太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第五章太陽(yáng)能集熱器

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.1平板型太陽(yáng)能集熱器

5.1.1平板型集熱器的基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求1.平板集熱器的基本結(jié)構(gòu)組成部分：透明蓋板、吸熱板、流體管道、隔熱材料和外殼等。下面這種結(jié)構(gòu)形式的集熱器稱(chēng)為管板式。圖5-1典型平板集熱器橫斷面圖平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)總圖1—出水集管2—流體出口3—?dú)んw4—隔熱體5—流體入口6—進(jìn)水集管7—排管8—吸熱板9—透明蓋板平板集熱器工作過(guò)程:太陽(yáng)輻射透過(guò)透明蓋板投射在吸熱板上，被吸熱板吸收轉(zhuǎn)換成熱能，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，將集熱器收集的熱量輸出；溫度升高后的吸熱板通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式向周?chē)?，成為集熱器的熱量損失。2.平板型集熱器的技術(shù)要求

5.1.2平板集熱器的能量平衡與分析模型簡(jiǎn)化

1.平板集熱器的能量平衡

1.平板集熱器的能量平衡

1.平板集熱器的能量平衡

2.平板集熱器分析模型的簡(jiǎn)化(1)集熱器處于穩(wěn)態(tài)。(2)集熱器結(jié)構(gòu)為管板式。(3)集管只占集熱器的一小部分，可以忽略不計(jì)。(4)集管為各排管提供均勻的流量。(5)不考慮透明蓋板吸收的太陽(yáng)能。(6)通過(guò)頂部蓋層的熱流是一維的。(7)通過(guò)蓋板的溫度下降可以忽略不計(jì)，也就是忽略蓋板上表面和下表面的溫度差。2.平板集熱器分析模型的簡(jiǎn)化(8)透明蓋板對(duì)長(zhǎng)波輻射是不透明的。(9)通過(guò)背部的熱流也是一維的。(10)在相當(dāng)?shù)奶炜諟囟认绿炜湛梢员徽J(rèn)為是長(zhǎng)波輻射的黑體。(11)排管周?chē)臏囟忍荻瓤梢院雎圆挥?jì)。(12)流動(dòng)方向和管間的溫度梯度可以單獨(dú)處理。(13)材料的熱物性參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。(14)上部和背部的損耗是相同的環(huán)境溫度。(15)不考慮集熱器上的灰塵和污垢的影響。5.1.3集熱器總熱損失系數(shù)

1.集熱器熱損失分析的熱網(wǎng)絡(luò)圖圖5-3兩層蓋板集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)圖圖5-4平板集熱器的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)圖2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算

2.頂部熱損失的計(jì)算從圖中可以看出：板間距離小于10cm時(shí)Ut隨間距減小快速增加。吸熱板發(fā)射率、玻璃層數(shù)對(duì)Ut的影響。圖5-5Ut與板間距離的關(guān)系3.集熱器的背部熱損失

4.集熱器的側(cè)面熱損失

5.集熱器的總熱損失

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-6管板結(jié)構(gòu)及其尺寸

假設(shè)流體為一元流動(dòng)，且流動(dòng)方向的溫度梯度可忽略，吸熱板通常采用薄金屬板，吸熱板厚度方向的溫度梯度也可忽略。5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-7肋片上的微元分析

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子圖5-8管板集熱器的肋片效率5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.4橫向

(管間)溫度分布和集熱器效率因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子圖5-10流體流動(dòng)方向上的能量分布

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.5縱向(流體流動(dòng)方向)溫度分布與集熱器熱轉(zhuǎn)移因子

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.6吸熱板和流體的平均溫度

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響1）集熱器在清晨的加熱，太陽(yáng)能除了加熱管內(nèi)的流體，還要加熱集熱器本體(包括吸熱板、排管、集管、蓋板和保溫等)；2）太陽(yáng)輻射和風(fēng)等環(huán)境條件在白天迅速變化時(shí)的情況。

