畢業(yè)論文（設計）小型槽式太陽能集熱系統(tǒng)設計和實驗研究

1、小型槽式太陽能集熱系統(tǒng)設計和實驗研究摘要：娠于泰安某公司一層辦公樓的建筑冷負荷，本文設計出一套與該建筑相匹配的椚式太陽能集熱 系統(tǒng)，通過實驗計算一系列性能參數(shù)，并與dcst數(shù)據(jù)庫里的參數(shù)進行轉化和比較，從而證明了系統(tǒng) 在初步運行階段具有可行性，也為以后系統(tǒng)的運行調節(jié)提供了數(shù)據(jù)參考。關鍵字：冷負荷；集熱器設計；dest數(shù)據(jù)庫；效率；可行性1 引言人類社會的e躍式發(fā)展離不開對能源的利用，隨著人類社會的不斷向前，化石燃料 持續(xù)減少、全球變暖、環(huán)境污染等能源和環(huán)境問題帶來的威脅也日益突出。為了減少對 環(huán)境的破壞和節(jié)約能源，人們開始將重心轉移到開發(fā)清潔環(huán)保的可再生能源，其中太陽 能就以它獨特的優(yōu)勢成為了

2、發(fā)展可再生能源的一個很好的切入點，且發(fā)展?jié)摿薮?。僅 就我國而言，我國太陽能豐富的地區(qū)占我國領土總面積的90%以上，太陽能每年輻射到 我國領土上的總量相當于17000億噸標準煤。開發(fā)利用太陽能，不僅可以有效減少化石 能源的使用，還可以進一步減少有害氣體對大氣環(huán)境的影響，對新能源的開發(fā)具有十分 重要的意義川。太陽能集熱器作為太陽能熱利用系統(tǒng)的關鍵部位，其性能與其成本對太 陽能利用系統(tǒng)的優(yōu)劣起著關鍵作用。因此，為了更好地利用太陽能，我們可以采用槽式 拋物面聚光集熱器，槽式聚光集熱器具有反應靈敏、集熱效率高、工作流體出口溫度高 等優(yōu)點。本文通過對泰安某公司一層辦公室進行冷負荷分析，設計出一套與之相匹

3、配的槽式 太陽能集熱系統(tǒng)，分析影響集熱器性能的主要因素及英光學效率和集熱效率，從而能夠 為太陽能集熱器的設計和改進提供參考依據(jù)。另外，由于太陽能集熱器所組成的集熱場 是太陽能集熱系統(tǒng)的主體部分，太陽能集熱場的設計規(guī)劃和整體布局對整個集熱系統(tǒng)的 運行性能和經濟效益至關重要，對于太陽能槽式集熱場性能和布局的研究能夠為以后槽 式太陽能集熱系統(tǒng)的設計提供參考。2 太陽能集熱系統(tǒng)設計本項目的山東泰安某公司辦公樓一層平面概況見圖1。在該系統(tǒng)中，采用槽式太陽 能集熱器作為太陽能空調系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)，夏季采用澳化鋰吸收式冷水機組向空調區(qū)域 供冷，太陽能集熱系統(tǒng)為浪化鋰吸收式冷水機組提供高溫導熱油；冬季根據(jù)需求，

4、太陽 能集熱系統(tǒng)也可對空調區(qū)域通過板式換熱器進行供暖；此外，還可以利用槽式集熱器中 的高溫導熱油進行噴蒸汽實驗。基金項目：國家口然科學基金(51376012)和北京市口然科學基金(3142003)資助2.1集熱器傾斜面上太陽直射輻射計算為了獲得更多的太陽熱量，集熱器的安裝有一傾角，在設計吋必須把水平血上的太陽輻 射轉換成等于集熱器安裝傾角的傾斜面上的太陽輻射。傾斜面上的太陽總輻射照度10由三部分組成：直射輻射照度ido、散射輻射照度id.o和地面反射輻射照度irod.o + d.o + ire由于槽式集熱器只能利用太陽輻射中的直射部分，因此應該準確計算出斜血上的直射輻 射。斜面上的直射輻射可通

