平板太陽(yáng)能集熱器熱效率

1、匚 q1LU xXQ / A匕J JIW J jV%x IbT 曰與太陽(yáng)輻射進(jìn)行能量傳遞，獲得有用的本身對(duì)外界仍存在著，如下圖導(dǎo)累視作_種專o其吸熱體內(nèi)的流體o同時(shí)，集熱器其基本能量平衡方程可寫為:式中：Qw-集熱器在規(guī)定時(shí)段內(nèi)輸出地有用能 量；Qa-同一時(shí)段內(nèi)入射在集熱器上的太陽(yáng)能輻照 量；ql-同一時(shí)段內(nèi)集熱器對(duì)周圍環(huán)境散失的熱量。5. 3平板集熱器的熱性能分析單位時(shí)間集熱板吸收到的太陽(yáng)輻射能Qa = AG (sTOC )'e式中，A為集熱器面積，m2; G為太陽(yáng)輻照度，W/m2; 為透明蓋板透射比和吸熱板吸收比的有效乘積，無(wú)因次。5. 3平板集熱器的熱性能分析2、單位時(shí)間內(nèi)集熱器

2、的有用能量輸出心=宵勺(小。-)/集熱器式中：4-集熱器采光面積，m2;4。及4i-分別為集熱器出、入口處的介質(zhì)溫度，°C;G -集熱器，kg/(m2.h);Cp -流體介質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg- °C)。5. 3、平板集熱器的熱性能分析3、集熱器的熱損失只要集熱器的吸熱板的溫度高于環(huán)境溫度，則其吸收的能量必定有一部分散失到環(huán)境中去。集熱器的由 、熱損失三部分組成，即：Ql =+tp為吸熱板溫度，°c； ta為環(huán)境溫度，°C5. 3、平板集熱器的熱性能分析熱損失三部分組成，即：q = q q +2 = AU（t 一，）+ AhUh （t 一，）+ /

3、 U （，一 r ），Lf/ eb' f 、 pa，b 。、 pq ，e g 、 pq '上式中:頂部、底部及側(cè)iQt、Qb、Qe分別為集熱器頂部、底部及側(cè)面散熱損失，W;Ac必、，e 一分別為集熱器的散熱面積,m2;Up u、ue -分別為集熱器的頂部、底部及側(cè)面的熱損系數(shù), W/ (m2K) o部及邊緣的熱損失系數(shù)«器底部及邊緣熱損失是通過保溫層及外殼以的方式傳至環(huán)境空氣的，可作為處理，以底部熱損為例，即：式中：人及分別為保溫材料的及Ub傅立葉定律5.3、平板型集熱器的熱性能分析熱損，亦有:U器底部保溫材料的厚度為3 - 5cm、導(dǎo)熱系數(shù)A = 0.03 -約為:

4、0.05W/(moC)時(shí)，其U b =：_ = 1W/m -° C集熱器邊緣熱損與集熱器的有關(guān):對(duì)于2m2的集熱器，邊緣熱損約占頂部熱損和底部熱損總和的3 % ;對(duì)于30m2的集熱器，邊緣熱損約占頂部熱損和底部熱損總和的1 %。因立匕，對(duì)于,可忽略集熱器的邊緣熱損。(2)集熱器頂部熱損失系數(shù)吸熱板與玻璃蓋板之間、玻璃蓋板與外界空氣(天空)之間均存 在對(duì)流與輻射換熱，如下圖所示：頂部熱損熱的網(wǎng)絡(luò)圖集熱器5.3、平板型集熱器的熱性能分析7p、L-分別為吸熱板及玻璃的，K;£p、 -分別為吸熱板及玻璃的黑度（查物性手冊(cè)）。r _們+m5.3、平板型集熱器的熱性能分析間的對(duì)流換熱系

5、數(shù)Op.ck有限空間自然充 處理，在已知琮、7；及玻璃蓋板與吸熱板的間距Z的情況下，可利用以下計(jì)算參數(shù)，再根據(jù)以下參數(shù) 聘確定玻璃與吸熱板之間的OT1P C1428 (7甲 3 ='137% =(T + 200 m50 >2 書)、兩平行平板間空氣夾層的魚霉與5. 3、平板型集熱器的熱性能分析面時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)知* =5.7 + 3* W/m 2 -°C式中：y為室外風(fēng)速，m/So（計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)較常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式）O5.3、平板型集熱器的熱性能分析秋冬季節(jié)有時(shí)夜間環(huán)境溫度為什么也會(huì)結(jié)露?Qt - A a (/ 一 r)+.4<z (f - t )V* tc