為了說(shuō)明熱容的影響以及集熱器的動(dòng)態(tài)分析方法，考慮一個(gè)單層蓋板集熱器。簡(jiǎn)化分析：1）假設(shè)吸熱板、管道中的水和一半的背部保溫層都處于相同的溫度；2）假定透明蓋板處于與平板不同的均勻溫度；同時(shí)也忽略背部的熱損失。5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

5.1.7熱容量對(duì)集熱器性能的影響

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.2真空管型太陽(yáng)能集熱器

5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求1.真空管集熱器的總體結(jié)構(gòu)圖5-12真空管型太陽(yáng)能集熱器總體結(jié)構(gòu)與排布方式1—真空太陽(yáng)集熱管，2—聯(lián)集管，3-尾架真空集熱管的排列方式：1）豎單排

2）橫單排3）橫雙排真空太陽(yáng)集熱管：簡(jiǎn)稱(chēng)真空管或者集熱管，是集熱器的核心部件分類(lèi)：全玻璃真空管(吸熱體為玻璃)、玻璃-金屬真空管(吸熱體為金屬)和熱管式真空管。5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求2.全玻璃真空集熱管組成部件：內(nèi)玻璃管、外玻璃管、選擇性吸收涂層、彈簧支架、消氣劑等。特點(diǎn)：其形狀猶如一只拉長(zhǎng)的暖水瓶膽。

圖5-13全玻璃真空管集熱管結(jié)構(gòu)示意圖1—內(nèi)玻璃管，2—外玻璃管，3—選擇性吸收涂層4—真空，5-彈簧支架，6-消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求全玻璃真空集熱管中的工質(zhì)與吸熱體的換熱形式：1）傳熱工質(zhì)與吸熱體直接換熱式(不承壓式)①全水自然循環(huán)取熱：集熱管內(nèi)充滿(mǎn)水，無(wú)需外部動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了熱量的自動(dòng)傳輸。優(yōu)點(diǎn)：方式簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛。

圖5-14全玻璃真空管集熱管自然循環(huán)示意圖5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求②

插管式：在集熱管中間插入一根水管，將冷水直接的水輸送到集熱管的底部，水從茶館中流出后，在壓力的作用下，沿著集熱管的內(nèi)壁流動(dòng)，不斷吸收管壁的熱量，溫度上升，流出集熱管。

不同點(diǎn)：使用插管這種強(qiáng)制對(duì)流的方式提高了換熱系數(shù)。直接換熱式缺點(diǎn)：1）只可設(shè)計(jì)成非承壓的模式2）系統(tǒng)的熱水利用率降低3）管內(nèi)的水容易泄露，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求2）間接換熱式(承壓式)優(yōu)點(diǎn)：由于管內(nèi)沒(méi)有水，不會(huì)發(fā)生因一支破損而影響系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性，尤其是可用于承壓的封閉系統(tǒng)，因而得到廣泛應(yīng)用。圖5-15內(nèi)插U形管的真空管集熱管圖5-16內(nèi)插熱管的真空管集熱管5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求3.金屬-玻璃結(jié)構(gòu)真空集熱管組成部分：真空玻璃管、金屬吸熱板、吸氣劑、流體管道、不銹鋼彈簧支架等。優(yōu)點(diǎn)：工作溫度高、承壓能力大和耐熱沖擊性能好等。

圖5-17玻璃-金屬真空集熱管示意圖1—金屬密封，2—外玻璃管，3—導(dǎo)熱管，4—吸熱板，5-消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求4.熱管型真空集熱管組成部分：熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、消氣劑等。熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段兩部分，在熱管式真空集熱管工作時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃管3后投射在金屬吸熱板4上。

圖5-18熱管式真空集熱管結(jié)構(gòu)示意圖1—熱管冷凝段，2—金屬封蓋，3—玻璃管，4—金屬吸熱板5—熱管蒸發(fā)段，6—彈支架，7—蒸散型消氣劑，8—非蒸散型消氣劑5.2.1真空管集熱器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析圖5-19全玻璃真空管集熱器示意圖

