太阳辐射对平板太阳能热水器换热性能研究.docx
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太阳辐射对平板太阳能热水器换热性能研究
毕业论文
题目太阳辐射对平板太阳能热水器换热性能研究
系别机电工程系
年级专业10制冷与空调技术
学生姓名梁荣振
指导教师何钦波
专业负责人郑兆志
答辩日期2013,6,2
顺德职业技术学院
目录
第1章绪论1
1.1太阳能热水器集热器分类2
1.2平板太阳能热水器的应用与发展4
1.3平板型太阳能集热器的展望5
第2章平板太阳能热水器工作原理及基本结构6
2.1平板太阳能热水器工作原理6
2.2平板太阳能热水器组成结构6
第3章太阳能实验研究10
3.1太阳辐射10
3.2太阳辐射的主要影响因素11
3.3实验所需要的设备与仪器11
3.4实验台14
3.5实验测试15
3.6实验结果与分析16
第4章总结23
参考文献24
致谢24
太阳辐射对平板太阳能热水器换热性能
影响的实验研究
班级：
10制冷与空调技术2姓名：
梁荣振指导教师:
何钦波
摘要:
描述了平板太阳能热水器的发展现状以及热水器的组成结构，研究了晴天、阴天、雨天三种典型天气下的太阳辐射情况，对热水温度、得热量以及集热器的集热效率进行了分析，结果表明：
天气对太阳辐照度的影响较大、辐照度对水温的影响较大。
关键词：
平板太阳能热水器，太阳辐射，得热量，集热效率
第1章绪论
我国一直非常重视新能源和可再生能源的开发利用。
2005年5月28日通过了《可再生能源法》，着重提出综合利用太阳能问题，并制定出多项支持和鼓励开展太阳能利用技术等方面的优惠政策。
《可再生能源法》中明确规定：
国家鼓励单位、个人安装和使用太阳能热水系统、供热采暖和制冷系统、光伏发电系统等设施。
国家《产业结构调整指导目录（2005年本）》中把第二十六项“环境保护与资源节约综合利用”中第34条“节能、节水、环保及资源综合利用等技术开发、应用及设备制造”列入鼓励类。
我国不仅是太阳能热水器第一生产大国，也是最大的消费或。
随着新能源的不断推广普及以及科技的进步与发展直接推动了人们对高品质生活的需求。
我国的太阳能热水器市场正在快速的发展。
2012年太阳能热水器行业受到太阳能光伏行业产能过剩的影响也受到了很深的影响。
2012年太阳能行业整体表现低迷。
但随着市场需求的不断改善，产业整合步伐的加快，以及利好政策的推出，都使得太阳能热水器行业迎来发展的重大机遇。
随着我国能源政策的调整，以及太阳能热水器行业自身的进一步发展，太阳能热水器重新回归到城市市场是十分有必要的。
此前，受“家电下乡”政策影响，许多太阳能企业放弃了城市市场。
其实太阳能城市市场不是没有，而是巨大的，是未来的趋势，关键是如何占领。
近来，国家工信部发布《关于促进太阳能热水器行业健康发展的指导意见（征求意见稿）》（简称《指导意见》），明确提出，将采取措施提高太阳能热水器行业的集中度。
工信部青睐太阳能热水器，政策的利好将会促进各地的太阳能热水器市场便会蓬勃发展。
太阳能是最清洁的能源，取之不尽用之不竭，太阳一天释放的热量足够地球使用一年，这一优势没有哪种能源可以替代。
随着国家能源政策的调整，以及太阳能热水器行业自身的进一步发展，太阳能热水器重新收复失地，回归城市已为时不远。
而平板式太阳能热水器因其更安全可靠、寿命更长、与建筑更好结合以及更舒适等特性将成为未来的发展趋势。
1.1太阳能热水器集热器分类
太阳能热利用系统中，接受太阳能辐射并向水传递热量的部件，成为太阳能系统的核心部件。
其集热效率、安全性、使用寿命、可维护性、经济性等方面因素影响业主选择。
按集热器吸热体的不同结构分为平板型集热器、全玻璃真空管集热器。
二者的性能比较见表1所示。
表1平板型与真空管集热器的比较
集热器类型
平板型集热器
全玻璃真空管集热器
集热器产水量（最低、三月份、最高/全年）
每平方米（56L～74L～117L）/88L
每平方米（44L～59L～89L）/63L
集热器全年效率
65.29%
60.57%
系统全年热效率
45%以上
40%以上
承压能力
8kg/cm2
不承压,最大工作压力0.3kg/cm2
最高温度
86℃
100℃
使用寿命
