1、太阳能的热利用传热学研究报告主题：太阳能集热系统分析 组员及分工：颜 俏 11223056 查阅资料及撰写论文 戴俏波 11223064 查阅资料及撰写论文 张灏峻 11223088 查阅资料及制作ppt太阳能集热系统颜俏（11223056）戴俏波（11223064）张灏峻（11223088）摘要： 人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。太阳能热利用是指将太阳辐射直接转换为热能供人类使用，它是目前在理论和实践研究中比较成熟，应用最广的一种太阳能利用模式。文章主要分为两大部分，一是对现阶段研究较成熟、应用较广的太阳能的热利用技术进行介绍，二是介绍一种高效能的太阳能集热及多级加热系统。关键
2、词： 太阳能；热利用；集热系统；多级加热0引言能源是发展科学技术、工业、农业、国防和提高人民生活水平的重要物质基础，也是发展经济的首要问题。开发和利用能源，对社会发展和国民经济有着很重要的意义。世界消耗的能量大多来自化石能源燃料，但化石能源资源非常有限，只能维持几十年。此外，燃烧石能源燃料时会产生大量的C02，引起温室效应，对生态环境造成严重的破坏。在环境保护和可持续发展的倡导下，国际社会正在积极探索新能源的开发利用。太阳能集热器吸收太阳辐射同时将产生的热量传递给传热工质。它的效率决定了太阳能热利用的效率，是组成太阳能热利用系统的主要部分，在整个太阳能热利用系统中起到关键作用。目前常用的太阳集
3、热器有平板集热器、真空管集热器、槽式集热器和碟式集热器。1 太阳能 太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。2 太阳能利用技术2.1太阳能热水器阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受
4、热面往上进入保温储水桶，桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充，如此不断循环，使保温储水桶内的水不断加热，从而达到热水的目的，如图1所示。图1 太阳能热水器2.2平板集热器2.2.1结构平板型太阳能一般由吸热板、玻璃盖板、保温层和外壳四部分组成，具体结构如图2示。图2 平板太阳能集热器的基本结构2.2.2吸热板吸热板式吸收太阳辐射能量并向集热器工作介质传递热量的重要部件。可以采用铜材、铝合金、钢材、镀锌板和不锈钢材料作为吸热板的材料。吸热板的结构主要有管板式、扁合式、翼管式。太阳能吸收涂层可分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性涂料：非选择性涂料有黑镍、黑铬和黑漆等
5、，一般多用于常年环境温度较高的华南地区。选择性涂料：选择性吸收涂层可以用多种方法来制备，如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸镀方法、磁控溅射方法等。2.2.3玻璃盖板 玻璃盖板的作用是减小热损失。用于透明盖板的材料主要有两大类，平板玻璃和玻璃钢板，目前国内外使用更广泛的还是平板玻璃。2.2.4保温层保温层的作用是减少集热器向四周散热，以提高集热器的热效率。这就要求保温层的材料保温性能好，即导热率小，不吸水。一般保温层的厚度在35cm厚，四周的厚度为保温层的一半。常用保温材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。2.2.5外壳外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。一般材料有铝合
6、金板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。为了提高外壳的密封性，有的产品已采用铝合金板一次模压成型工艺。2.2.6工作原理平板太阳能集热器的基本工作原理概括地说，阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，如图3所示。图3 太阳能平板集热器工作原理2.3真空管型集热器2.3.1全玻璃真空管的基本结构全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部分组成，其形状
7、如图4所示。图4 全玻璃真空管结构示意图2.3.2工作原理其工作原理是太阳光透过外玻璃管照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热介质，由于夹层之间被抽成真空，有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。2.3.3组成和特点全玻璃真空管型太阳能集热器的组成：真空管、联箱、尾座、支架组成。分横管和竖管两种。玻璃真空管集热器的特点：真空管内直接对水进行加热，吸热效率最高；寿命长；成本最低；适用范围广，可以在零下三十度的环境下正常运行。目前市面上的太阳能集中供水工程80%使用该系列产品。该系列产品对系统的设计、安装施工要求很高，如设计不当或安装不良会出现爆管现象。2.4槽