5、過逐時計算從而準確實現(xiàn)從水平面到傾斜面的轉換。傾斜面 上與水平面上直射輻射的關系為：(2)式中，id.o為傾斜血上的直射輻射;id.h為水平面上的直射輻射;rb為直射輻射修正因子。rb =cos(0 0) cos co + sin(° 0) sin 8(3)cos /cos 8cos 69+ sin °sin 8式屮，&太陽赤緯角，即地心與太陽屮心的連線與赤道平面的夾角叫 計算公式為:8 = 23. 45 sin(360 x 284 + z?)(4)365式中，n為天數(shù)，即計算口在一年中天數(shù)的序號；(p：地理緯度；p：集熱器平面夾角; (d：太陽時角，即真太陽時用角

6、度表示的角，計算公式為：cd = 15° x |真太陽時-12| (5)真太陽吋：地球相對于太陽的自轉并不是均勻的，并不是每天都是嚴格的24小吋，與 標準北京時間換算公式為習：真太陽時=北京時- (120°-當?shù)亟浂?/ 15° +時差/ 60(6)式中，時差的計算公式為：時差=9. 87 sin 2 7. 53 cos 8 - 1.5 sin b(7)360 土二里364(8)因此，測量槽式集熱器傾斜面上的直射輻射可釆用兩種方法：(1) 將直射輻射表的傾角固定為集熱器的某一傾角值(一般為獲得太陽輻射量最大時 的傾角值)，直接測量該固定傾斜面上的直射輻射值。該方法

7、測量及計算簡單，但是由 丁槽式集熱器跟蹤角度是隨著太陽方位的變化而時刻在變化的，即直射輻射輻射表測出 的傾斜而上的太陽輻射的值不能代表槽式集熱器追蹤并接收的太陽直射輻射的逐時值, 存在一定誤差，一般較實際值偏大。(2) 用直射輻射表直接測量水平面上的直射輻射值，再通過直射輻射修正因子的修正 轉化為逐時傾斜面上的直射輻射，該方法考慮到了槽式集熱器追蹤太陽時角度的變化, 能代表每個時刻槽式集熱器追蹤并接收的太陽直射輻射的值，但是計算較復雜。本次實驗選擇第一種測量直射輻射的方法。2. 2槽式集熱器面積確定一層辦公室空調總面積為600m2,根據(jù)天正暖通負荷計算軟件計算得11!白天空調冷負 荷為53.8

8、rw,根據(jù)大連三洋制冷有限公司蒸汽型雙效漠化鋰制冷機的經驗cop収值4】,計算得出該辦公樓白天空調所需太陽能集熱器的集熱量為40.8kwo太陽能集熱器的而 積計算公式為：t式中，i：傾角等于當?shù)鼐暥葍A斜面上的太陽總輻射月平均日輻照量mj/(m2.d)； ii：集熱器 的年平均集熱效率，取50%o代入數(shù)據(jù)計算得：i = 15. 8mj / (/n2.d)(10),40800 x 3600 x 12 x ict62a = = 223m2(11)r15. 8 x 50%所以,白天空調用集熱器面積取為230m2,該集熱器的主要參數(shù)如表1所示。表1槽式集熱器的基本參數(shù)table 1 the main p

9、arameters of trough collector集熱器單元長度4m集熱器開口寬度2.4m玻璃管外徑70mm玻璃管礙厚2.4mm不銹鋼管外徑32mm不銹鋼管壁厚2mm槽式太陽能集熱場布局為：共有四個冋路，每個回路有6組集熱器，每組集熱器的面積 為9.6m2,h此共有24組集熱器,共計230.4m2,如圖2所示。圖1辦公樓一層平面示意圖圖2槽式太陽能集熱場平面布置示意圖fig. 1 the layer of the 1st floor office building fig. 2the layout of trough solar collector field2.3權式集熱器工作介質本

10、實驗采用導熱油wd300為導熱介質，其主要性能參數(shù)如表2所示。表2導熱油的基木參數(shù)table 2 the parameters of the heat-conducting oil溫度密度 p(kg/m3)比熱 cp(kj/(kg.k)導熱系數(shù)w/(m.°c)運動粘度(xloa6m7s)2010001.5907960.12933007802.390.1030.33 槽式太陽能集熱器結構本實驗采用的槽式集熱器如圖3所示,槽式太陽能集熱器包括槽式反射器、接收器、 跟蹤系統(tǒng)以及其他輔助裝置。圖3實驗所用槽式集熱器圖4反射鏡的結構圖fig.3 the experim