20年
玻璃管的真空度一般在4-5年就不保真,进而吸热效率降低
排污功能
集热器有排污阀，易排污
真空管下端密封，无排污功能，使用一年结水垢较多，热效率降低
安全性
高
低
抗台风能力
高
低
放置方式
与水平面有夹角
与水平面有夹角
应用领域
热水
热水
集热器容水量
1L/m2
13.5L/m2（每支管1.62L/φ47*1500）
抗冻能力/应用地域
热媒采用水时不具备抗冻能力（加防冻液后可应用冻区）
热媒采用防冻液时具备抗冻能力
无冻区，如华南地区
全玻璃真空管太阳能集热器有一定的抗冻能力，适合在冬天气温为0℃到-20℃的地区使用。
常见故障
强度大，过水部件为金属部件,不易损坏，故障率低，较耐用，即便有一块玻璃破裂，系统不会漏水，热水系统照常工作
使用时不能缺水空晒，否则容易爆裂玻璃管
在安装2~3年后，一端进出水的储水结构，管内水结垢现象严重，影响热能吸收
一支管损坏时,整个系统漏水,系统则与漏水近似，处于瘫痪状况
1.2平板太阳能热水器的应用与发展
参照文献[1]在我国的太阳能光热应用中，平板式太阳能集热器是最早得到应用的产品，一度发展得很快。
但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得这种集热器的发展受到了阻碍。
首先，作为太阳能集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而，太阳能热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器或热水系统（热水工程）,基本都采用直接加热太阳能集热器中水的方法。
如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常运转,严重时还会导致集热管的涨裂。
而随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰而受到了市场的欢迎。
同时，近10年来全玻璃真空管热水器生产成本大幅度降低，而平板太阳能集热器的生产成本却没有明显下降，再加上全玻璃真空管热水器被生产厂及商家片面宣传其为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。
一度曾占我国太阳能热水器统治地位的平板太阳能集热器和热水器受到了全玻璃真空管太阳能热水器的冲击，市场份额有所下降。
但最近些年，由于平板集热器技术的进步以及节能减排指标的要求，我国平板型太阳能热水器产量已从2004年的150万平方米上升到2005年180万平方米,市场份额在不断增加。
据霍志臣、罗振涛对欧洲15个国家、美洲2个国家、大洋洲1个国家、亚洲3个国家（21个国家）的统计，国外生产平板式太阳能热水器的厂家（含经销商）共401家,占企业总数的92.61%;真空管太阳热水器12家,占企业总数的2.77%;简易太阳能集热器20家,占企业总数的4.62%。
显然,平板型太阳能热水器生产经营企业远远多于其它产品类型企业数量。
国外市场中，2003年平板太阳能热水器占市场销售份额的94.88%,真空管太阳能热水器占2.46%。
至目前为止，国外集热器的市场格局仍然是以平板型集热器为主，并且还在不断地发展壮大。
并且平板太阳能热水器在公寓，住宅，学校，酒店等建筑中广泛应用。
图1为学生宿舍楼顶平板太阳能热水器外观图。
图2为公寓太阳能热水器的安装外观图。
图1学生宿舍楼顶平板太阳能热水器
图2公寓太阳能热水器
1.3平板型太阳能集热器的展望
我国平板型太阳能集热器已有20多年的生产和应用经验。
现在，平板型太阳能集热器和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位,即使在北方地区也有不少用户。
近年来由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运行等问题，直插式全玻璃真空管集热器在实际中的使用受到了限制。
全玻璃真空管太阳能热水器使用中存在的问题使人们把眼光转向了平板太阳能集热器。
于是，平板太阳能集热器得到了一个新的发展机会。
