槽式太阳能聚光集热器传热特性分析

为了研究槽式太阳能集热器的传热特性及为槽式太阳能集热器的设计提供理论依据,该文分析了槽式太阳能集热器的传热特点,建立了槽式太阳能集热器传热过程一维数学模型:利用该数学模型,计算分析了槽式太阳能集热器的传热特性。选取了2014年9月21日、10月25日的太阳直接辐照数据进行计算分析,10月25日太阳直接辐照数据均值比9月21日高37.5894 W/m~2,9月21日集热器吸收的太阳辐射热能计算均值比10月25日高196.644.W/m:接受管内外壁导热量随内外壁面温差升高而增加,接受管外径与内径的比值大于1.05时导热热阻增加到0.0004679 K/(W·m);接受管和玻璃管之问传热主要是辐射换热,辐射换热量随玻璃管内壁面温度升高而增加:对流换热量数值上可以忽略不计,且与接受管和玻璃管之间的环形空间残存气体类型有关,环形空间为氢气的对流换热量大于空气,空气大于氩气:玻璃管对外界的传热主要是辐射换热和对流换热,环境温度每下降lO℃,玻璃管对环境的辐射放热量增加约105 W/m:玻璃外管壁温度为50℃时,风速为6 m/s比0.5 m/s时的对流换热量增加约116W/m,玻璃外管壁温为80℃时,该值增加约为340 W/m;集热器的瞬时热效率随传热工质温度的升高而下降,随太阳直接辐照增加而升高;利用该文建立的数学模型计算的瞬时效率与美国可再生能源实验室的试验数据最大偏差约为3%。     

采用太阳能集热器干燥玉米的研究

介绍了采用太阳能集热器干燥玉米的机理与实验装置的设计。在不同季节，采用太阳能集热器对玉米干燥过程进行了试验，测出了采用太阳能集热器干燥玉米的特性曲线，并对干燥曲线进行了分析与讨论；实验得出，采用太阳能集热器干燥玉米能满足玉米干燥的工艺要求，从而为大规模利用太阳能干燥玉米示范性工程的建设提供了科学依据。     

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。     

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。     

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。     

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（Index of 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。     

太阳能干燥相变储热水箱的放热性能

为降低传统干燥能耗,强化太阳能干燥用储热水箱的储放热能力,在普通储热水箱中添加了硬脂酸/膨胀石墨相变储热材料,研究了放热温差、储热单元体积对装置放热性能的影响。研究结果表明:相变储热水箱放热时间、放热量随着放热温差和储热水箱中储热单元体积的增加均有所提升,储热单元的添加对储热水箱的放热效果影响更为显著。放热效率则随着放热温差的增大而降低,随着储热水箱中储热单元体积的增加而显著提升;储热水箱中储热单元体积为35%时,相变储热水箱的放热时间比普通储热水箱最多提升了1.26倍,放热温度最大可提高8.7℃,热效率最多可提高22.56%。     

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。     

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。     

太阳能平板型集热器阵列排布优化

为了优化集热器阵列排布便于水平屋顶有限空间的安装,该文建立了日均遮挡模型和太阳辐射模型。利用所建模型研究了集热器阵列排布长宽比与纬度、日均遮挡因子、阵列占地面积、到达集热阵列的太阳辐射量间的关系。结果表明,大型集热器阵列(占地面积≥500m2),冬至日日均遮挡因子随阵列长宽比和纬度的增加而增大。长宽比∈[1/10,3/1)时,日均遮挡因子上升较快;长宽比∈[3/1,10/1]时,日均遮挡因子增加平缓。对于占地面积∈[50,1000]m2的集热器阵列,面积越小、日均遮挡因子随长宽比的变化越快。冬半年各月水平面上日均太阳辐射分布情况对到达阵列的太阳辐射量最大对应的最佳长宽比存在较大影响。鉴于太阳辐射分布的影响以及便于工程应用,文中给出了中国不同纬度13个城市5种集热器阵列的最佳长宽比;研究结果可为太阳能集热阵列的排布优化提供参考。     

基于太阳能烟囱发电系统集热性能试验的集热棚倾角优选

选取太阳能烟囱发电系统集热特性为研究对象,针对太阳能烟囱发电系统在不同集热棚倾角的集热特性进行试验测试。对不同集热棚倾角下蓄热层温度场及集热棚内竖直平面温度场的分布特性参数进行计算分析。通过对呼和浩特地区太阳能烟囱集热棚倾角为0°~40°分别进行比较分析结果表明:在呼和浩特地区10°集热棚倾角在春夏秋季不同太阳辐照强度GHI(global horizontal irradiance)下,蓄热层温度场温度存在最大值且均匀性最佳;竖直平面温度场温度分布最佳;竖直平面内Gr数最大。得出在10°集热棚倾角下太阳能烟囱集热棚内各项集热性能具有最优值。此试验研究为在呼和浩特地区实现太阳能烟囱搭建提供技术支撑。     

