温室双集热管多曲面槽式空气集热器模型构建与应用

为定量分析并预测复杂多变的室外工况对双集热管多曲面槽式空气集热器热工性能的影响,该研究针对双集热管多曲面槽式空气集热器结构及光学性能,结合能量守恒理论分析其传热过程,采用有限元及集总参数法建立其数学模型,并通过搭建双管集热器热性能测试平台和北京地区实际温室系统验证其有效性。结果表明:无论双管集热器反射槽体外是否贴附保温层,其数学模型的平均绝对误差为±0.9℃,平均相对误差为3.7%,误差分析指数IA(Indexof Agreement)可达0.994;对于北京地区实际工程中的16 m双集热管多曲面槽式空气集热器串联集热系统,其数学模型能够较为准确的给出不同室外工况及不同串联长度的集热系统出口空气温度,其平均绝对误差为±(1.3～2.7)℃,平均相对误差为5.4%～7.0%,误差分析指数IA为0.988～0.994。该模型为指导太阳能空气集热器在日光温室中的最优配置及其运行策略提供方法手段及技术参考。     

蓄能型振荡热管太阳能集热器的热性能

太阳能集热器是太阳能热泵系统的核心部件.该文设计了一种蓄能型振荡热管太阳能集热器,将其应用于蓄能型太阳能热泵系统中,可根据太阳辐射强度切换工作模式,实现太阳能分季节全天候利用,能提高系统热力性能.搭建了蓄能型振荡热管太阳能集热器热性能测试试验台,对振荡热管换热器内充灌不同工质(R134a、乙醇/水、丙酮/水)、集热管内分别利用空气显热蓄能或者石蜡潜热蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器在白天和夜间工况下的热性能开展了试验研究.结果表明:振荡热管换热器内充灌R134a的集热器,白天工况下集热效率最高,平均集热效率在0.45以上,利用石蜡蓄热时最高达到了0.90;日有用得热量最大,最低可达到7.14 MJ/(m2·d);夜间工况下供热水水温最高.无论利用空气和石蜡蓄能,白天工况下集热器瞬时集热效率均与太阳辐射强度的变化规律相反.真空管内利用石蜡蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器,阴雨天其集热效率远高于利用空气蓄能的集热器,平均提高64.0％,夜间供水水温均能保持在50℃以上,高于利用空气蓄热的集热器.该研究可为蓄能型太阳能热泵的推广应用提供参考依据.     

日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统的性能分析与试验

为探讨日光温室蓄放热新途径,研究了钢管屋架管网水循环集放热系统,测试了该系统的集热与蓄放热状况。理论计算表明,在屋架间距为1 m,上、下弦杆件均为外径33.5 mm的圆管时,系统的太阳能截获率可达7%~8%。在室内地面面积为620 m2的日光温室中的冬季测试结果表明,容积为8.6 m3的蓄热水体白昼日平均蓄热温升4.7℃,平均蓄热量为149 MJ,蓄热流量为8 721 W;夜间水体日平均放热温降2.5℃,平均放热量为78.9 MJ,平均放热流量为5 974 W;与对照日光温室相比,平均提高夜间室内最低气温2.4℃。屋架集放热系统利用温室原有屋架作为集热与放热构件,不会妨碍室内的生产作业,同时成本低,运行管理简单,容易维护。     

微热管阵列式太阳能空气集热-蓄热系统性能试验

该文采用了以微热管阵列(micro heat pipe arrays,MHPA)为核心元件的真空管型空气集热器与新型相变空气蓄热器,设计搭建了以空气为传热介质的太阳能集热-蓄热系统.集热器采用微热管阵列与真空管结合的新形式,蓄热器以相变温度42℃的月桂酸为蓄热相变材料,测试了系统在不同空气流量下集热过程的集热效率,蓄放热过程中蓄热放热的时间、功率,并在不同空气流量下对蓄热器的蓄热、放热特性进行了研究.研究表明:空气流量240m3/h工况下,集热效率最高;蓄热器的蓄热时间和放热时间最短,蓄热功率和放热功率最大,分别是633和486W;而空气流量60 m3/h能提供更加稳定的出口温度与放热功率,在供暖与干燥领域更加适用.集热-蓄热过程和放热过程阻力分别小于327和40 Pa,说明放热过程系统阻力损失较小,选用功率较小的风机就可提供空气流动的动力.     

