U形管式真空管太阳能集热器及系统设计研究 太阳能集热器论文.docx

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U形管式真空管太阳能集热器及系统设计研究太阳能集热器论文

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1选题的意义1

1.2太阳能集热器的现状1

第二章常见的太阳能集热器及性能3

2.1平板型太阳能集热器3

2.2真空管型太阳能集热器3

2.2.1全玻璃真空管集热器4

2.2.2热管式真空管集热器4

2.2.3CPC热管式真空管集热器4

2.3太阳能集热器的性能4

2.3.1集热器的性能方程式4

2.3.2性能系数的确定5

第三章太阳能热水系统概述7

3.1U型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能7

3.1.1全玻璃真空管太阳集热器热性能分析7

3.2总热损系数的确定8

第四章系统设计10

4.1太阳能热水系统设计10

4.1.1系统选型10

4.1.2双水箱联集管集热器太阳能热水系统10

4.1.3集热系统选择12

4.1.4集热器选择设计12

4.1.5室外保温层设计16

4.2室内管网设计17

4.3管材与泵18

4.4控制系统19

第五章系统计算20

5.1.工程概况20

5.2.设计规范及标准20

5.3.设计参数20

5.4.计算校核22

5.4.1热水需求量计算22

5.4.2倾斜面上的太阳总辐照度22

5.4.3计算产生用户需要热水所需的能量24

5.4.4计算太阳能集热器的面积24

5.4.5联集器循环泵25

5.4.6集热水箱和恒温水箱25

5.4.7辅助电加热器耗电功率25

5.4.8供水管网计算26

5.4.9回水管网计算30

总结33

参考文献34

摘要

南京工业大学南苑2栋宿舍楼位于南京工业大学新校区内，坐北朝南，共有5层，40间宿舍。

本设计以此宿舍楼为依据，选择合适的方案，进行太阳能能源供热水。

本设计先对全楼热水用水量进行分析计算，进而得出所需太阳能集热器面积，再根据场地限制，使集热器合理布置联接，产生符合要求的热水，最后把符合要求的热水供给整个宿舍楼。

集热器的布置、联接，是整个设计的重要部分，只有集热器布置合理，才能最大限度的吸收太阳辐射，产生热水。

辅助能源的应用避免了在阴雨雪等无太阳能天气情况下集热器不产生热水的缺点。

控制系统的应用增加了太阳能热水系统的人性化，整个系统的运行不需要人工长期坚守，完全由电脑系统接收信号和发出指令，简化了操作流程。

如要改变某些系统参数，只需在控制器上设定就能达到。

智能化系统也是太阳能热水系统的一个发展趋势。

关键词：

太阳能U形管辐射热水系统集热器

U-shapedpipevacuumtubesolarcollectorsandsystemdesign

Abstract

NanjingUniversityofTechnologySongyuanNo2.Dormitory,ttingtowardsnorthandfacingtosouth,iesanewcampusofNanjingUniversityofTechnology,thatotaloffive-storey,roms.Thedesignbasedonthisbuilding,selectstheappropriateoptionsforsolarwaterheating.

Thedesigncarriesoutanalysisofwaterconsumptionforthewholebuildingandthencometotherequiredareaofsolarcollectors.Andthenaccordingtospacerestrictions,thecollectorwillbeconnectedwithareasonablearrangementtoproducehotwatertomeettherequirements.Finallytheheatwaterwhichreachestothestandardwillbesuppliedtothewholedormitory.TheimportantpartsofthewholedesignarethearrangementandtheconnectivityoftheCollector.Onlywiththereasonablearrangement,thecollectorcanmaximizetheabsorptionofsolarradiationinordertoheatthewater.Applicationofauxiliaryenergyavoidstheshortagethatthesolarcollectcan’tworkwiththesnow,therainandotherweatherconditionswithoutthesunshine.WiththeapplicationoftheControlsystem,thesolarwaterheatingsystemswillbeoperatedmoreconvenient.Theentiresystemdoesnotrequiremanualoperationwithlong-termtime.Thecomputersystemwillreceivesignalsandgivedirectionstosimplifytheoperationprocess.Inordertochangecertainsystemparameters,itwillbeachievedjustbysettingthecontroller.Thesolarwaterheatingsystemswilltrendtobeanintelligentone.