11、ent trough collectorsfig.4 the block diagram of the mirror(1) 反射器：本實驗采用的反射鏡結構如圖4所示，其主要性能指標如下：高反射率: 原片采用進口超白浮法玻璃，反射率94%；高精度：反射鏡曲面精度2mrad；高 機械強度：通過對超白玻璃進行全鋼化處理來提高玻璃反射鏡的機械強度，從而使玻璃 反射鏡的強度和硬度增加35倍；優(yōu)異的耐腐蝕性：對于玻璃的凸起面一側，采用化 學鍍銀方法進行鍍銀制鏡，銀層沉積厚度1500mg/m2,銀層表面是保護性銅層的化學沉 積；銅層外側是三層油漆防腐涂層，最外層是抗uv陶瓷保護層。接收器：本實驗所用集熱管的

12、構造見圖5,相關參數(shù)見表3,采用同軸太陽光接收器， 接收器位于反射鏡的焦線上，它由外壁涂有吸收涂層的金屬吸熱管和套在金屬管外的玻 璃管組成，兩端采用金屬密封頭密封。玻璃管外涂有增透涂層，能夠使更多的太陽光線 透過玻璃管。ii 空70mm金ik*圖5集熱管的構造圖圖6南北水平式跟蹤原理圖fig.5 the configuration of collector pipefig.6 the schematic of north-south horizontal track衣3集熱管相關參數(shù)table 3 the parameters of collector pipe玻璃管材質高硼硅3.3玻璃管透過

13、率>95.5%膜層吸收率>95%膜層發(fā)射率<10% (400c以下)真空度<0.001mbar單位熱損<how/m(3oo0c)運行溫度最高38o°c集熱管巫量13.8kg(3) 跟蹤系統(tǒng)：本實驗采用程序控制式的自動跟蹤系統(tǒng)，采用東西放置，南北水平軸 跟蹤，其原理如圖6所示。拋物柱面跟蹤角度可根據(jù)如下公式計算：式中，卩c：拋物柱面開口柱面的傾角；丫皿：真空集熱管的方位角；y：太陽方位角；as：太 陽高度角。（4）其他輔助裝置：在槽式集熱系統(tǒng)中除了反射器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)外，還有一其他 輔助設備，比如鏡場的支撐結構、管道的絕熱材料、集熱器的防凍、防腐、防炯

14、曬材料 等。4 槽式集熱器的光學效率計算光學效率是指集熱管所吸收的能量與射入聚光器上的太陽能量的比值。集熱器場在 實際運行中由于結構精度、反射鏡的幾何形狀、鍍膜質量及當?shù)貧夂颦h(huán)境等原因會產生 各種光學損失。光學效率可以用以下公式表示：% =（13）式中，i°p：集熱器的光學效率；fo：集熱器的失配因子；fi：集熱管外管的灰塵系數(shù)； 壇集熱管遮擋系數(shù);f3：集熱管外管透射率;心集熱管吸收率；f5：其他因素。(14)式中,佗:跟蹤和機械轉動誤差；壇幾何誤差；鏡面反射率；卻鏡面灰塵系數(shù);fio：集中 因子。根據(jù)美國可再生能源實驗室（nrel）的forristall6和price研究的經驗數(shù)

15、據(jù)可得幾 種常用的集熱器的參數(shù)，根據(jù)給岀的經驗值和本實驗采用的集熱管的性能指標，各系數(shù) 取值分別為：fx = 0. 98, £ 二 0. 967 , £ 二 0. 955 , /； =0.95, z = 1,£ = 0. 99, f7 = 0. 98,= 0. 94, £ = 0. 95,= 1代入光學效率的公式得：% = 0- 745（15）5 槽式集熱器的集熱量及集熱效率計算為了簡化對集熱器的計算，做如下假設：（1）玻璃外管、吸熱管和工作流體只考慮沿軸向 的溫度變化，同一截而上的溫度保持一致；（2）吸熱管和玻璃外管z間為高度真空區(qū)域, 忽略對流換熱；