6、w'c q /f 尸.cs、c-A a 4- a c w r.cs/'c a /5.3、平板型集熱器的熱性能分析而:+a + a awaU、=亦可根據(jù)計(jì)算:并聯(lián)熱阻串聯(lián)熱阻R (RR I + R 2R 串=R | + R11頂部熱損熱的網(wǎng)絡(luò)圖集熱器5.3、平板型集熱器的熱性能分析0的經(jīng)驗(yàn)公式，足下列條件時(shí)，頂部熱損系數(shù)可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:320 < T v 420 K1 <室外風(fēng)速 < 10 m/s1 <蓋板層數(shù) < 30° <集熱器傾角 < 90°260 < T < 310 K0.1 v £

7、; < 0.95C = 365 .9(1 - 0.00883 3 4- 0.00013。-集熱器的安裝傾斜角。研究結(jié)果表明，在滿足經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件下，計(jì)算結(jié)果較精確。經(jīng)驗(yàn)公式與理論計(jì)算公式符合程度在之內(nèi)。5- 3、平板集熱器的熱性能分析4、集熱器效率方程集熱器效率的定義：在穩(wěn)態(tài)（或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）條件下，集熱器傳熱 介質(zhì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出的能量與規(guī)定的集熱器面積和同一時(shí)段內(nèi)入 射在集熱器上的太陽(yáng)能輻照量的乘積之比，即：上式表明：集熱器效率是一個(gè)變量，它隨集熱器板溫、環(huán)境 溫度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化。4、集熱器效率方程由于吸熱板溫度不容易測(cè)定，而集熱器進(jìn)出口溫度較容易測(cè)定, 所以集熱效率方程也

8、可以用集熱器平均溫度上=色+)/2表示：上式中，F(xiàn)為集熱器效率因子，無(wú)因次；如為集熱器平均溫 度，°C;ti為集熱器進(jìn)口溫度，°C; to為集熱器出口溫度，°C。集熱器效率因子F的物理意義是：集熱器實(shí)際輸出的能量與 假定整個(gè)吸熱板處于介質(zhì)平均溫度時(shí)輸出能量之比。5.3、平板型集熱器的熱性能分析以管板式集熱器為例，吸熱板的翅片結(jié)構(gòu)如圖所示，經(jīng)推導(dǎo)可知，管板式集熱器效率因子F，的表達(dá)式為：1F，=U L0. 9+管板式集熱器的翅片結(jié)構(gòu)及翅片效率曲線1.0I1W | 1.0 L 5(W-D)/2式中：Z>i為排管的內(nèi)徑；D為排管外徑；W 為排管中心距；旗為集熱器總

9、熱損系數(shù)；如 為介質(zhì)與管壁的換熱系數(shù)；F為翅片效率， 無(wú)因次；q -為管子與吸熱板焊接處的結(jié) 合熱導(dǎo)；隨材料的導(dǎo)熱系數(shù)4及厚度3的增大而增大;隨熱損系數(shù)人的增大而減少；隨流體與管壁的換熱系數(shù)如的增大而增大。4、集熱器效率方程盡管集熱器平均溫度時(shí)可以測(cè)定的，但是由于集熱器出口溫度 隨太陽(yáng)輻照度變化而變化，在測(cè)試過程中有時(shí)不容易控制集熱器平 均溫度，故集熱效率方程也可以用集熱器進(jìn)口溫度表示：(弓 一 t ) _ FRTa)rU L G _廣(r -r )-w上式中，F(xiàn)r為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，無(wú)因次集熱器熱轉(zhuǎn)移因子Fr的物理意義是：集熱器實(shí)際輸出的能量 與假定整個(gè)吸熱板處于介質(zhì)進(jìn)口溫度時(shí)輸出能量之比。

10、、集熱器效”程為進(jìn)一步表年集熱器對(duì)集熱性能的影響，引入個(gè)新的參數(shù)：集熱器流動(dòng)因子。集熱器的流動(dòng)因子才艮據(jù)流動(dòng)因子的計(jì)算式可知:式中，G為集熱器單位面積流量, G=m/Ac, kg/sm2; Cp為集熱器傳 熱介質(zhì)定壓比熱容，J/(kg°C)5.3、平板型集熱器的熱性能分析集熱器流動(dòng)因子F隨GCp/UlF/的變化由圖可見：當(dāng)通過集熱器的時(shí)，流體經(jīng)過集熱器的溫升下降，集熱器的平均溫度也降低，熱損減少，有用能量收益增加，集熱器流動(dòng)因子 fl o當(dāng)通過集熱器的流量趨于賽褊，集熱器流動(dòng)因子趨近于1。集熱器的熱性能分析r *下面分別在器效率曲線在直角坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)y軸表示集熱器效率，橫坐標(biāo)&#