此外，随着技术的进步，平板太阳能集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。
我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。
第2章平板太阳能热水器工作原理及基本结构
2.1平板太阳能热水器工作原理
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水。
并通过循环水泵把冷水在集热器中循环，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后成为热水，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用。
2.2平板太阳能热水器组成结构
太阳能热水器由平板太阳能集热器，保温水箱，水泵，连接管等部件组成。
图3平板太阳能热水器简图
2.2.1平板集热器
（1）平板集热器的工作原理
其工作原理是当太阳光透过透明端盖后照射到表面涂有涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能，并将太阳辐射能转化为热能，从集热器进口进入吸热板流道的低温水，热能传递给低温水，使流道中的水温度不断升高，加热后的水从集热器出口出去，把有用的热量带走，与此同时，在平板集热器的底部和边框四周填充有保温材料，减少了透过透明端盖向环境散失的热量。
（2）平板集热器的组成结构
1）吸热板芯
吸热板的涂层材料对吸收太阳辐射能量起非常重要的作用。
因为太阳辐射的波长主要集中在0.3~2.5μm的范围内，而吸热板的热辐射则主要集中在2~20μm的波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，又要减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂料。
选择性涂料是对太阳短波辐射具有较高吸收率，而对长波热辐射发射率却较低的一种涂料，目前国内外的生产厂大多采用磁控溅射的方法制作选择性涂层，可达到吸收率0.93~0.95，发射率0.12~0.04，大大提高了产品热性能。
本课题主要采用管板式铜管材料的吸热板的太阳能集热器。
2）透明盖板
透明盖板是让太阳辐射透过，而不让吸热板芯产生的远红外线透过，从而抑制吸热板芯表面反射损失和对流损失，使热水器内获得较高温升，形成温室效应的主要部件。
同时，它还具有防止灰尘和雨雪损坏吸热板芯的重要作用。
透明盖板应满足透过率高、耐冲击强度大、具有良好的耐候性、隔热性能好和便于加工等基本要求。
3）隔热材料
热水器集热板芯的底部及四周都需要有隔热层，以减少热水器向四周环境的散热,提高热水器的工作效率。
对隔热材料的基本要求是保温性能好，用于隔热层的材料有：
岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。
在实际使用时，往往需要在底部隔热层与吸热板之间放置一层薄薄的玻璃棉或岩棉，目前使用较多的是玻璃棉。
耐温在120℃以上，且不分解、不吸水、不易变形或挥发。
4）外壳与支架
为了将吸热板芯、透明盖板和保温材料等组成一个要机整体，并保持一定的刚度和强度,便于安装和运输,需要一个美观的外壳。
对外壳的基本要求是坚实耐用，抗气候变化,不变形、重量轻、易加工、外表美观和价格便宜。
阳能热水器支架应有足够的强度和钢度才能确保有足够的承重能力。
2.2.2保温水箱
保温水箱是由三层组成的，芯层、内层和外层。
在内部使用了一些像保温杯等都会用到的一种保温材料来做芯层，然后照样使用不锈钢水箱来作为内表层，外层则使用普通的不锈钢板材来做。
芯层的保温介质可以采用聚氨酯发泡、聚苯乙烯、PEF等来进行保温。
内层是不锈钢层，使用质量比较好的不锈钢板和镀锌板。
最后是外层它一般所选用的材质是比较普通的不锈钢冲模压膜块或者是使用平板，水箱板的厚度可以根据水箱的大小、高度来决定，保温的材料选择石棉或者岩棉来进行保温。
其结构、材料、容量和保温性能及补水、取水方式都直接影响热水器的性能和可靠性。
水箱必须承受一定压力，且保证不漏水、不渗水。
承压水箱额定压力应大于每平方厘米10公斤。
如图4所示。