16、（3）忽略玻璃外管和拋物柱面反射板之間的輻射換熱。太陽能槽式集熱系統(tǒng)的效率是集熱系統(tǒng)的總得熱量與集熱系統(tǒng)吸收的太陽總輻照量之 比，太陽能集熱系統(tǒng)的得熱量計算公式為：q =沁t = cnitour - tin）（16）式小，q：太陽能集熱系統(tǒng)的得熱量,kw； m:導熱油的質量流量，kg/s； at:導熱油進出口 溫差，°c；tm：導熱油進口溫度，。c；t°ut：導熱油出口溫度，°c；c:導熱油的比熱,kj/（kg.°c）0 太陽能槽式集熱器的瞬時熱效率為：式中，id.o：傾斜面上的直射輻射照度（w/n?）； a：拋物柱面開口面的面積（m?）。 本實驗日期為

17、3月10 0,天氣晴朗，測試有效時間為9:00-15:00o實驗時，循環(huán)管 路內導熱油的質量流量維持在lkg/s左右，測量導熱油進、出鏡場的溫度及其流量，時 /=59間間隔為一分鐘，根據(jù)公式乞沁t把每分鐘的得熱量進行累加汁算。用微型室外氣彖 /=0站測量環(huán)境溫度和風速，并分別用總輻射表和直射輻射表測量太陽總輻照值和直射輻照 值，以上數(shù)據(jù)每五分鐘讀取一次。本文將太陽能輻射直射實測值與以下兩種方式的取值 進行了比較。（1）根據(jù)dest數(shù)據(jù)庫屮3月10日直射輻射占總輻射的比例大小，把實驗實測值的 總輻射根據(jù)此比例進行逐時轉化，轉化為直射輻射值。（2）直接采用dest數(shù)據(jù)庫中直射輻射的軟件值。5.1兩

18、種方式驗證直射輻射測量值有效時段為9:00-15:00,三種取值方式下直射輻射的逐時值如表4及圖7所示。表4冇效時段下三種取值方式的肖射輻射值table 4 thedirect radiation values of three approaches in effective period時間直射輻射實測值（w/m2）直射輻射轉化值（w/n?）直射輛射軟件值（w/m。9575432299106695574711173162656912691640614136535935291465250352415597423405圖7三種方式下玄射輻射的變化曲線fig.7 thechange curve o

19、f direct radiation values of three approaches比較上表發(fā)現(xiàn)，實驗實測的直射輻射值偏大，直射輻射的轉化值也偏大，這是由于 總輻射的實測值偏大造成的，但是直射輻射的轉化值較軟件值偏大的幅度較小。5.2兩種方式驗證集熱器的集熱效率5.2.1實測值分析根據(jù)實測值分別計算槽式集熱器的瞬時得熱量和太陽輻射吸收量的逐時值，吋問問 隔為5分鐘，并以此計算集熱器的逐時集熱效率，分別如圖&9所示。(箋)圖8槽式集熱器實際得熱量和太陽輜射吸收量的變化曲線fig. 8 the change curve of trough collectors actual heat

20、absorptionand solar radiation389:45 10:35 1125 12:15 13x)5 13:55 14:45 15:35時刻3634323028-26藝24毎22喪201816141210圖9槽式集熱器逐時集熱效率變化曲線fig.9 the change curve of trough thermal efficiency5.2.2三種取值方式下集熱效率計算的對比分析三種収值方式下集熱器的集熱效率計算值，分別由表5-7給出，其比較匯總于表8。表5玄射輻射實測值下集熱效率的計算table 5thecollector efficiency of direct rad

21、iation measured values時間總得熱量(mj)直射輻射瞬時值(w/m2)太陽宜射輻射吸收量(mj)效率(%)9100575477.142110154669554.962811193731606.323212193691573.283413151653541.49281410465254l141915總和85980597495.043789.3717表6直射輻射轉化值下集熱效率的計算table 6 the collector efficiency of direct radiation conversionvalues時間總得熱最(mj)育射輻射瞬時值(w/m2)太陽直射輻射吸

22、收最(mj)效率()91004323582810154557461.833311193626519.023712193640530.663613151593491.493114104503417.23251585423350.8224總和9803129.04表7直射輻射軟件值下集熱效率的計算table 7 thecollector efficiency of direct radiation software values時間總得熱量(mj)直射輻射瞬時(w/m2)太陽直射輻射吸收量q1j)效率(%)9100299248.34010154471390.923911193569471.96411

