太阳能集热器热性能研究

【摘要】：太阳能集热器集热性能的影响因素是多样的,主要分为外界影响和自身运行状态的影响。其中外界条件中,积尘作为一个重要的因素,对太阳能集热器集热能力的影响是不可忽略的。系统中运行时,由于流经集热器的流量并不能保持恒定,流体流量的变化对集热器的热性能造成影响,同时现有的对集热器热性能进行测试的稳态测试模型和动态测试模型都是在集热器流量变化不大的情况下对集热器热性能进行的检测,所以分析稳态测试模型与流量的关系式以及动态测试模型中加入流量变化引起的热量损失这一修正项可以更好的预测集热器的热性能。 本文研究了热管真空管集热器、平板集热器、CPC反光板集热器以及全玻璃管集热器四类集热器表面积尘形态的不同以及积尘量的差异,分析了积尘对这四种集热性能影响的不同。着重研究了积尘对平板太阳能集热器集热性能的影响,从积尘对平板太阳能集热器瞬时效率的影响、积尘对平板太阳能集热器临界温度的影响以及积尘对平板太阳能集热器每日温升的影响三个方面考虑,对平板太阳能集热器在稳态工况下有尘和无尘条件下的集热器的热性能进行测试,并对集热器进行了闷晒实验,测试集热器闷晒时达到的临界温度,通过每日集热器实验测量值,对灰尘的遮阳系数以及太阳能集热器的温升做了计算。试验结果表明,受积尘因素的影响,平板太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器以及CPC反光板集热器的集热效率分别下降了9.69%、15.45%、20.95%、35.21%。积尘对平板太阳能集热器的影响主要表现在对其表面玻璃透光率的影响,积尘对其透光率影响可达13.3%,积尘对换热系数的影响较小,只有0.2%,可以忽略。受积尘的影响,平板集热器在某一时刻可达到的临界温度也有所降低,最高可降低7.2℃,严重降低了集热器在某一时间段内的集热效率,有尘和无尘集热器在一天内的温升值也是不一样的,受积尘的影响,集热器的温升值下降了0-1℃,在一天的正午时间,温升最大。 以平板太阳能集热器为研究对象,对流体流量对平板型集热器集热效率的影响进行了实验研究,通过测量集热器在不同流体流量的工况下集热器进口温度和出口温度,计算太阳能集热器效率,同时根据实验值推导集热器热转移因子以及集热器热损系数在不同流量下的数值,观察集热器效率、热转移因子及热损系数随流量的变化趋势,通过热转移因子、热损系数分别对流量进行拟合回归,建立关于流量的集热器效率方程式,针对平板太阳能集热器稳态测试模型提出修正，建立的集热器效率方程可以很好的反映出不同流量工况下集热器效率的变化趋势且能清楚的得到集热器最佳性能下的流体流量。 从平板太阳能集热器本身结构特点分析了其传热机理,将由运行过程中由流量变化引起的集热器的热量损失考虑在内,在现有的动态测试模型基础上引入了一个关于流量变化引起的热损的修正项,建立新的动态测试模型,并根据实验值对其系数进行确定。并用该测试模型对平板太阳能集热器在稳态测试工况、恒流量动态测试工况、集热器进出口温差恒定的动态测试工况、集热器出口温度恒定的动态测试工况以及集热器表面积尘情况下的动态测试工况的得热量分别进行了预测,并将其与实际得热量进行了对比分析,比较其最高误差和平均误差。结果表明,采用本文的方法对平板型集热器热性能进行测量时,其测试过程中对输入变量(集热器进口温度、周围环境温度、太阳辐照度)的值及其范围不做限制外,其测试时集热器热性能随流量的变化也能很好的表现出来。该测试模型经数学推导、实验验证,与被广泛认可的稳态测试模型具有一致性。在集热器系统工作时,当输入变量不稳定的情况下,模型预测结果可与实际输出情况接近,具有很好的有效性和可靠性。 【关键词】：太阳能集热器 动态测试方法 稳态测试方法 热性能 流体流量 积尘
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 目录5-8
• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能集热器13-15
• 1.2.1 管状集热器13-14