8、式集热器槽式聚焦太阳能集热器作为中高温集热器的一种,能够获得较高的集热温度,可用于发电、制冷空调、采暖、海水淡化等生产和生活领域。传统槽式太阳能集热装置吸收器采用真空玻璃管结构,即内管采用金属管,管内走加热介质,金属管外涂覆选择性吸收涂层,再外面为玻璃管,玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。由于玻璃和金属封接膨胀系数不同,这种结构的吸收器目前成本高,使用寿命较短,可靠性受到影响，如图5所示。图5 槽式集热器现阶段利用槽式太阳能集热装置进行发电的技术应用比较广泛。槽式太阳能发电的高温是通过聚光实现的。槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热
9、器经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上，采用菲涅尔线焦透镜系统，改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面，使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料，以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产，降低了成本，并且在运输安装费用上降低大量费用。2.5碟式集热器太阳能碟式集热器是采用盘状抛物面聚光的一种集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一
10、种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。太阳能碟式集热器主要应用于小型发电设备中。碟式系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为1025kw，聚光镜直径约1015m;也可用于较大的用电户，把数台至数十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。太阳能碟式发电尚处于中试和示范阶段，但商业化前景看好，它和塔式以及槽式系统，即可单纯应用太阳能运行，也可安装成为与常规燃料联合运行的混合发电系统。3太阳能的热利用主要技术3.1介质传热技术辐射吸收材料即选择性吸收涂层一般沉积在导热性能良好的金属材料上，比如铜、铝、不锈钢等。太阳辐射能所转换成的热能一般通过中间工质传
11、输用户端，比如太阳热发电一般采用导热油、熔盐、空气等工质吸收并传输热能给水和水蒸气，水蒸气推动汽轮机并带动发电机发电，将热能转换成电能。中间热传输工质的选择对太阳热利用效率具有重要的影响。在太阳热发电系统中，传热的循环工质水、空气、油、熔盐等由于水、油作为高温吸热载体的热机效率很低，而钠遇空气和水容易着火，空气的热容小，故目前常用的高温吸热载体主要是熔盐。但是通常熔盐的熔点较高，其工作温度范围很窄，为了防止熔盐凝固需要浪费很大的常规能源，而且熔盐的传热系数较小，热效率不理想。所以寻求性能更加优越的高温吸热、传热载体成为太阳能热发电研究的重要内容和方向。3.2 集热器跟踪聚焦技术太阳能是一种低密
12、度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出更高的要求。为了满足人们对太阳能利用更高的要求，使太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射能和获得高温热能，集热器须采用聚焦、跟踪等技术。使用太阳跟踪系统，可以使太阳光始终垂直照射在接收面，接收到的太阳辐射将大大增加。使用太阳能聚焦装置可以增加单位面积的太阳辐射强度，节省吸热材料，提高热利用效率。太阳能聚焦技术广泛应用于太阳能空凋、太阳能光伏发电、太阳能热发电、光电化学、太阳能制氢等领域，是未来中高温太阳能利用研究的重要方向。3.3 辐射吸收集热材料太阳辐射吸收材料是太阳能热利用中的关键部分，它承担着太阳辐射能的吸
13、收和热传导双重任务。随着能源短缺问题的日益突出，人类已开始把目光转向更好品位的太阳能的热利用上太阳能中高温利用，通过聚焦装置，使太阳能热利用温度达到200以上，甚至上千度。中高温吸热材料的研究是太阳能中高温热利用所要解决的关键问题。光学性能稳定、耐候性强、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温度使用的新型太阳选择性吸收涂层成为当今太阳能热利用研究的重要目标和发展方向。4 太阳能多级加热系统4.1原理和结构加热系统分为三级，如图6所示，具体结构为：1）第一级采用真空管集热器，它可将输送过来的水加热到80100，加热过的水经过第二级加热系统，这样可以有效地提高二级加热器的效率。2）第二