Keywords:

Solarenergy;hapedtube;iation;terheatingsystems;

Heatcollector

第一章绪论

1.1选题的意义

能源是人类社会发展的重要基础资源。

人类目前正在大规模使用的石油、天然气、煤炭等化石资源是非再生能源，它们在地球地质年代形成，在人类可预期的时间内不能再生。

就目前已探明的储量而言，势必有枯竭之日。

据资料介绍，以目前储量计算，全世界石油还可以开采40.6年，天然气还可以开采65.1年，煤炭还可以开采155年。

因此，节约能源，善用能源，提高能源利用率及单位能源产生的综合经济效益，是目前在能源消耗过程中必须解决的现实问题。

我国是一个能源总量比较丰富的国家，能源生产总量居世界第二位，但人均能源储量远远低于世界平均水平，整体的能源使用效率相对于发达国家严重偏低，只相当于节能水平最高国家的50%左右。

面对这个现实，节约能源不仅是一件十分迫切的任务，而且是一项大有作为的事业。

据有关资料介绍，如果采取有效的节能措施，提高能源的有效利用率20%，节能的能源数量将达到目前已知的天然气储量[1]。

鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限,以及正处于工业化进程中等情况,应特别注意依靠科技进步和政策引导,提高能源效率,寻求能源的清洁化利用,积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。

现在，我们正面临能源枯竭的危机，不得不重审自己的所作所为。

节能和开发新能源这种措施的提出说明人们的意识已经觉醒。

为了发展需要，我们必须开发新能源，又为了争得时间，就必须采取节能措施。

新能源是一个很笼统的说法，新能源的种类包括核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，还会有陆续的新能源被发现，不同专业对应不同的种类，像太阳能的一种，太阳能集热器就是我所研究的方向。

1.2太阳能集热器的现状

太阳能热利用具有广阔的应用领域,但最终可归纳为太阳能热发电（能源产出）和建筑用能（终端直接用能）,包括采暖、空调和热水。

当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。

此外,在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。

目前太阳能低温热利用所使用的集热器主要有平板集热器、真空管集热器和无盖板塑料集热器。

平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。

平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。

根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。

表1-1截止到2004年底液体工质太阳能热水器保有量

如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87%，平板型集热器只占12%。

国内太阳能市场与世界太阳能市场主流出现如此反差有很多原因。

随着太阳能在住宅建筑中的扩大应用，和适应太阳能与建筑结合要求，业界近年来对平板型集热器给予高度关注，充分认识到其固有的优势。

很多企业和研究结构积极开展高效平板集热器的研究和产业化，促进平板型集热器从受冷遇迈向新的发展。

太阳能热利用是太阳能利用的主要方式,在包括太阳能热水供应、太阳能供热、太阳能空调等系统在内的所有太阳能利用系统中,太阳能集热器是必不可少的组成部件,其性能和成本对整个系统运行的成败起着至关重要的作用,太阳能集热器的合理选择对太阳能热利用系统高效、经济的运行具有重要的意义。

第二章常见的太阳能集热器及性能

太阳能集热器是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。

太阳能集热器可以有多种分类方式,例如,按传热工质的类型可以分为液体集热器和空气集热器;按进入采光口的太阳辐射是否改变方向可以分为聚光型集热器和非聚光型集热器;按集热器是否跟踪太阳可以分为跟踪集热器和非跟踪集热器;按集热器内是否有真空空间可以分为平板型集热器和真空管集热器;按集热器的工作温度范围可以分为低温集热器（工作温度在100℃以下）、中温集热器（工作温度在100～200℃）和高温集热器（工作温度在200℃以上）,等等。

而目前最常用的分类方式是将其分为平板型集热器和真空管集热器。

2.1平板型太阳能集热器

平板型太阳能集热器一般由透明盖板、吸热板、保温层和外壳4部分组成。

平板集热器的主要热损失是吸热板和透明盖板之间的空间存在空气对流换热损失,在冬季,环境温度较低,平板集热器的热损失很大,还面临集热管破裂、冻结等问题。

所以,在寒冷地区,平板集热器不能全年运行,从而使平板集热器的应用范围受到了许多限制。

平板型太阳集热器和其他太阳集热器相比具有如下优点:

①适合与建筑相结合;②适合承压系统;③单位集热面积大,得热量高,全年同等单位面积产水量要高于其他类型太阳能集热器;④后期维修维护费用少。

平板型集热器在高温时热效率高,低温时热效率较低,具有承压高、热传递性能好等优点,目前的应用主要集中在华南和云南地区.从市场的角度来看,受技术成熟度、价格等因素的影响,在国内市场的占有率不足20%,相比之下,平板热水器在国外市场的占有率可达85%左右。

随着太阳能与建筑一体化的实施,目前国内已有多个城市要求新建12层及以下住宅必须应用太阳能热水系统,由于平板集热器兼具屋面和集热双重功能,解决了普通真空管热水器由于必须放置在屋顶而带来的屋顶面积达不到配比量的问题,为平板集热器的推广应用提供了有利的条件。

2.2真空管型太阳能集热器

2.2.1全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管太阳能集热器是由多根全玻璃真空太阳能集热管插入联箱组成,由于真空管采用真空保温,进入玻璃管内的热能不易散失,因此,散热损失比平板集热器显著减小,在60℃以上的工作温度下,仍具有较高的热效率;在寒冷的冬季,仍能集热,并有较高的热效率.由于真空管太阳能集热器具有保温性能好、低温热效率高、成本低等优点,适合在北方地区使用,在家庭太阳能热水器上被广泛采用,国内市场的占有率约80%。

2.2.2热管式真空管集热器

热管式真空管集热器是玻璃—金属封接的真空集热管的一种,由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖等组成。

热管式真空管的优点主要来源于热管的独特传热方式,它具有热性能好、热效率高、工作温度高等优点,系统承压能力强、热容小、系统启动快,抗严寒能力强,可在北方地区全年使用。

2.2.3CPC热管式真空管集热器

上述三种集热器都是非聚光型集热器,其共同的特点是直接采集自然阳光,集热面积等于散热面积,所以理论运行温度不可能太高。

聚光集热器则可以通过聚集技术,提高入射阳光的能量密度,使之聚焦在较小的集热面上,结合对集热面的处理以降低热损失,提高集热温度和集热效率,进而提高太阳能利用系统的总效率。

聚光集热器的种类和型式较多,比较典型的有槽形抛物面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器（CPC）等,其中又以复合抛物面聚光集热器最为典型,CPC复合抛物聚光技术与热管式真空管相结合,构成了CPC热管式真空管集热器。

这种集热器兼具聚光集热器和热管式真空管集热器共同的优点,特别适用于有限空间条件下的使用以及高温介质的获取。

2.3太阳能集热器的性能

集热器是太阳能热水器的核心部分,为了大致了解集热器的性能,我们可以采用一种简便的方法,对它进行一些粗略的估算。

2.3.1集热器的性能方程式

集热器的总光热性能,通常可用集热器在某种运行工况下的总光热效率η来表示,它定义为集热器收集到的有用热量与太阳入射热量之比。

即η=收集的有用热量/太阳入射的热量。

以上定义的光热总效率η,实质上是由两部分组成:

1）光效率;2）热效率。

对于某个具体的集热器,光效率基本上是个恒定值,而热效率则与其他很多运行因素有关。

它可以通过如下性能方程式来表示:

η=A-BX

（1）

其中,A为集热器的光学性能系数,决定于玻璃的透过率τ,涂层吸收率α,以及入射阳光对倾斜面的修正系数ζ;B为集热器的热损失系数;X为决定于集热器工作状态和环境条件的运行因子。

2.3.2性能系数的确定

确定不同集热器的结构,式

（1）中的光学性能系数A可以分别采用下列公式计算:

对单层玻璃盖板平板集热器:

A=ζτα。

对双层玻璃盖板平板集热器和真空管集热器:

A=ζτ2α。

可以看到,性能系数A主要取决于集热器各部件所使用的材料。

国产玻璃的透过率和选择性吸收涂层的吸收率如表2-1所示。

表2-1国产玻璃的骰过率和选择性图层的吸收率mm

材料性能参数

参数值

玻璃透过率ν

产地

厚度

1

2

3

株洲

0.907

0.897

0.886

洛阳

0.883

0.873

昌平

0.891

天津

0.873

0.886

选择性图层吸收率η

黑漆

0.95（凃刷）

氧化铝

0.89（真空蒸镀）

氧化铜

0.88（电镀）

氧化铁

0.85（化学沉淀）

黑镍

0.96（电镀）

黑铬

0.95（电镀）

集热器的热损失系数B,主要取决于集热器的结构和各部件,比较难以精确计算,可以采用表2-2所列的数值进行估算。

运行因子X定义为X=（Tw-Ta）/I,其中,Tw为集热器工质的人口温度,℃;Ta为环境温度,℃;I为太阳辐射量,对平板集热器和真空管集热器,采用集热器倾斜面上的太阳总辐射的数值,可根据所要估算的具体运行情况进行计算。

表2-2不同集热器的B值

形式

B值

国外

国内

液体型单层玻璃盖板平板集热器

3.61

5.96（上海）

液体型双层玻璃盖板平板集热器

2.68

4.36（上海）

液体型单层玻璃盖板蜂窝结构平板集热器

2.78（浙江大学）

空气型平板集热器

液体型真空管集热器

空气型真空管集热器

2.90

3.35（清华大学）

0.732

0.927

注：

集热层表面均凃有选择性吸收涂层，其发射率ε=0.1

第三章太阳能热水系统概述

3.1U型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能

全玻璃真空管太阳集热器由于集热效率高、价格较低而在太阳能热水供应领域得到了广泛应用。

但常规的水在全玻璃真空管集热器中承压能力较低且单管破裂会影响系统整体运行;U型管式全玻璃真空管集热器则克服了上述缺陷。

目前,对全玻璃真空管集热器的热性能已有一些研究文献,但对U型管式全玻璃真空管集热器热性能的研究文献较少，我的论文主要就是针对这一方面的研究。

3.1.1全玻璃真空管太阳集热器热性能分析

U型管连接方式的全玻璃真空管太阳集热器如图3-1所示。

图3-1U型管式全玻璃真空管太阳能集热器

太阳辐射穿过真空管玻璃外壳,投射在内层玻璃吸热管上。

吸热管将太阳辐射能转换为热能,通过吸热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质,使工质不断升温。

与此同时,被加热的吸热管和集管则不可避免地经由各种途径向周围环境散失一部分热量。

图3-2U形管式全玻璃真空管集热器的等效热网络

3.2总热损系数的确定

从图3-3可以看出,真空管热损系数Ue与Tp-Ta是非线性关系,Ta不变时,它随着Tp的增大而增大,Tp不变时,它也随着Ta的增大而增大,其原因主要是辐射当量传热系数随着Tp和Ta的增大而增大。

显然,集热器热损系数UL与Tp-Ta关系也是如此。

图3-3　真空管热损系数Ue与Tp-Ta的关系曲线

新能源（newenergysources或称可再生能源更贴切）是指传统能源之外的各种能源形式。

它的各种形式大都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能（潮汐能例外）。

包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。

也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。

相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。

同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。

据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。

核能，太阳能即将成为主要能源。

因此，类似U型管式真空管太阳能集热器之类的研究就先得尤为重要。

具体意义有：

（1）在能量平衡分析的基础上,建立了U型管式全玻璃真空管集热器效率方程,推导了集热器热损系数、效率因子等性能参数的计算公式,集热器效率的计算结果与实验数据吻合良好,证明理论推导是正确的。