• 1.2.2 平板型集热器14-15
• 1.3 集热器热性能研究方法及现状15-19
• 1.3.1 稳态测试模型15-16
• 1.3.2 动态测试模型16-19
• 1.4 本文主要研究内容及方法19-21
• 第2章 平板型集热器热性能研究的理论基础21-32
• 2.1 平板型集热器工作原理21-23
• 2.1.1 平板型集热器结构21-22
• 2.1.2 平板型集热器的能量方程22
• 2.1.3 平板型集热器的效率方程22-23
• 2.1.4 影响平板集热器的效率因素23
• 2.2 平板型集热器的热损失23-25
• 2.2.1 平板型集热器吸收的太阳辐射能24
• 2.2.2 平板型集热器散失的太阳辐射能24-25
• 2.3 平板型集热器总传热系数25-26
• 2.4 平板型集热器热转移因子和效率因子26-27
• 2.5 有效的透过率和吸收率的乘积27-28
• 2.6 平板型集热器的有效热容和时间常数28-29
• 2.7 太阳直射辐射入射角修正因子29-30
• 2.8 积尘及遮影对集热器热性能的影响30
• 2.9 平板集热器的热性能指标30-32
• 第3章 集热器热性能测试实验研究32-43
• 3.1 集热器热性能测试平台32-35
• 3.1.1 恒温水箱的设计33
• 3.1.2 跟踪台架的设计33-34
• 3.1.3 辐射表34
• 3.1.4 循环系统及流量的控制34
• 3.1.5 集热器进出口温度的测量34
• 3.1.6 周围环境温度的测量34-35
• 3.1.7 风速风向的测量35
• 3.1.8 数据采集系统35
• 3.2 太阳能集热器参数35-37
• 3.2.1 平板集热器基本数据36-37
• 3.2.2 吸热体37
• 3.2.3 绝热和外壳37
• 3.3 实验工况的确定及数据分析37-43
• 3.3.1 平板型集热器稳态实验37-38
• 3.3.2 平板型集热器测试结果与数据处理38-39
• 3.3.3 平板型集热器动态测试实验39-43
• 第4章 表面积尘对集热器热性能的影响43-52
• 4.1 表面积尘对不同种类集热器热性能的影响43-46
• 4.1.1 集热器表面积尘形态43-44
• 4.1.2 积尘对不同种类集热器效率的影响44-46
• 4.2 表面积尘对平板太阳能集热器热性能的影响46-50
• 4.2.1 积尘对平板太阳能集热器瞬时效率的影响46-47
• 4.2.2 积尘对平板太阳能集热器临界温度的影响47-49
• 4.2.3 积尘对平板太阳能集热器温升的影响49-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第5章 流量对集热器测试方法的修正与实验验证52-67
• 5.1 流体流量对集热器稳态测试模型的修正52-56
• 5.1.1 稳态测试模型的推导及系数确定52-54
• 5.1.2 流量对集热器效率影响实验54-56
• 5.2 流量对集热器热性能动态测试方程的修正56-61
• 5.2.1 平板型集热器动态测试方程的推导56-59
• 5.2.2 动态测试模型的理论推导59-60
• 5.2.3 测试模型的系数确定60-61
• 5.3 动态测试模型对稳态实验的集热器得热量预测61-62
• 5.4 动态测试模型对动态实验的集热器得热量预测62-65
• 5.4.1 恒流量工况下动态测试模型得热量预测62-63
• 5.4.2 进出口温差恒定工况下动态测试模型得热量预测63-64
• 5.4.3 出口温度恒定工况下动态测试模型得热量预测64-65
• 5.4.4 积尘情况下动态测试模型得热量预测65
• 5.5 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-72
• 致谢72-73
• 附录 攻读硕士期间所发表的论文73

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