14、级太阳能集热器采用线聚焦型集热器，它应用的是直通式真空管。直通式真空管主要由两部分组成：吸热管和玻璃管。有高温选择 性吸收涂层覆盖在吸热管表面。传热介质由吸热管的端进入，从另一端流出，经太阳辐射加热后流体介质被加热。借助于波纹管过渡，用于解决金属吸热管和玻璃管之间的两端需要封装的问题，补偿金属管的热胀冷缩。金属吸热管可用铜作材料。3）第三级采用点聚焦型集热器，它包括旋转抛物面型太阳能聚光器与太阳能接收器，由于通过一、二级集热器的水己变成水蒸气，经加压泵加压，水蒸气再过第三级的时候，就能被加热到更高的温度，其温度范围为4002000。这一级主要结构是旋转抛物面型太阳能聚光器与太阳能接收器，通过设
15、计，太阳能聚光器可以有很大的聚光比，收集大量的太阳能。加热系统原理：水蒸气通过太阳能接收器吸收太阳能，太阳能接收器内设有足够长的弯曲的管道，水蒸气经过时就能够吸收足够多的热量，由此面临的问题是接收器内管道要有足够大的承压能力。高温高压蒸汽再经过熔融盐蓄热材料，把热量存储起来，储存的热量可用来冬季供热、供热水、烹饪等日常生活需要。高压蒸汽末端形式如上图所示，接入供暖系统，在蒸汽冷凝后进入回路。这样可以有效地提高集热器的集图6 太阳能多级加热系统热效率。系统工作流程：8124561117-148系统中设置了旁通管路，这样可以使得系统在其中某一级发生故障时仍能继续运行，使系统功能得到优化。4.2加热
16、系统的热力平衡1)加热子系统属于直接蒸汽产生系统，管路中的水直接由液态变为气态，在相变点会有剧烈的温度和压力变化，因此，要合理布置子系统的三级集热器和管路系统，使其满足这种温度、上匪力变化的要求。2)三级集热器分别为：真空管式太阳能集热器、线聚焦型太阳能集热器与点聚焦型太阳能集热器。3)三级加热系统的连接形式如图8所示，3种集热器首尾顺序连接，集热温度逐步从低温过度到高温，在进行热力计算时，外部管路水力损失不计，计算得出最后的温度和热流量，判断能否满足供暖、供热水、烹饪等日常生活需要做出分析。图7 加热系统的热力平衡4.3真空管热力计算计算采用的真空管为12根，每根长1.6m，管内径为0.06
17、m，Ic以北京地区日平均太阳辐射照度为例，来进行真空管集热器的热力计算：假设真空管集热器的集热效率：V=080；集热面积的计算公式： AV=L内n；式中：A为采光面积；L为集热器长度；内为真空管内径；下标V表示真空管集热器。得： AV = 1.6xO.06x12 = 1.152 m2由公式Qv=ICAVV 得真空管集热器收集的热量：QV = 0.583x1.152x0.8= 0.537 kJ/s由假定流速法，假设水流经真空管集热器时的流速为：VV =1.0m/s，管内径dV =32mm，由GV =(/4)Vv dV2得：GV =(/4)1.OxO.0322 =0.0008m3/s即GV=0.
18、8kgs式中：G为体积流量；GV为质量流量。已知水的定压比热Cp水=4.18kJ/(kgK)取t1=20，则0.8kg的水经过真空管后的温度为t2。由Q=Cmt得：T12=0.537/(4.18x0.8)=0.161 /sO.8kg的水经过真空管用时，T12=UV/Vv=1.4/1=1.4S式中：U为集热器宽度；t12= T12t12=1.4x0.16l=0.225即t2=20.225计算得出，真空管集热器出口处的温度为20.225，温度较小的原因是水流经真空管的路程短，只有14m。4.4 线聚焦型集热器热力计算设计采用的线聚焦型集热器长6m，在集热器的轴心上有管路通过，经过管路中的水发生相变
19、过程，同样对于一定集热面积的线聚焦型集热器，在北京地区日平均太阳辐射照度下，线聚焦型集热器的热力计算过程如下：线聚焦型集热器对光线有聚集作用，设其聚光比CR=20，线聚焦型集热器的集热效率t=0.8。式中：下标t表示线聚焦集热器；集热面积At=27Lt ； At=12 m2由公式Qt=IcAtt得：线聚焦型集热器收集的集热量：Qt=0.583x12x0.8=17.574 kJ/sQt = CR Qt =20x17.574=351.480 kJ/s水在100时汽化，取汽化点M，t2m=tm-t2=100-20.225=79.775 再由Q2m=Cp水t2m得：Q2m=4.18x0.8x79.77
20、5=266.768 kJ/sk= Q2m/Qt =266.768351.480=0.759OM=KL2=0.759x6=4.554 mMP=(1-K)L2 = 0.241x6=1.446m由连续性方程得：Vt=GT/AT=0.000 8(/4)x0.02542=1.568 m/s水经过线聚焦型集热器用时：TMP=MP/Vt=1.446/1.568=0.922sCV水蒸气=1.381 Kj/(kgK)Qm3=Cp水蒸气mtm3tm3= Qm3/Cp水蒸气m=84.712/(l.38lxO.8)=76676/stm3=tm3Tm3=092276.676=70.695t3=170.695经过二级集热
