由图可以看出, 传统平板型集热器中, 管中心距越小, 热损越低, 加热所用的时间越短, 瞬时集热效率越高。将水加热到设定温度微通道集热器所用的时间明显要短, 而加热过程中的瞬时集热效率明显要高;从表2的仿真结果可以看出微通道集热器在设定的环境条件下, 平均集热效率最高, 比最佳管间距的传统平板集热器要高出9.3%比市场常见的两种集热器分别高20.6%、30.6%。
4 结论
本文针对目前平板型集热器集热效率较低的现状, 设计了一款微通道集热器, 运用Matlab软件仿真计算了微通道集热器和管翼式平板集热器的平均板温、热损、瞬时效率以及水温随时间变化的过程。讨论分析了稳态条件下微通道集热器性能以及管中心距对管翼式集热器效率的影响。经过对仿真结果的分析可以得出以下结论:
(1) 传统平板型集热器在管径相同的情况下, 管中心距越小, 吸热板平均温度越低, 热损越小, 集热效率越高。
(2) 微通道集热器的吸热板的平均温度明显低于管翼式平板集热器, 热损明显小于管翼式集热器;在加热同等体积水的时候, 微通道集热器所花的时间要短, 瞬时集热效率要高, 其平均集热效率比最佳管间距的平板式集热器高9.3%, 此仿真结果证明微通道集热器的集热性能明显优于传统平板式集热器。
摘要：针对传统的平板型太阳能集热器集热效率较低的问题, 本文设计了一款微通道集热器, 采用数值模拟方法研究了微通道集热器的工作状况, 并分析了传统平板型集热器的管中心距在稳态传热条件下对集热器的效率影响。仿真结果表明:相同条件下, 平板型集热器的管间距越小, 集热效率越高;微通道集热器的平均集热效率比最佳管间距的平板型集热器高9.3%, 比常用的两种平板型集热器分别高20.6%、30.6%。该结果有利于优化平板型集热器的设计参数, 为微通道集热器的实际应用提供了依据。