（2）真空管热损系数Ue与Tp-Ta是非线性关系。

为了使热损系数的计算结果更接近实际,同时又便于计算,将UL与Tp-Ta的计算关系式按Ta从低到高分段整理较好。

（3）涂层发射比对集热器的热损系数和效率影响较大,降低涂层发射比是提高集热器效率的有效途径。

采取适当的措施降低吸热管与肋片间的接触热阻后,采用U型管连接方式不会对集热器效率造成太大影响。

第四章系统设计

4.1太阳能热水系统设计

4.1.1系统选型

太阳能热水系统有家用太阳能热水器串并联系统和联集管集热器太阳能热水系统。

家用太阳能热水器串并联系统，是把一定数量的家用太阳能热水器串并联起来组成系统，这种系统的热水量小，适用于需水量小，对水流量要求较低的场合。

联集管集热器太阳能热水系统由联集管集热器、管路、循环泵和控制系统组成，采用主动循环，可实现多种控制功能。

这种类型的系统应用越来越广泛，其主要特点是，系统可占用较小的楼顶空间，方便实现多种控制功能，并节约成本。

故本设计采用联集管集热器太阳能热水系统。

4.1.2双水箱联集管集热器太阳能热水系统

这种系统采用两个水箱，适用于对供水温度要求较高，需要连续供水的单位。

因为有恒温水箱做缓冲，辅助能源的启动频率较小，系统稳定性高。

（1）系统运行原理（图4-1）

（2）系统运行过程

①控制系统显示水箱的水温和集热器的温度。

②自动上水保温水箱上水通过水位探测器控制，保证水箱常满；保温水箱和恒温水箱在稍低水位连通，两个水箱最高水位高度一致，使恒温水箱和保温水箱水位一致。

③温差循环a.在集热器出水口出和保温水箱中各安装一个温度探头，当集热器的温度T1高于保温水箱温度T2时，达到控制系统设定的启动温差时（T1−T2≥△T启动），控制系统控制循环泵启动，保温水箱中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回保温水箱，使保温谁想中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1−T2≤△T停止），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱，时保温水箱中的水不断升高。

b.当保温水箱中的温度T2高于恒温水箱的温度T3并达到设定值时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行。

图4-1双水箱联集管集热器太阳能热水系统

④管路循环管路循环主要是针对室内的热水管道而言，为了保证一开既有热水，同时减少无效冷水的浪费，必须安装热水循环回路。

采取管路循环措施，管路循环可采用定时循环，也可以采用定温循环方式。

当采用定温循环时，在室内热水回水管路适当的位置安装温度探头和循环泵，设置一个温度范围来控制泵的运行，当探测点的温度T4低于设定温度（如35℃）时，启动管路循环泵。

将管路中的低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的高温水进入管道，当探测头的温度达到设定值（如45℃）时停止循环泵。

⑤恒温控制（自动电加热）恒温水箱中安装电热管，当探测到恒温水箱中的水的温度低于设定温度的时候（如40℃），启动电加热管，达到设定温度（如45℃）后，加热停止。

⑥防冻电热冬季，当当保温水箱内的温度T2低于5℃时，电加热启动，当达到10℃时，电热停止。

⑦防冻循环室外管道（保温水箱和集热器之间）在寒冷的冬天可能被冻坏，因此必须有防冻循环功能。

当集热器安装的温度探头探测到温度T5≤10℃时，启动循环泵，将保温水箱中的热水打入集热器，防止管路冻坏。

4.1.3集热系统选择

单水箱联集管集热器太阳能热水系统由于用水后冷水直接进入水箱，系统水温下降快，辅助能源启动频繁，系统稳定性较差，适合用于对用水要求不高，用水量小的场合，如企事业单位职工洗浴、学校学生洗浴等场合，多用于定时放水场合；双水箱联集管集热器太阳能热水系统采用两个水箱，因为有恒温水箱做缓冲，辅助能源的启动频率较小，系统稳定性高。

适用于对供水温度要求较高，需要连续供水的单位。

根据设计要求，用水人数较多，水量较大。

故采用双水箱联集管集热器太阳能热水系统。

如图4-2。

图4-2设计系统图

4.1.4集热器选择设计

考虑到集热面积较大，故采用SLU-1500/16型集热器，集热效率高。

表4-1集热器产品型号属性

产品型号

真空管长度

真空管管径

真空管支数

集热面积m2

内胆材质

外壳材质

保温层材质

支架材质

水箱容积

水箱外形尺寸

SLU-1500/16

1.8

58

48

4.05

316不锈钢

镀锌板

聚氨酯