11、39;表 示集熱器工作溫度和環(huán)境溫度的差值與太陽(yáng)輻照之比，有時(shí)也稱 為歸一化溫差，用T*表示。若假定島為常數(shù)，則集熱器效率曲 線為一條直線。ra ) t - r(ra )f m a , ，n ， n UT Gur直角坐標(biāo)系下表示集熱效率方程。5.3、平板型集熱器熱性能分析平板型集熱器的瞬時(shí)效率曲線5、集熱器效率曲線由瞬時(shí)效率曲線圖可知：巳圖中三條曲線在y軸上的截距分別為、 及IwK它表示集熱器的可能達(dá)到的最高效率值。圖中三條曲線的斜率分別為、及 ，它表示集熱器的熱損失程度。斜率越大，則集熱器的熱損越大；斜率越小，則集熱器的 熱損越小。5、集熱器效率曲線幾種常見平板集熱器的瞬時(shí)效率曲線及其適用場(chǎng)

12、合，其斜率及在V軸上的截距都很日曲線1：是一種大。適用于 、尤其適合曲線2:為一層玻璃蓋板、普通黑漆涂 、材料為鐵質(zhì)、管板式結(jié)構(gòu)的集熱器。適用于生產(chǎn)，使用。幾種集熱器的瞬時(shí)效率曲線woog曲線3:為一層玻璃蓋板、普通黑漆涂層 的集熱器。范圍與曲線2r o 平原刑建執(zhí)哭執(zhí)，以么匕八曲線5:是*玻璃蓋板、 的平板集熱器。曲線6:為曲線4、5、6除了適合于曲線1、2、3的使用場(chǎng)合外，采暖、制冷等要求有的場(chǎng)合。度璃蓋板、集熱器。幾種集熱器的瞬時(shí)效率曲線、扁管或扁盒式結(jié)構(gòu)、扁管或扁盒式結(jié)構(gòu)5.4、平板型集熱器熱性能測(cè)試平板型集熱器的熱性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括：瞬時(shí)效率曲線、時(shí)間常 數(shù)、入射角修正系數(shù)、壓力降等。

13、1、試驗(yàn)臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)下圖所示分別為閉式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和開式試驗(yàn)系統(tǒng)圖。次度控B壓力作，捍(200 m)醉境溫度伶/隔(ta)1 ifl度傳惑卷風(fēng)速儀 忌射&仆氣闕-次at度wnm券流量控流量控制閥風(fēng)機(jī)。二次溢履節(jié)的旅.計(jì)-s- 過諒器 (2()0 nm)境沮度傳周JlQa)溫度傳聘器“C) 0 TG 風(fēng)域儀 總曰射表 地球編E衣度傳婚器W)閉式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖開式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖5.4、平板型集熱器熱性能測(cè)試:注意的是:介質(zhì)的工作溫度范圍內(nèi)，傳熱介質(zhì)的比熱容和%以內(nèi)；集熱器試驗(yàn)回路中使用的管道應(yīng)耐腐蝕并能在95C下工作，且從 介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)器出口到集熱器進(jìn)口之間的管道應(yīng)保持最短以減少環(huán) 境對(duì)

14、介質(zhì)進(jìn)口溫度影響；試驗(yàn)期間，循環(huán)泵及流量控制裝置應(yīng)能維持穩(wěn)定的流量，流量的 變化范圍應(yīng)穩(wěn)定在1%以內(nèi)；在集熱器工作溫度范圍內(nèi)，試驗(yàn)回路應(yīng)具有保持介質(zhì)進(jìn)口溫度恒 定的能力，同時(shí)避免介質(zhì)進(jìn)口溫度的漂移。2、瞬時(shí)效率的測(cè)定根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，瞬時(shí)效率曲線的測(cè)定應(yīng)使平板集熱器在 穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，并滿足以下條件：試驗(yàn)期間，集熱器采光面上的總太陽(yáng)輻照度不應(yīng)小于700W/m 總太陽(yáng)輻照度的變化量不應(yīng)大于50W/m2 ；應(yīng)在集熱器工作溫度范圍內(nèi)至少取四個(gè)間隔均勻的介質(zhì)進(jìn)口溫度, 且其中一個(gè)進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度之差保持在3 °C以內(nèi)；根據(jù)集熱器面積，介質(zhì)流量可設(shè)定在0. 02kg/s-m2,不同試驗(yàn)周