太阳能干燥装置槽式复合抛物面聚光器热性能分析

直接式太阳能干燥系统在运行过程中,存在物料表面受热易硬化而阻碍其内部水分蒸发的问题,鉴于此,该文设计一种新型槽式复合抛物面聚光集热太阳能干燥系统,其由槽式复合抛物面聚光集热器、物料托盘、风机、空气管、控制系统等组成。利用光学仿真软件对系统中槽式复合抛物面聚光器进行光线追迹,计算分析不同入射偏角对聚光器光学效率、聚光效率等的影响机理。在此基础上,搭建太阳能槽式复合抛物面聚光集热干燥性能测试系统,在实际天气条件下,对聚光集热单元性能展开测试研究。结果表明,当入射光径向偏角为10?时,聚光器理论光学效率可达到70.38%,晴天太阳光正入射运行、空气流速为6.5 m/s时,接收体出口空气温度最高为37.2℃,比径向入射偏角为10?时提高了7.8%;加装玻璃盖板可有效提高聚光器光热转换效率,晴天时其最大转换效率为55%左右,比无玻璃盖板时最大效率提高了约120%。研究结果可为主动式太阳能聚光集热干燥系统的进一步应用提供了参考。     

用于房屋取暖的太阳能热转换系统卵石层热特性的实验研究(英)

为了给房间提供热能而不消耗电力和常规能源，设计并制造了用于房屋取暖的太阳能热转换系统。该系统主要由太阳能集热器、卵石层和房间组成。太阳能集热器具有28根真空集热管，每根真空集热管的直径和长度分别为47 mm和1500 mm。在长4 m宽2.7 m的房间内铺设了150 mm厚的卵石层。卵石大小为50～100 mm。对由太阳能集热器热水自然循环加热的太阳能热转换系统卵石层的热特性进行了实验研究。测试了该系统不同单元的温度。结果表明，在考虑了每个测试单元热传递时间滞后的条件下，当系统的入口点和出口点的温度存在温差及卵石层和水泥地面存在温差时，该系统能够实现热能自然循环。证实了卵石层和地表面的水平温度分布均匀。卵石层储热周期为10 h、放热周期为24 h。以卵石层日平均温度与户外平均温度之间的差值为依据，计算出卵石层一日内的储热量约为49 MJ/d。     

利用旋流效应强化平板型太阳能空气集热器性能

为了进一步提高平板型太阳能空气集热器热性能,该文提出一种在集热腔室内引入旋流效应的方法,并建立数值模型,分析了旋流类型和旋流强度对集热性能提升效果的影响,通过对旋流型集热器内部的流动及换热特性进行分析,揭示旋流强化集热器热性能机理。计算结果表明,主动旋流的集热性能提升效果明显优于被动旋流;与无旋流对照模型相比,主动旋流型集热器的集热效率增长率最高可达23.83%,且对于特定尺度的集热器,存在最佳的旋流强度。试验结果表明,旋流方法对集热器集热性能的提升效果受流量影响较大。在小流量下,旋流对集热器性能提升较为明显,集热效率增长率可达13.24%;大流量下的提升效果则不明显。本文研究结果对平板型太阳能空气集热器的性能优化提供了一种思路。     

太阳能集热器的热流气体对砾石的蓄放热特性研究

太阳能的蓄放热特性的研究对清洁能源太阳能的开发和利用具有重要意义。该文利用冬季太阳能集热器的热流气体，对砾石的蓄放热特性进行了研究。以居民居住的标准房间（4 m×2.7 m）为依据进行了模拟；利用太阳能集热器的热能与直径为50～100 mm的砾石铺设成150 mm厚度的地下蓄热系统进行蓄热和放热试验，研究昼夜之间室内砾石的蓄热和放热特性；通过测试太阳能集热器的内部温度、砾石层内部及室内地表面的温度，研究了太阳能集热器的蓄热效率和转换效率，同时分析了蓄热层及室内地表面的热传递特性；为进一步开拓针对冬季寒冷地区太阳能蓄热型居民建筑物内部热环境方面的基础研究提供了科学的依据。     

日光温室主动蓄放热系统应用效果研究

针对日光温室冬季夜晚温度低、作物易发生冷害等问题,设计了以水为蓄热介质的主动蓄放热系统.系统由集/放热装置、储热装置和控制装置等组成.白天进行太阳辐射热的吸收与储存,夜晚释放热量用于温室增温.试验结果表明,晴天条件下,主动蓄放热系统的集热功率为0.3kW/m2,蓄热量为6.9MJ/m2;夜间放热功率为0.2kW/m2,放热量为5.7MJ/m2,热利用效率为0.83,试验温室与对照温室的平均气温相差6.3℃;阴天及多云天气条件下,试验温室与对照温室的夜间平均气温相差4.6℃,表明主动蓄放热系统能有效改善日光温室夜间低温状况,进而保障蔬菜安全越冬生产.     

