温室平板太阳能相变蓄热系统的设计及应用研究

【摘要】：温室作为农业生产中的重要设施,为我国北方园艺作物冬季栽培提供了适宜的生长环境。但冬季温室加温存在能耗大、污染环境、费用高等问题,开发利用清洁新能源一直是设施园艺领域研究的热点。近年来,相变储能技术在能源、建筑、航空等领域的应用研究取得了较快的发展,其对解决能源危机,开发利用新能源,减少能源利用导致的环境污染等方面都有重要意义。我国超过2/3的地区都有丰富的光热资源,利用相变储能技术利用太阳能为温室加温前景广阔。本研究将相变储能技术与太阳能集热技术结合,设计制作了太阳能相变蓄热器。该相变蓄热器与辅助设备结合,组成太阳能相变蓄热系统,并将其应用于日光温室中。相变蓄热器白天利用太阳能集热板吸收太阳辐射并将其转化成热能储存到相变材料内;夜间以空气为热媒将相变材料内的热能输送到温室内,实现为温室加温的目的。本文的主要研究如下:(1)在前人基础上,对适合用于储存太阳能同时适合用于温室生产的相变材料进行筛选和测试。经对比筛选,选择Na2HPO4·12H2O作为本试验应用的相变材料。通过测试发现:Na2HPO4·12H2O、活性Al2O3、羧甲基纤维素钠(CMC)以20:1:1的质量比混合后,稳定性较好,过冷现象不明显,熔点为34.6℃,潜热值为214.5 J/g,该混合相变材料可很好地满足本研究的要求。(2)通过对相变蓄热器热平衡分析和各部件材料的筛选,设计并制作了太阳能相变蓄热器,该太阳能相变蓄热器由透明盖板、吸热板、蓄热单元、内框架和保温材料组成,蓄热器采光面积为1 200 mm×800 mm,蓄热器框架由钢板制成。蓄热器吸热板表面镀有氮氧化钛选择性吸收涂层,蓄热器内封装相变材料35 kg。太阳能相变蓄热器与通风管,风机,温控开关,阀门等组成太阳能相变蓄热系统。(3)将太阳能相变蓄热系统应用于日光温室中。通过对试验温室夜间热负荷进行计算,确定了所需相变蓄热器的面积。通过对温室内环境参数的测试和蓄热系统中相关参数的监测,得到以下结论:晴天条件下,相变蓄热器内约有70%的相变材料完全熔化;试验温室夜间平均气温提高2.1℃,最低气温提高3.0℃;白天该系统的集热效率为59.2%,夜间系统放热效率为74.0%,太阳能相变蓄热器单位面积放热量为4.05MJ/m2。在综合不同天气状况的条件下,运用了太阳能相变蓄热系统的温室夜间平均气温提高1.8℃,夜间最低气温提高2.5℃;试验温室的20 cm处最低地温提高1.4℃;试验温室内平均空气相对湿度降低4%。晴天、多云天和综合不同天气状况条件下,试验温室内前、中、后部夜间温度差异较小,温度分布较对照温室更均匀。太阳能相变蓄热系统白天蓄积清洁易得的太阳能,夜间为温室补充热量,为冬季日光温室加温提供了新方法。该系统应用时可根据温室所需的加热量选择相应面积的蓄热器,应用灵活;该系统集热/蓄热装置一体化,蓄热效率较高;本系统放热时以空气为传热工质,可直接加热温室内的空气,使用方便。 【关键词】：相变材料 蓄热系统 日光温室 太阳能
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S625.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 文献综述11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 相变材料12-14
• 1.2.1 相变材料概述12
• 1.2.2 相变材料的分类12-14
• 1.3 相变材料的封装14-16
• 1.3.1 相变材料的封装方式概述14
• 1.3.2 相变蓄热器的研究现状14-16
• 1.4 相变材料的应用16-18
• 1.4.1 相变材料在建筑节能领域的应用概况16-17
• 1.4.2 相变材料在温室中的应用研究17-18
• 1.5 本文研究目的、内容及创新点18-19
• 1.5.1 本文研究目的18
• 1.5.2 本文研究内容18
• 1.5.3 本文研究创新点18-19
• 第二章 相变材料的筛选及测试19-27
• 2.1 相变材料的筛选19-21
• 2.1.1 植物生长所需的热环境19
• 2.1.2 相变材料的选择19-20
• 2.1.3 相变材料改性剂的选择20-21
• 2.2 相变材料的测试21-26
• 2.2.1 试验材料与仪器21-22
• 2.2.2 试验方法22-23
• 2.2.3 试验结果与分析23-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 太阳能相变蓄热器的设计27-39
• 3.1 太阳能集热器的分类及空气集热器的特点27-28
• 3.1.1 太阳能集热器的分类27-28
• 3.1.2 太阳能空气集热器的结构及特点28
• 3.2 太阳能相变蓄热器的设计28-38
• 3.2.1 太阳能相变蓄热器的结构及其热平衡分析28-31
• 3.2.2 太阳能相变蓄热器设计31-35
• 3.2.3 太阳能相变蓄热器的安装方位及相变材料用量计算35-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第四章 太阳能相变蓄热系统在温室中的应用39-54
• 4.1 温室最大采暖负荷计算39-41
• 4.2 太阳能相变蓄热系统的结构及蓄放热分析41-44
• 4.2.1 太阳能相变蓄热系统41-42
• 4.2.2 太阳能相变蓄热系统蓄放热过程分析42-44
• 4.3 太阳能相变蓄热系统在温室上的应用研究44-52
• 4.3.1 供试温室及太阳能相变蓄热系统的制作安装44-45
• 4.3.2 试验方法及试验仪器45-46
• 4.3.3 试验结果与分析46-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 结论与讨论54-56
• 5.1 结论54
• 5.2 讨论54-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 作者简介61

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