23、2193614509.24381315152943&373414104524434.24241585405335.8225總和9803129.04表8三種方式下集熱效率的比較tabic 8 the comparison of collector efficiency under three ways時間實測值效率()轉化值效率()軟件值效率()9212840102833391132374112343638132831341419252415172425圖10為三種不同直射輻射取值方式下的集熱器集熱效率比較圖，由圖可見，實測 值效率v轉化值效率軟件值效率，這是由于太陽直射輻射的值不同造成

24、的。集熱器的瞬 時集熱效率目前最高達到34%左右，這是由于實驗采用笫一種直射輻射測量方法，所測 的直射輻射值偏大，導致效率偏低，經比較分析，采用第二種直射輻射測量取值更合適。 本次實驗述發(fā)現(xiàn)：(1) 在槽式集熱器的傳熱熱阻屮，流體的對流換熱熱阻很小，這樣盡管流體的流量變 化會引起其對流換熱系數(shù)的變化，但是對集熱器效率的影響卻不大，因此，在集熱器運 行過程中，可以通過調節(jié)集熱器流量改變集熱器出口溫度同，使集熱器處于高效運行狀 態(tài)，工作流體中導熱油的質量流量一般可控制在0.4-0.6kg/so(2) 如圖7、8和9所示，集熱器效率隨著太陽輻射強度的升高而變大，只是隨著太陽 輻射強度的增強，一般增大

25、到700 w/1r時，集熱器熱效率增大的速度變緩或者開始呈 現(xiàn)下降趨勢。這與集熱器高效運行狀態(tài)的最佳太陽輻射區(qū)間是450-750 w/m2,最大不超 過950w/iw的經驗數(shù)值兇是基本相符的。這就說明要想使集熱器處于高效運行狀態(tài)，必 須使其處于一個最佳的太陽輻射區(qū)間，大約為450-950 w/m2o因此當太陽輻射不足吋, 為了使集熱器的出口溫度達到要求，必須釆用輔助能源。(3) 風速、大氣溫度及真空度在一定程度上也影響集熱器的熱效率。低風速下，一般 小于4nvs時，集熱器的熱效率隨著風速的增加而降低，當風速增加到5m/s時，風速的 增加對集熱器熱效率影響不大；由于風速不變時，大氣溫度越高，集熱

26、器熱效率也越高， 但集熱器在空氣運行狀態(tài)下對風速的敏感度高于真空運行狀態(tài)，因此真空運行的集熱器 當風速增加時也能處于較高的熱效率，在多風季節(jié)時，対集熱器要經常進行檢修和維護, 盡量使集熱器維持較高的真空度，少風季節(jié)時，對以適當延長集熱器的檢修時間岡。(4) 槽式集熱器聚光比不高，焦面上的太陽輻射并沒有完全投射到集熱管上，這也是 集熱器瞬時集熱效率不高的原因之一，這主要與設計和制作工藝有關，因此需要在集熱 器的運行期間定期對其進行聚光調整，提高鏡血的光學采集因子、降低鏡面反射率。研 究結果表明，聚光比為66吋，集熱器的集熱效率可以達到60%以上刃。圖10三種方式下集熱效率變化曲線fig. lot

27、he change curve of collector efficiency under three ways6.結論本文通過對泰安某公司辦公樓一層建筑空調冷負荷的計算與分析，給出了相應槽式 太陽能集熱實驗系統(tǒng)的設計方案和實驗參數(shù)的設定，搭建了槽式太陽能集熱系統(tǒng)實驗裝 置，通過測量導熱介質的進、出口溫度及物性參數(shù)等數(shù)值來檢測裝置的集熱效果，實驗 結果表明，此系統(tǒng)可用于槽式太陽能集熱器熱性能和槽式集熱實驗系統(tǒng)的運行研究。同 時，本實驗還將槽式集熱器測試數(shù)據(jù)與dest數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)做了比較，為槽式太陽能集熱 系統(tǒng)的設計提供了更多獲取數(shù)據(jù)的途徑。參考文獻1 姚亮，馬俊貴.太陽能集熱器集熱的研究現(xiàn)狀及展

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