利用反向射流提升无盖板型太阳能集热器性能

为了进一步提高无盖板型太阳能空气集热器的集热效率,该研究提出了一种利用U型管制造反向射流强化集热板换热的无盖板型太阳能空气集热器。通过试验研究了该型集热器内部的温度分布特性,以及2020年12月10日和2021年6月20日的集热性能。试验结果表明：反向冲击射流的冷却作用可以有效降低集热板表面温度,形成覆盖大部分集热板面积的低温区域,且温度分布较为均匀;作为产生反向射流的U型管,还可以充当肋片结构对进入集热腔内的空气进行预热,夏季晴朗工况下U型管的进出口温差可达3.5 ℃;该型集热器在6月20日的平均集热效率可达到80%,而12月10日的热效率仅为45%,冬夏集热效率的差别较大。该研究为无盖板型太阳能集热器性能优化提供了新思路。     

槽式太阳能跟踪控制系统的研制及应用

目前在太阳能热发电领域,仅有槽式太阳能实现了商业发电,但是槽式太阳能需要实时进行太阳跟踪。为了提高槽式太阳能跟踪精度,该文研制了一种基于可编程逻辑控制器PLC的太阳自动跟踪系统,并采用视日运动轨迹算法主动式跟踪策略,计算出槽式太阳聚光器跟踪太阳的旋转角度,并用该角度产生控制指令驱动液压油缸,实现对南北布置东西跟踪的槽式太阳能聚光器的精确太阳跟踪,选取了4个典型日期分析该跟踪系统在4个典型日期时太阳位置的高度角、方位角、跟踪太阳的旋转角度以及聚光器的旋转角度等数据,研究聚光器的运行特性。应用结果显示,该跟踪控制系统计算的太阳位置算法与国际上比较先进的高精度太阳位置SPA计算算法之间的误差在0.12°以内,角度传感器的变送误差在0.044°以内,间歇跟踪驱动最大误差在0.4°以内,经过现场测试整个跟踪系统的误差在0.5°以内。同时,对聚光器的运行轨迹数据分析显示抛物槽式聚光器的全年最大运行速率出现在冬至日的正午时刻,达到0.398°/min。该研究可以为抛物槽式太阳能聚光器的传动机构设计提供理论依据。     

不同蓄能材料的太阳能热泵系统性能对比

太阳能热泵系统与太阳能集热蓄能技术结合起来,能够很好地克服系统对太阳辐射的依赖性,该文设计了一种蓄能型太阳能热泵热水器系统。对蓄能材料分别为石蜡和癸酸时系统瞬时集热效率和2种材料的体积膨胀率进行了试验研究;在南京地区春季典型工况下,对分别采用癸酸和石蜡为蓄能材料的蓄能型太阳能热泵热水器系统性能系数进行了对比研究。研究结果表明:虽然石蜡体积膨胀率较大,系统的真空管有涨裂的危险,但在不同工况下,采用石蜡为蓄能材料的系统性能系数和瞬时性能系数均高于采用癸酸的系统,且系统稳定性好。     

温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略

针对目前温室水循环太阳能利用系统无法在合理时间集热的问题,开发模面装置,基于其表面综合温度提出高效节能控制策略。理论分析表明,日间表面综合温度反映集热器表面可集太阳余热,利用该温度与蓄热水池内水温之间的差值可较准确地判断集热时机;夜间表面综合温度接近于室内气温,利用该温度进行放热控制的方式实质上就是利用室内气温的方式。通过现场试验,测试提出的控制策略下实现的中空板水循环太阳能利用系统的集放热效果,并与现有的基于设定时间点或室内气温的控制方式的能力进行对比。试验结果表明中空板系统在提出的集热控制策略下获得的晴天的集热量（404.1 MJ）与多云天和阴天的集热量（分别为225.9和62.7 MJ）差异显著。而设定时间点控制集热,导致少集热（1.4 h）、无效运行（1.7 h）等问题。基于室内气温方式浪费集热时机：集热初期,太阳辐射较强,系统本可集热（31.8 MJ）,且集热量远大于能耗,集热COP（Coefficient of Performance）达20.2,但因气温低,并不运行;集热末期,还出现短期无效运行（多云天为0.7 h;阴天为2.4 h）。该研究提出的集热控制策略能以更低能耗实现更高集热量;放热控制方式也具有一定优势。     

