張拓
摘 要:平板太陽能的集熱器設(shè)計,與太陽能的傳熱效果存在直接的關(guān)系。平板太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計過程中,要達(dá)到耐用的標(biāo)準(zhǔn),通過設(shè)計的方式,改善平板太陽能集熱器的設(shè)計,提高傳熱的效率,保障平板太陽能具有一定的市場競爭力,體現(xiàn)出傳熱的價值。因此,該文主要從吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計、吸熱板厚度設(shè)計、吸熱板寬度設(shè)計、流量設(shè)計等方面探討了平板太陽能集熱器設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞:平板太陽能 集熱器 設(shè)計
中圖分類號:TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)08(c)-0052-02
平板太陽能集熱器是由吸熱板、透明蓋板、保溫層、外部殼體構(gòu)成的,主要利用太陽能低溫?zé)?,廣泛運(yùn)用在生活、工業(yè)等方面。近幾年,我國平板太陽能的數(shù)量越來越多,對集熱器設(shè)計的要求逐漸提高,為了保證平板太陽能集熱器的發(fā)展能力,應(yīng)該規(guī)范好集熱器的實踐設(shè)計,完善集熱器設(shè)計的同時,確保集熱器在平板太陽能中的質(zhì)量。
1 平板太陽能集熱器的傳熱設(shè)計
集熱器是平板太陽能的熱交換裝置,遵循能源平衡的關(guān)系,集熱器吸收越多的太陽能,表明熱效率越高,集熱器的傳熱設(shè)計,與太陽能集熱效率存在密切的關(guān)系,傳熱的溫度越高,集熱的性能越好。太陽能輻射到平板太陽能集熱器的透明蓋板,集熱板表面會最大程度地吸收,集熱器的系統(tǒng)性能越高,表明透明蓋板能夠吸收更多的太陽能,進(jìn)而提高平板太陽能的吸熱水平。
2 平板太陽能集熱器的設(shè)計優(yōu)化
2.1 吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計
平板太陽能集熱器的吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計,需根據(jù)試驗評估確定最終的系數(shù),直接改變吸熱板的導(dǎo)熱系數(shù),保持其他參數(shù)正常。吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計的過程中,模擬集熱器的運(yùn)行狀態(tài),掌握集熱器熱性能導(dǎo)熱系數(shù)的吸熱規(guī)律,提前設(shè)計好模擬試驗,將吸熱板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計的參數(shù)輸入到試驗系統(tǒng)內(nèi),設(shè)計好集熱器吸熱板導(dǎo)熱的系數(shù)[1]。例如:集熱器保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)=0.043 W/(m·K),吸熱板的導(dǎo)熱系數(shù)=398 W/(m·K),吸熱板的溫度與出口溫度,會根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化。集熱器吸熱板經(jīng)常采用鋼、銅、鋁等材料,不同的材料,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計數(shù)值不同,鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)是36 W/(m·K),銅材料是398 W/(m·K),鋁材料是236 W/(m·K)。
2.2 吸熱板厚度設(shè)計
平板太陽能集熱器的吸熱板厚度設(shè)計,直接改變吸熱板厚度就可以,不需要改變其他的參數(shù),就能促使平板太陽能集熱器達(dá)到優(yōu)化的狀態(tài)。吸熱板厚度設(shè)計時,模擬好運(yùn)行的狀態(tài),在整體上設(shè)計吸熱板的厚度。集熱器吸熱板厚度數(shù)值越大,集熱器的溫度就會降低,減少了熱損失,增加了吸熱板的有用能量,待熱效率增加后,選擇最佳的吸熱板厚度數(shù)值。吸熱板厚度設(shè)計方面,即使持續(xù)地增加板材厚度,也不會改變熱性能,保持在最佳的狀態(tài),設(shè)計好吸熱板厚度。
2.3 吸熱板寬度設(shè)計
吸熱板寬度很容易影響平板太陽能集熱器的性能,吸熱板的寬度增加后,熱損失隨之減少[2]。平板太陽能集熱器吸熱板的采光口總能量不變,熱效率也會降低。所以,設(shè)計吸熱板寬度試驗,當(dāng)試驗中吸熱板寬度在4 cm增加到10 cm時,集熱器的性能會明顯減少,將吸熱板的厚度保持在4 cm,采光口總能量不變,光學(xué)損失不變,有用能數(shù)值最高,達(dá)到700 W,熱損失最低。