图4平板太阳能集热器结构图
图5保温水箱立体图
2.2.3太阳能循环增压泵
增压泵在平板太阳能热水器中作为动力装置，把水在水箱和集热器中循环加热。
其自动开关作用：
可以自动检测用户时否在用水，在用水时自动开关会开启增压泵，当没有用水时，增压泵自动关闭，实现全自动的增压。
由于每家每户的水压各有不同，个别用户的水压实在是太低，冲不开自动开关，导致泵在按自动键的情况下不能自动启动，实现不了自动的效果。
请亲们理解，自动开关需要有一点水压，得把自动开关里的出水阀给冲开，泵才能自动启动，如果水压太低，冲不开自动开关，那只能按手动键实现增压。
如图6所示。
图6太阳能循环增压泵
第3章太阳能实验研究
3.1太阳辐射
所谓太阳辐射强度是单位面积在单位时间内接受太阳辐射能，由于大气层对太阳辐射的减弱作用，到达地面上的太阳辐射能有两种；一种是太阳直接辐射，另一种是由大气，灰尘，水滴等散射而来的散射辐射。
在天气晴朗时，到他地面的太阳能主要是直接辐射；在阴天时主要是散射辐射。
在海拨高度不同的地区，太阳辐射强渡也不同。
3.2太阳辐射的主要影响因素
1）纬度位置：
纬度低则正午太阳高度角大，太阳辐射经过大气的的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。
这是太阳辐射从低纬向两极递减的原因之一。
2）天气状况：
晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；阴雨的天气，由于云层厚且多，大气对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱。
3）海拔高低：
海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。
4）日照长短：
日照时间长，获得太阳辐射强，日照时间短，获得太阳辐射弱。
夏半年，高纬地区白昼时间长，弥补太阳高度角低损失的能量。
3.3实验所需要的设备与仪器
（1）平板型太阳能集热器
其工作原理及结构在第二章有介绍，本次实验采用的集热器如图7所示，与水平面夹角为45°。
图7实验平板集热器
（2）100L保温水箱
保温水箱是用于储存热水的装置，它具有良好的保温性能，是太阳热水器的关键部件，其第二章有介绍，实验采用万和保温水箱，如图8所示。
图8实验保温水箱
（3）不锈钢玻璃转子流量计
流量计的主要测量元件为一根垂直安装的下小上大锥形玻璃管和在内可上下移动的浮子。
当流体自下而上经锥形玻璃管时，在浮子上下之间产生压差，浮子在此差压作用下上升。
当此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力与浮子的重力相等时，浮子处于平衡位置。
因此，流经流量计的流体流量与浮子上升高度，即与流量计的流通米面积之间存在着一定的比例关系，浮子的位置高度可作为流量量度.
实验中用的转子流量计，本次实验中流量计的水流量控制在1.4m3/h如图所示。
图9实验转子流量计
（4）TBQ总辐射传感器
TBQ总辐射表主要用来测量波长范围为0.3～3微米的太阳总辐射。
如水平向下放置可测量反射辐射；倾斜斜面放置可测量入射到斜面上的太阳辐射；TBQ总辐射表由双层石英玻璃罩、感应元件、遮光板、表体、干燥剂等部分组成。
感应元件是该表的核心部分，它由快速响应的绕线电镀式热电堆组成。
感应面涂3M无光黑漆，感应面为热结点，当有阳光照射时温度升高，它与另一面的冷结点形成温差电动势，该电动势与太阳辐射强度成正比。
双层玻璃罩是为了减少空气对流对辐射表的影响。
内罩是为了截断外罩本身的红外辐射而设的。
输出辐射量（W/m2）＝测量输出电压信号值（μV）÷灵敏度系数（μV/W·m-2），每个传感器分别给出标定过的灵敏度系数。
如图10所示。
图10实验用TBQ-2总辐射传感器
（5）环境温度测量仪
带防辐射罩子的环境温度测量仪，可有效阻挡自然条件下的紫外线照射，防止仪器仪表在野外恶劣的条件下快速老化，减小因光线强烈造成的测量误差。
如图11所示。
图11环境温度测量仪
（6）安捷轮34970A数据收集器
其主要作用收集热电偶温度点的温度，然后记录传输到电脑进行处理。
如图所示.