21、器的水已经变成水蒸气，即在这一级集热器中，水由液态变为气态，剧烈的温度与压力变化在此发生，因此通过线聚焦型集热器的管路要求有较高的刚度，此时的出口温度约为170.7。4.5点聚焦型集热器热力计算设计采用的点聚焦型集热器的集热面积为5m2，在集热器的轴心上有接收器，在接收器中设盘管，盘管管长由计算决定，在盘管中的水全部处于气体状态，同样对于一定集热面积的点聚焦型集热器，在北京地区日平均太阳辐射照度下，点聚焦型集热器的热力计算过程如下：点聚焦型集热器对光线的聚集作用强于线聚焦型集热器，设其聚光比CR=100，点聚焦型集热器的集热效率d=0.75(下标d表示点聚焦型集热器)。集热面积Ad=5 m2由
22、Qd=IcAdd 得:点聚焦型集热器收集的集热量：Qd=0.583x5x0.75=2.186 kJ/s；Qd=CRQd=100x2.186=218.6 kJ/s；再由Qd=Cp水蒸气mt34得：t34=Qd/Cp水蒸气m=8218.6/(1.3810.8)=197.86 /s；假设t34=t34T34=230水经过点聚焦型集热器用时为：T34=t34/t34=230/197.86=1.162 s点聚焦型集热器的接收器内采用盘管进行换热，设盘管直径d3=20mm由连续性方程得：Vd=Gv/Ad=0.0008/(/4)x0.022=2.548 ms接收器中盘管的管长：Ld=Vd T34=2.548
23、x1.162=3.000m由此可知 t4=t3+t34=170.695+230=400.695Q总=Qv+Qt+ Qd=0.537+351.480+281.6=570.617kJ/s经计算接收器中的盘管长度为3m，出口温度约为400.7，三级集热器总共收集的热量为570.6 KJ。综上可知：最后求得的温度和热流量能够满足中高温范畴。通过将真空管集热器、线聚焦型集热器和点聚焦型集热器组合起来使用，可以得到较高的温度和热流量，便于将热量储存起来，满足采暖、热水供应、烹饪等日常需要，也可以用于工业。本文设计了太阳能多级加热系统，独创性地把真空管太阳能集热器、线聚焦型太阳能集热器和点聚焦型太阳能集热器
24、组合起来，产生高温蒸汽。这是我们在太阳能中高温热利用方面的一个尝试，旨在有效解决人口非密集地区的能源供给问题。4.6多级加热系统有以下优点:1)集热效率高多级加热系统中，介质在各级加热装置内依次提高温度，各级间为一加热断点，而不是在单级系统中连续被加热。由于不同的加热装置对介质的加热效果有所不同，例如真空管式太阳能集热器，进入介质的温度为常温下的温度，出口处的最高温度不高于120，如果介质入口温度为100，真空管式集热器的集热效率就几乎为零。而线聚焦型太阳能集热器可以在300-400的高温下运行，如进入介质的温度比较低，则无法很好地发挥线聚焦型太阳能集热器的集热功率。同理，较高的入口温度也将提
25、高点聚焦型集热器的集热效率。因此，真空管太阳能集热器、线聚焦型太阳能集热器和点聚焦型太阳能集热器组合起来使用，可以更好地发挥每种集热器的性能，提高系统的集热效率。2)设备投资和占地面积少多级加热系统提高了集热效率，最大限度地减少设备投资，缩小占地面积，为推广应用铺平道路。3)保证热流量的同时，提高了集热温度目前我国太阳能热利用系统大多属于低温范畴，应用范围受到限制。而中高温热水(蒸汽)的用途非常广泛，可以用在空调制冷、采暖、发电、纺织、印染、造纸、橡胶、海水淡化等各种需要热水和蒸汽的生产和生活领域。多级加热系统在不降低热流量的前提下大大提高了集热温度，为太阳能热利用提供了极大的方便，并且可以采
26、用潜热储存，储存容量大，占地少，更利于太阳能利用。5 结语太阳能多级加热系统不仅能够满足居民日常的用能需求，而且在温度调控和占地面积等方面具有一定的优势。同其他太阳能利用技术一样，太阳能集热技术也在不断完善和发展提高，槽式抛物面线聚焦系统在推进太阳能热发电系统商业化应用已经获得突破，相信在不远的将来，槽式抛物面镜线聚焦集热器和蝶式抛物面镜点聚焦集热器的应用就会越来越普遍。随着聚焦型集热器技术不断取得突破性进展，以及选择性吸收涂层的不断创新开发等，太阳能多级加热系统的效率会不断得到提高，其应用前景将越来越广阔。参考文献：l 谢建太阳能利用技术M.北京：中国农业大学出版社，19992 罗云俊，等太阳能利用技术M北京：化学工业出版，20083 方荣生，向立成，李亭寒，等太阳能应用技术M北京：中国农业机械出版社，19854 董仁杰，彭高军太阳能热利用工程M北京：中国农业科技出版社，19965 王志峰抛物跟踪式太阳高温集热器的研究太阳能学报，2000，5(6)：69-73