2.4 進(jìn)口流量設(shè)計
平板太陽能集熱器進(jìn)口流量與集熱器熱性能的關(guān)系是,當(dāng)進(jìn)口流量增加時,翹片效率是保持不變的,集熱器效率因子、熱移除因子、集熱效率等,均會增加。進(jìn)口流量設(shè)計實驗中,數(shù)值在0.02調(diào)整到0.1 kg/s的過程中,集熱器效率因子與熱移除因子均增加到了0.95左右,集熱效率從0.3增加到了0.5,進(jìn)口流量在0.1 kg/s繼續(xù)增加時,集熱器的熱性能沒有太大的變化。
2.5 進(jìn)口溫度設(shè)計
集熱器設(shè)計過程中,翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子等,基本不受進(jìn)口溫度的影響,而集熱器效率受進(jìn)口溫度的影響最大,其會隨著進(jìn)口溫度的增加,表現(xiàn)出降低的變化方式。當(dāng)集熱器進(jìn)口溫度增加時,吸熱板與周圍環(huán)境的溫度差變大,導(dǎo)致熱損失增加,有用能明顯降低。進(jìn)口溫度與外界溫度的溫差,低于22 ℃時,光學(xué)損失是主要的能量損失,高于22 ℃時,熱損失是主體損失能源,將進(jìn)口溫度控制在22 ℃,能夠確保集熱器的熱效率保持在最佳的狀態(tài)。
2.6 吸熱板發(fā)熱效率設(shè)計
吸熱板發(fā)熱效率在平板太陽能集熱器設(shè)計中起到重要的作用,吸熱板溫度增加時,吸熱板發(fā)射率會隨之降低,出口溫度也會降低[3]。吸熱板發(fā)射效率設(shè)計的過程中,吸熱板發(fā)射率從0.1到0.9的變化范圍內(nèi),采光口總能量保持不變,光學(xué)損失基本不變化,有用能從700 W降低到400 W,熱損失會從300 W增加到800 W,吸熱板發(fā)射效率設(shè)計期間,吸熱板涂層改進(jìn)是一項關(guān)鍵的工作,其在集熱器熱性能中起到一定的作用。
2.7 吸熱板吸收效率設(shè)計
吸熱板吸收效率在平板太陽能集熱器設(shè)計方面,設(shè)計數(shù)值在0.45~0.95,吸熱板溫度會從56 ℃增加到62 ℃,集熱器的出口溫度會從53 ℃增加到55 ℃,有用能從500 W增加到1 100 W,光學(xué)損失從800 W降低到200 W,熱損失稍微有增加的變化趨勢。集熱器熱性能會隨著吸熱板吸收率的變化而增加,兩者表現(xiàn)出線性關(guān)系,經(jīng)過設(shè)計后,能夠增加集熱器的熱效率。
2.8 太陽輻射強(qiáng)度利用
集熱器設(shè)計方面,太陽輻射強(qiáng)度的影響范圍很小,其中集熱器效率受太陽輻射強(qiáng)度的影響最大,太陽輻射強(qiáng)度在500增加到1 000 W/m?時,集熱器的有用能增加非常快,此時吸熱板溫度、熱損失增加得會非常慢,也會增加集熱器的效率。
2.9 環(huán)境溫度設(shè)計控制
平板太陽能集熱器的環(huán)境溫度變化,對翹片效率、集熱器效率因子、熱遷移因子沒有明顯的影響,集熱器效率會增加過快。集熱器所處的環(huán)境溫度增加后,吸熱板與周圍環(huán)境的溫度差會非常小,此時熱損失減小,熱效率會增加。
3 平板太陽能集熱器的效率分析
平板太陽能集熱器的效率,是設(shè)計的關(guān)鍵點,太陽能具有能量平衡的關(guān)系,一部分被集熱器吸收利用,一部分反射到外部環(huán)境內(nèi)。集熱器的效率設(shè)計與分析中,需要考慮入口溫度、環(huán)境溫度、總熱損失系數(shù)的參數(shù)運(yùn)用,根據(jù)平板太陽能集熱器的結(jié)構(gòu),規(guī)劃好效率參數(shù),而且在集熱器效率分析方面,引入熱遷移因子,通過效率因子計算出集熱器瞬時效率數(shù)據(jù),同時為集熱器的試驗提供理論的數(shù)值條件。平板太陽能集熱器設(shè)計,要注重效率的分析運(yùn)用,改善集熱器的效率,最主要的是提高集熱器的熱效率水平,體現(xiàn)平板太陽能集熱器設(shè)計的重要性,推進(jìn)平板太陽能的發(fā)展。
4 結(jié)語
平板太陽能集熱器的設(shè)計,是一項非常重要的工作,與平板太陽能的性能存在直接的關(guān)系。集熱器的傳熱設(shè)計,屬于關(guān)鍵的部分,優(yōu)化好集熱器的設(shè)計過程,注重效率的分析,最終確保集熱器能夠符合平板太陽能的設(shè)計要求。平板太陽能集熱器設(shè)計中,積極落實優(yōu)化措施,保證太陽能集熱器設(shè)計的有效性,避免發(fā)生傳熱問題。
參考文獻(xiàn)
[1] 高騰.平板太陽能集熱器的傳熱分析及設(shè)計優(yōu)化[D].天津大學(xué),2012.
[2] 施燕華.平板太陽能集熱器的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,2015.
[3] 王勇.平板太陽能微通道集熱器流體集熱效應(yīng)研究與模擬[D].濟(jì)南大學(xué),2015.