全玻璃真空管太阳能集热器对流换热试验与模拟

以可再生能源总能系统为研究背景,通过搭建太阳能辅助燃料电池试验平台,逐步完成不同涂层材料、内置导流板太阳能集热器自然对流试验研究;在试验验证基础上,分别建立太阳能集热器自然对流和强迫对流三维数学模型,应用场协同和火积理论分析流动和传热数据。自然对流研究表明,吸收率在0.95~1.0、发射率在0.06~0.16时,随吸收率升高,发射率降低,热效率升高1.71%,火积增量逐渐增大;加装导流板后,真空管内部混流消失,底部流动得到强化,实验热效率提高2.17%;确定全玻璃真空管热水器导流板合理板厚为2 mm,合理板长为距离真空管底部60~100 mm,合理位置为中心线以上16~20 mm;强迫对流研究表明,横双排集热器雷诺和努赛尔数、火积增量均高于竖单排集热器,火积耗散低于竖单排集热器。确定太阳能辅助燃料电池集热场在中低温条件下,自然对流采用内置导流板集热器,强迫对流采用横双排集热器。     

西北农村单体住宅太阳能主动采暖效果试验

西北农村以煤炭为主的传统采暖方式能源利用率低、室内热舒适度差。为了利用丰富的太阳能满足西北农村单体建筑的热舒适度,以西北农村2座117 m2的单体建筑为研究对象,将一座单体建筑进行保温改造后,将其采暖方式先后改造成了太阳能驱动的强制循环散热器采暖和太阳能驱动的强制循环低温地板采暖,并在2个采暖季与传统煤炭燃烧驱动的自然循环散热器采暖相比较,试验研究了3种不同采暖方式的供能稳定性、室内舒适度和热经济性,研究结果表明:太阳能低温地板采暖效果最好,在环境最低气温?10℃时,室内平均温度能达到14℃,太阳能保证率为60.3%,二氧化碳减排量为6.22 t,静态投资回收期3.34 a,具有良好的经济环保效益。     

相变储热型光伏自驱动集热器运行特性

为了克服自驱动型太阳能空气集热器间歇运行和温度波动大的缺点,该研究提出了一种相变储热型自驱动集热器,并利用试验方法探讨了其运行特性。此外,并通过与无储热单元的集热器进行对比,分析了储热单元的引入对集热器热性能的影响。结果表明,该集热器实现了24 h连续运行,其在光伏-蓄电池供电模式下可以根据太阳辐射照度自适应调节气流量,全天热效率达46.92%。对比试验结果表明,储热单元的引入可降低集热器出口温度峰值,峰值滞后时间约3 h。结果可为开发适用于农业干燥领域的集热器提供新思路。     

开孔型折流板太阳能空气集热器参数优化

为了克服折流板引入带来的负面影响,进一步提升折流板型太阳能空气集热器性能,该文采用正交数值试验的方法研究了开孔参数和入口流量参数对集热器效率的影响。选取折流板开孔参数大小、位置、数量以及入口流量4个因素,每个因素取3水平,考虑各因素间的交互作用,设计正交试验方案,进行三维数值模拟计算。结果表明:各开孔因素之间无明显交互作用,入口流量和开孔大小对集热器效率影响显著。最优折流板开孔参数组合与入口流量大小有关,当入口流量分别为0.0044、0.0088和0.0132 kg/(s·m2)时,对应的效率最高开孔参数组合分别为开孔大小(开孔长度与集热器厚度的比值)为1/6、开孔位置(开孔中心距底板距离与集热器厚度的比值)为1/3、开孔数量为3,开孔大小1/3、开孔位置1/3、开孔数量5,开孔大小1/3、开孔位置0、开孔数量5,其集热效率分别为69.63%、81.71%和86.83%。该文结果可为折流板型太阳能集热器的设计和改进提供理论支持。     

全玻璃真空管太阳能阵列供暖系统性能试验

为了研究实际工况下全玻璃真空管太阳能集热器系统的动态供暖性能,通过试验研究和理论分析得出了储热水箱总热损系数、太阳能集热器阵列集热效率的回归方程以及系统太阳能利用率的计算公式,结果表明:2015年11月24日至2015年12月5日,储热水箱总热损系数为25.82~31.53 W/℃,全玻璃真空管太阳能集热器阵列的集热效率为38%~72%。以2015年11月30日为例,系统的太阳能利用率为37.1%,太阳能集热器所收集的热量仅有54.6%被利用,系统热损过大。通过对比系统供热量和建筑逐时耗热量发现:在供暖期间,系统所提供的热量远大于该段时间的建筑耗热量,特别是在供暖初期,供热量达到了该时段建筑耗热量的10倍以上,供热量和供暖时间过于集中;针对此问题提出了单户太阳能供暖系统运行策略的改进建议。