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析管間距B是管徑D2倍數(shù)10.31820.41930.44640.46050.468

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

管間距B是管徑D2的倍數(shù)101.250.080±0.0131.50.140±0.0201.750.200±0.01420.343±0.01330.799±0.01441.280±0.014

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

5.2.2真空管集熱器熱性能分析

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.3空氣集熱器

5.3.1平板型空氣集熱器1.空氣流道在吸熱板之上的平板空氣集熱器組成部分：?jiǎn)螌油该魃w板、吸熱板、保溫層等特點(diǎn)：空氣直接從蓋板與吸熱板之間流過(guò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖5-20平板型空氣集熱器

5.3.1平板型空氣集熱器

5.3.1平板型空氣集熱器

5.3.1平板型空氣集熱器圖5-21空氣集熱器示意圖

5.3.1平板型空氣集熱器3.帶肋的空氣集熱器特點(diǎn)：吸熱面上帶有肋片結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：肋片結(jié)構(gòu)增加了吸熱面的表面積，提高熱效率，還能增加吸熱面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其更加穩(wěn)固和耐用。圖5-22帶肋的空氣集熱器示意圖5.3.1平板型空氣集熱器

5.3.2真空管空氣集熱器特點(diǎn)：其內(nèi)層玻璃管做了特殊處理，可滿(mǎn)足內(nèi)外層玻璃管熱脹冷縮不同的要求。優(yōu)點(diǎn)：方便讓空氣從一端進(jìn)入，另外一端出來(lái)，接管方便，而且可以利用空氣的熱浮升力，減少管路系統(tǒng)阻力。圖5-23直通式真空管結(jié)構(gòu)圖5.3.2真空管空氣集熱器圖5-24單根直通式真空集熱管的熱網(wǎng)絡(luò)圖5.3.2真空管空氣集熱器

5.3.2真空管空氣集熱器

5.3.2真空管空氣集熱器

5.3.2真空管空氣集熱器

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.4光伏集熱器

5.4.1平板光伏集熱器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理有蓋層型結(jié)構(gòu)：玻璃蓋板、空氣層、光伏電池板、吸熱板、排管與保溫材料；無(wú)蓋層型則沒(méi)有玻璃蓋板和空氣層。不同點(diǎn)：有蓋層的集熱器熱損失較小，熱效率較高，但電效率稍有降低；無(wú)蓋層的熱損失較大，熱效率低，但成本低一些。圖5-25光伏集熱器結(jié)構(gòu)示意圖5.4.2平板型光伏集熱器的熱性能分析1.平板型光伏集熱器的熱分析方法與平板集熱器的分析類(lèi)似，可以采用熱網(wǎng)絡(luò)圖的方法。不同點(diǎn)：1）集熱器吸收的太陽(yáng)能有一部分轉(zhuǎn)化為電能，其余部分才轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽粓D5-26管板式光伏集熱器熱網(wǎng)絡(luò)圖5.4.2平板型光伏集熱器的熱性能分析

5.4.2平板型光伏集熱器的熱性能分析

5.4.2平板型光伏集熱器的熱性能分析（2）發(fā)電效率

理論上，在相同的條件下，平板型管板式光伏熱水器的光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該高于普通太陽(yáng)能光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)樵谄桨逍凸馨迨焦夥鼰崴髦?，排管中的水流?huì)把光伏組件的熱量帶走，光伏組件的溫度會(huì)下降從而其效率會(huì)增加。但是，現(xiàn)實(shí)的結(jié)果和預(yù)想的恰恰相反，平板型管板式光伏熱水器的光電轉(zhuǎn)換效率略低于普通太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。

平板型管板式光伏熱水器中的光伏模塊的溫度有可能高于常規(guī)光伏組件的溫度，那么平板型管板式光伏熱水系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率就會(huì)較低。上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院5.5集熱器的熱性能特征參數(shù)及其測(cè)試