15、期 的流量變化應(yīng)不超過設(shè)定值的10%;試驗(yàn)期間，周圍環(huán)境空氣速度應(yīng)不高于4m/s。(1) 集熱器有功功率的測(cè)定集熱器實(shí)際獲得的有功功率由下列公式計(jì)算:式中，Q為集熱器實(shí)際獲得的有用功率，W; m為傳熱介質(zhì) 流量，kg/s;Cp為傳熱介質(zhì)比熱容，J/(kg-°C); L為集熱 器進(jìn)口溫度，°C; t°為集熱器出口溫度，°Co(2) 集熱器效率的計(jì)算集熱器效率跟選擇集熱器面積有直接的關(guān)系，所以在計(jì)算 集熱器效率前，必須先確定計(jì)算以哪一種面積為參考，即：吸熱 體面積Aa、采光面積Aa、總面積Ag中哪一個(gè)，然后計(jì)算出以相應(yīng)面 積為參考的集熱器效率：A r=AaG

16、AGo式中,囪為以吸熱體面積為參考的集熱器效率，無(wú)因次； 為以采光面積為參考的集熱器效率，無(wú)因次；為以總面 積為參考的集熱器效率，無(wú)因次；G為太陽(yáng)輻照度，W/m2o(3) 歸一化溫差的計(jì)算集熱器效率可以由歸一化溫差T*的函數(shù)關(guān)系表示，所以在 計(jì)算歸一化溫差前，必須先確定計(jì)算以哪一種溫度為參考，即： 集熱器平均溫度、集熱器進(jìn)口溫度中哪一個(gè)，然后計(jì)算出以相應(yīng) 溫度為參考的歸一化溫差：式中，g為以集熱器平均溫度為參考的歸一化溫差，(m2-K/W); 為以集熱器進(jìn)口溫度為參考的歸一化溫差,(m2-K/W) ; o曲線的測(cè)定定試驗(yàn)選擇以采光面積A,和集熱器進(jìn)口溫度tj為參考。時(shí)效率方程線形表達(dá)式，即：式

17、中，思為以采光面積為參考、Ti*=O時(shí)的集熱器效率，無(wú)因次。3、時(shí)間常數(shù)的測(cè)定時(shí)間常數(shù)用于表征太陽(yáng)能集熱器對(duì)瞬變的驅(qū)動(dòng)力反應(yīng)的迅速程 度，其定義是在太陽(yáng)輻照度從一開始有躍階式增加后，集熱器出口 溫度與進(jìn)口溫度之差逐步上升至總增量的63. 2%時(shí)所用的時(shí)間：式中，為時(shí)間常數(shù)，s;為集熱器進(jìn)口溫度，°C;為集熱器出 口溫度，°C;為試驗(yàn)開始的時(shí)間，s;為試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間，So5.4、平板于時(shí)間常數(shù)的測(cè)試步驟如下：匚試驗(yàn)期間，太陽(yáng)輻照度、介質(zhì)流量、環(huán)境空氣速度等參數(shù)要求應(yīng) 與瞬時(shí)效率曲線試驗(yàn)時(shí)相同；在太陽(yáng)能集熱器上方10cm處，用遮陽(yáng)板擋住集熱器采光面積上的太陽(yáng)輻射，并使集熱器進(jìn)口

18、溫度近似等于環(huán)境空氣溫度；當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，移去遮陽(yáng)板并繼續(xù)測(cè)量，直到出現(xiàn)第二次穩(wěn)態(tài)，當(dāng)介質(zhì)出口溫度變化小于O.rC/min時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)口會(huì)出兩次穩(wěn)態(tài)之間過渡過程中集熱器出口溫度與進(jìn)口溫度之差隨 時(shí)間的變化曲線，如圖所示；M(P) f(AS(f礦，)o時(shí)間(s) 0.632S5 -d)oj根據(jù)上述曲線，查出出口溫度與進(jìn)口溫度之差值達(dá)到兩次穩(wěn)態(tài)所 對(duì)應(yīng)出口溫度與進(jìn)口溫度之差的63.2%所用的時(shí)間，并求得時(shí)間常 數(shù)©4、入射角修正系數(shù)的測(cè)定入射角修正系數(shù)用于表征太陽(yáng)能集熱器透射比和吸收比的有效 乘積隨太陽(yáng)輻射入射角的變化關(guān)系，其定義是入射角為0時(shí)透射比 和吸收比的有效乘積，與入射角為