日光温室用双集热管多曲面槽式空气集热器性能试验

为了提高日光温室太阳能利用率,该研究提出了一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器,并与该研究团队提出的日光温室太阳能主-被动"三重"结构相变蓄热通风墙体相结合构成太阳能主动集热蓄热系统,应用于乌鲁木齐日光温室。基于光学与传热学理论,重点考察了集热器结构(双集热管相对位置、长度)、集热器内空气流速、集热器进口温度、太阳辐射强度等参数,对该集热器光学性能和集热性能的影响规律。大量实验室试验及现场应用研究结果表明:1)新型双管集热器与同类型的单管集热器相比,空气流量增加了一倍、单位面积集热量增加了16%、集热效率提高了9%,冬季无跟踪条件下的集热效率为44%~52%;2)2015年11月-2016年2月乌鲁木齐日光温室应用实测结果表明,在集热器长度为16 m、管内空气流速为2.0 m/s的条件下,晴天集热系统可为日光温室提供约50~65 MJ的太阳热能,冬季累计可提供约5 325 MJ的太阳热能。研究结果为日光温室高效利用太阳能主动供热提供了新的技术方法参考。     

自动跟踪式小型太阳能集热玉米果穗干燥装置设计

为缩短玉米果穗的干燥制种时间及相应干燥成本,利用中国西北部地区充沛的光热及干燥空气资源,设计了一种安装有太阳能跟踪控制系统的自动跟踪式小型太阳能集热玉米果穗干燥装置。结合该地区气候条件,确定了干燥装置的总体结构设计方案,完成了集热、干燥、控制系统及风机等关键部件设计选型,并利用该装置进行了相关玉米果穗干燥试验。试验结果表明,应用自动跟踪式小型太阳能集热玉米果穗干燥装置能够将含水率为25%的新鲜玉米果穗(湿基)500kg在5d内(36h)干燥至含水率14%(湿基),装置干燥时间较集热器固定作业方式提高7h,平均干燥速率由0.256%/h提高至0.306%/h,满足设计目标,符合玉米果穗等农产品的贮藏、制种干燥要求。     

溶液热回收型太阳能集热/再生器的再生性能分析

该文使用溶液热回收的方法提高太阳能集热/再生器(collector/regenerator)的再生效率。通过数值模拟的方法分析玻璃盖板高度、溶液参数、空气参数、太阳辐射强度等因素对溶液侧有热回收的太阳能集热/再生器再生效率的影响。结果显示,在模拟条件下,使用热回收器使装置的溶液再生段由1 m升高为1.5 m,再生效率增加约93.6%,相当于C/R板长近似增加0.8 m,且热回收器效率越高装置再生性能越好;流量参数存在最佳值使得再生效率最高,且空气流量(溶液流量)的最佳值随着溶液流量(空气流量)的提高而增加。空气流量的较佳范围为100~150 kg/h,溶液流量的较佳范围为8~15 kg/h;在流量参数的较佳范围内,分析玻璃盖板高度对系统性能的影响,发现玻璃盖板高度的较佳范围为0.08~0.1 m;加热溶液比加热空气更能有效的提高再生效率;减小溶液的浓度或减小再生用空气的相对湿度,均会提高再生效率;在全年太阳能辐射强度较强地区宜采用带热回收器的C/R装置。这些结果为太阳能集热/再生器的设计和性能分析提供了一定的理论依据。     

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.     

热管式真空管太阳能聚光集热系统传热特性分析

该文设计了一套最高可提供473 K高温热水的热管式真空管太阳能聚光集热系统,为研究该系统的传热特性并为系统设计提供理论依据,建立了热管式真空管太阳能聚光集热系统传热过程的一维数学模型,计算并分析了该系统的传热性能。计算结果表明,该文设计的热管式真空管太阳能聚光集热系统的瞬时热效率均高于70%,且随太阳直射辐照强度和环境温度的升高逐渐升高,随传热流体温度和风速的升高逐渐降低。热管式真空管接收器内工质的工作温度和压力也随太阳直射辐照强度、传热流体温度、环境温度及风速的变化而变化。在该文计算条件下,热管的工作温度在327.6~503.2 K,工作压力在0.016~2.8 MPa,符合以水作为热管工质的最佳工作范围(293~523 K)。环形区域压力和渗入气体种类对集热系统传热性能也有明显影响。当环形区域压力P10~(–3) Pa时,接收器热损失较小且随压力变化基本保持不变;当P10~(–3) Pa时,随着环形区域压力升高,接收器热损失逐渐增大。另外,环形区域渗入气体的导热系数越大,接收器热损失越大。该研究对了解热管式真空管太阳能聚光集热系统传热特性、优化集热系统结构、指导系统设计具有一定的实用价值。