图12安捷轮34970A数据收集器
（7）循环水泵
水泵的作用是通过铝塑管连接水箱和平板集热器，水就在水箱与集热器中循环，水与集热器进行热交换，然后把热水贮存在保温水箱。
，如图13所示。
图13实验循环水泵
3.4实验台
图15为平板太阳能热水器的实验外观图。
图15实验系统外观图
3.5实验测试
图16平板热水器热电偶布置图
本实验平台在顺德职业技术学院实训楼楼顶进行实验测试，已知顺德地区的经纬度为北纬22.50.东经113.15，海拨高度为6.6m。
在本次实验中，分别选取2012.11.13（晴天）、2012.11.20（阴天）、2012.11.27（雨天）三种典型天气进行试验，测试时间范围为8：
30-16：
00，主要研究太阳辐射对平板太阳能热水器的换热性能影响。
试验装置其中带黄点的为热电偶布置的位置，主要测量进出水口的温度与环境温度。
如图16所示。
3.6实验结果与分析
本实验重点实验研究了集热器的进出口温度、水箱温度、瞬时得热量、
瞬时集热效率等重要性能参数。
瞬时得热量是指在稳态运行条件下，太阳能集热器实际获得的有效热量。
其计算公式为：
式中：
Cp——对应于平均温度的水的比热容，J/（kg·℃）；
mg——水的质量流量，kg/s；
tout——集热器出口水温，℃；
tin——集热器进口水温，℃。
集热效率是衡量集热器集热性能的重要参数指标。
由于受到一天当中太阳辐
照度波动的影响，集热器的瞬时集热效率是不断变化的。
在稳态条件下运行的太阳能集热器的瞬时效率
定义为在稳态条件下，集热器实际获得的有用功率与集
热器表面接收的太阳辐射功率之比。
集热器的瞬时效率的计算公式为：
式中：
Ir——辐射到集热器采光面上总的太阳辐照度，W/m2
Ac——集热器采光面积，m2。
图17-图20为2012.11.13（晴天）的实验数据。
图17太阳辐照度随时间变化情况（2012.11.13，晴天8：
30-16：
00）
图18水温及环境温度随时间变化情况（2012.11.13，晴天8：
30-16：
00）
图19集热器瞬时得热量随时间变化情况（2012.11.13，晴天8：
30-16：
00）
图20集热器瞬时集热效率随时间变化情况（2012.11.13，晴天8：
30-16：
00）
从图17可以看出，由于测试当天天气晴朗，辐照度较大，最大值出现在10:
35左右，其值为927W/m2，平均值达到了675W/m2。
辐照度在13：
30（300分）以后逐渐降低。
图18显示进出口水温和平均水温在实验开始到300分期间上升较快，之后由于在300-359分间太阳辐照度逐渐减小，并且这段时间环境温度基本维持不变，进、出口水温的变化也随着减小，曲线变得比较平坦，上升缓慢，在359分时水箱平均水温达到最大值为59.5℃，之后水温开始逐渐下降，并且出现了出口温度低于进口温度，吸热量为负，也就是说，集热器对外的散热量要大于其吸热量，从而导致集热器出口水温下降。
整个测试期间，集热器的进出口水温最大温差达到5.64℃，水箱的中的水温从开始的26.22℃上升到最大值59.5℃，上升了33.28℃。
图19为集热器瞬时得热量随时间的变化情况，曲线变化趋势是先逐渐增大后在150分之后快速下降。
从图中可以看出在10:
35左右（120分）时达到最大值904.5W，分析原因是由于太阳辐照度是影响瞬时集热量的重要因素，在10：
35左右太阳辐照度达到最高值，瞬时集热量也随之达到极值。
后期辐照度迅速下降，得热量也随着迅速下降，所以曲线坡度较上升阶段要陡。