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率集熱器面積的計(jì)算舉例：1)平板集熱器總面積和采光面積(a)平板集熱器的總面積和采光面積（b）平板集熱器的總面積、采光面積和吸熱體面積圖5-27平板集熱器總面積、采光面積和吸熱體面積示意圖5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率2)沒(méi)有反射器的真空集熱器的總面積和采光面積圖5-28無(wú)反射器的真空管型太陽(yáng)能集熱器5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

圖5-29集熱器效率曲線5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率3.集熱器效率的測(cè)試（1）檢測(cè)裝置與主要儀表采用液體為傳熱工質(zhì)的太陽(yáng)能集熱器試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖5-30。測(cè)試裝置包含的測(cè)試儀表有：圖5-30閉式試驗(yàn)系統(tǒng)5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率圖5-31傳熱工質(zhì)進(jìn)口和出口溫度傳感器推薦安裝位置示意圖

為了避免工質(zhì)中的氣體在傳感器周?chē)奂?，傳感器所處管道中的工質(zhì)最佳流向?yàn)樯仙较颍瑐鞲衅鳒y(cè)頭對(duì)著液體的流向。5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率

5.5.1集熱器效率圖5-32集熱器瞬時(shí)效率曲線5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定

5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定圖5-33不同玻璃蓋板的集熱器入射角修正系數(shù)隨入射角的變化圖5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定在每個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，應(yīng)使集熱器方位保持在該入射角的±2.5°范圍之內(nèi)。對(duì)平板型集熱器進(jìn)行四種試驗(yàn)條件的方位調(diào)節(jié)，角度分別約為0°、30°、45°和60°。數(shù)據(jù)應(yīng)在一天內(nèi)采集完畢。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，傳熱工質(zhì)的進(jìn)口溫度應(yīng)接近環(huán)境空氣溫度(兩者差值應(yīng)在±1℃以?xún)?nèi))。分別測(cè)定集熱器每個(gè)入射角的效率值。5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定

5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定(a)(b)(c)圖5-34真空管入射角修正器的平面5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定圖5-35金屬-玻璃管角度修正5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定圖5-36全玻璃管（帶CPC反射板）角度修正5.5.2入射角修正系數(shù)的測(cè)定

5.5.3時(shí)間常數(shù)的測(cè)定

5.5.3時(shí)間常數(shù)的測(cè)定

5.5.3時(shí)間常數(shù)的測(cè)定

圖5-37集熱器時(shí)間常數(shù)5.5.4壓力降的測(cè)定壓力降：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)阻力特性：指介質(zhì)流動(dòng)阻力隨流量的變化關(guān)系。流動(dòng)阻力通常用進(jìn)、出口介質(zhì)的壓力降表示。壓力降的測(cè)試步驟：(1)在集熱器進(jìn)、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。5.5.4壓力降的測(cè)定

5.5.5典型集熱器的特征參數(shù)表5-3一些平板型太陽(yáng)能集熱器主要特征參數(shù)平板型太陽(yáng)能集熱器主要技術(shù)參數(shù)序號(hào)規(guī)格型號(hào)瞬時(shí)效率方程（基于采光面積）1PCT-2.00.60.332.237.539.72CP-P-G/0.6-TL/YJ-2.00.60.015∽0.0202.13537.13CP-P-G/1.6-T/NGT-2.01.60.015∽0.0202.13739.14PJ-2.0A0.50.01∽0.022.23537.25XYYG-PB/2.00.60.002336395.5.5典型集熱器的特征參數(shù)全玻璃真空管型（豎排）太陽(yáng)能集熱器主要技術(shù)參數(shù)序號(hào)規(guī)格型號(hào)瞬時(shí)效率方程（基于采光面積）1Φ58-1800X20>0.050.0570801502PGTJG-2.00.050.006~0.0123