19、0。時(shí)透射比和吸收比的有效乘 積的比值：" h 八 a/4 a 或者 cn c ci=°lif 七:彳凌一l 11 ，I式中，和入射角修正系數(shù)，無(wú)因次；yJ為入射角為。時(shí)透射比和 吸收比的有效乘積，無(wú)因次；為入射角為o時(shí)透射比和吸收比的 有效乘積，無(wú)因次。5.4、平板型集熱器熱性能測(cè)試如果集熱器進(jìn)口溫度非常接近環(huán)境溫度，即當(dāng)t-ta«o時(shí)，有:KFr(Sw 0,"FrS )e,70,n式中，費(fèi) 為入射角為o時(shí)，trta-o時(shí)的集熱器瞬時(shí)效率，無(wú)因次; 為入知,角為0。時(shí)，弓宅二0時(shí)的集熱器瞬時(shí)效率，無(wú)因次。入射角修正系數(shù)的測(cè)試步驟如下：r試驗(yàn)期間，太陽(yáng)輻

20、照度、介質(zhì)流量、環(huán)境空氣速度等參數(shù)要求應(yīng) 與瞬時(shí)效率曲線試驗(yàn)時(shí)相同；對(duì)集熱器進(jìn)行四種試驗(yàn)條件的方位調(diào)節(jié)，這四種調(diào)節(jié)可以使太陽(yáng) 輻射入射角分別為0。、30°、45°和60。試驗(yàn)期間，應(yīng)使集熱 器方位保持在測(cè)量該入射角的±2. 5。范圍之內(nèi)；在每個(gè)入射角的試驗(yàn)周期內(nèi)，控制集熱器進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度之 差小于土 1°C,以滿足trta«0的條件；通過試驗(yàn)，取得J、te、t&、m、G等參數(shù)，并分別計(jì)算出每個(gè)入 射角"下的集熱器瞬時(shí)效率圍值。、入射角條件下的入射角修正系數(shù)值，其中,的集熱器瞬時(shí)效率；_計(jì)算結(jié)構(gòu)標(biāo)繪在關(guān)-。圖上，得到入射角修

21、正系數(shù)隨入射 角的菱化曲或，如下圖所示；5.00.90.80.70.610.5F . . . .1015304560叩根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，也可以將入射角修正系數(shù)紀(jì)整理成數(shù)學(xué) 表達(dá)式：k° = i - w!) cos 一 1式中，B為試驗(yàn)確定的常數(shù)， 無(wú)因次；。為太陽(yáng)輻射入射角壓力降用于表征太陽(yáng)能集熱器在不同工作條件下的流動(dòng)阻力特 性。流動(dòng)阻力通常用盡、出口介質(zhì)的壓力降表示。所謂流動(dòng)阻力特 性，是指介質(zhì)流動(dòng)阻力隨流量的變化關(guān)系。壓力降的測(cè)試步驟如下：在集熱器盡、出口之間選擇適當(dāng)?shù)墓茏觼?lái)裝配壓力計(jì)、測(cè)壓點(diǎn)應(yīng) 設(shè)置在靠近集熱器且不受其他配管影響的直管部分；試驗(yàn)期間，流量應(yīng)控制在標(biāo)稱值的土 1

22、%內(nèi)；進(jìn)口溫度與環(huán)境空氣 溫度之差應(yīng)控制在土 10°C以內(nèi)；進(jìn)口溫度的變化應(yīng)控制在± 5°C以 內(nèi)；根據(jù)集熱器面積，應(yīng)在0.0050.04kg/s-m2的流量范圍內(nèi)測(cè)量壓力 降A(chǔ)P,并至少在整個(gè)流量范圍內(nèi)均勻間隔的五個(gè)流量m值上進(jìn)行測(cè) 量；Pm圖上，得到集熱器壓力降隨流量in的60402000806040201 I 1 K (燈 qm)JV 沒-R田03O02O流量 m kg/(s m2)5.5、平板型集熱器的技術(shù)要求部件分類試驗(yàn)項(xiàng)1技術(shù)要求平板集執(zhí)熱件能Fr（r-a）不低于0. 68：Fr % 不高于6. OW/ in C）: 其中：三：熱轉(zhuǎn)移因子（1）:T：透明蓋板的太陽(yáng)透射比：%：總熱損系數(shù)：a：吸熱體的太陽(yáng)吸收比?？諘駪?yīng)無(wú)變聽、無(wú)開裂或其他叔壞國(guó)曬應(yīng)無(wú)泄漏及明顯變內(nèi)通水熱沖 擊應(yīng)無(wú)泄漏、無(wú)變形、無(wú)破裂或其他損壞外淋水熱沖 ih應(yīng)無(wú)明顯變形及其他損壞,婦4器進(jìn)水，,對(duì)熱11能下產(chǎn)生嚴(yán) 障礙淋雨應(yīng)