图20是集热器瞬时集热效率随时间变化情况，在150分之前下降缓慢，在150分之后下降速率较快，这也是受了太阳辐照度变化的影响。
测试期间最大集热效率为64.23%。
图21-图24为2012.11.20（阴天）的实验数据。
图21太阳辐照度随时间变化情况（2012.11.20，阴天8：
30-16：
00）
图22水温及环境温度随时间变化情况（2012.11.20，阴天8：
30-16：
00）
图23集热器瞬时得热量随时间变化情况（2012.11.20，阴天8：
30-16：
00）
图24集热器瞬时集热效率随时间变化情况（2012.11.20，阴天8：
30-16：
00）
测试当天2012.11.20为阴天，太阳辐照度明显减小，，从图21中可以看出，最大值出现在13：
30（290分）左右，其值为335W/m2，平均辐照度为131.9W/m2。
图22为水温及环境温度随时间变化情况，环境温度基本趋于平稳，进出口水温一直是逐渐升高直到后期趋于平稳。
平均水温从26.1℃升高到36.4℃，上升了10.3℃。
图23为集热器瞬时得热量随时间变化情况，得热量与辐照度变化趋势基本一致。
辐照度最大的时候，得热量也最大，其最大值为358.9W。
图25-图28为2012.11.27（雨天）的实验数据。
图25太阳辐照度随时间变化情况（2012.11.27，雨天8：
30-16：
00）
图26水温及环境温度随时间变化情况（2012.11.27，雨天8：
30-16：
00）
图27集热器瞬时得热量随时间变化情况（2012.11.27，雨天8：
30-16：
00）
图28集热器瞬时集热效率随时间变化情况（2012.11.27，雨天8：
30-16：
00）
测试当天2012.11.27为雨天，太阳辐照度明显偏小，从图25中可以看出，最大值出现在13：
40（290分）左右，其值为204W/m2，平均辐照度为59.75W/m2。
图26为水温及环境温度随时间变化情况，环境温度比较低，平均气温为12.35℃，水温上升比较缓慢，而且进出口温差在0-100分阶段几乎为0，随着后期气温有所上升之后，才开始有温差，然后在300分之后，温差又几乎为0，也就是这个期间得热量为0，意味着集热器吸收的热量与对外辐射散发的热量达到平衡了，此时水温达到最大值。
图27为集热器瞬时得热量随时间变化情况，得热量与辐照度变化趋势基本一致。
辐照度最大的时候，得热量也最大，其最大值为241.6W。
第4章总结
本文研究了太阳辐射及天气情况对太阳能热水器的性能影响，结果表明太阳辐照度、环境温度对集热器性能的影响都很大，天气晴朗，辐照度大的时候，水的得热量也大，水温上升高，阴雨天水温上升缓慢，温升不高，达不到生活用热水温度，此时需要开始电加热器进行辅助加热。
另外提高平板太阳能热水器的性能，主要是提高平板太阳能集热器的吸热效率，集热器是太阳能热水器的核心部件，如何提高集热器更多地吸收太阳辐射能才是重要的，如；减少集热器对流和辐射热损失以提高吸热能力，在集热器吸热面上涂上对太阳辐射具有很高光谱的吸比的涂层，以及集热器的集热面能长时间接受太阳光的照射，以保持最大限度采集太阳辐射能。
避免吸热层表面与玻璃盖板之间的对流散热，隔热材料有一定的保温能力，减小能量的损失。
参考文献
[1]霍志臣,罗振涛.国内外平板太阳能热水器发展概况[J].太阳能学报,2006,3（4）:
34-38
[2]王会.中温平板太阳能集热器的结构研究[J].当代农机，2012,11（4）：
23-25
[3]林嬛.太阳辐射强度模型的建立及验
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