圆锥形顶太阳能蓄热水箱锥顶结构及运行参数优化

为获得顶部为圆锥形结构的太阳能蓄热水箱最优锥顶结构及运行参数,对水箱在有内置隔板情况下的10种锥顶结构进行了数值设计,结果表明:在给定流动参数条件下,锥顶角在173.1°~118.1°间变化对水箱内热分层影响效果相当,高温热水区域范围略有增大;对于锥顶高度为0.09 m、锥顶角为159.6°的最佳结构水箱,水箱出口附近高温热水区域范围随冷水入口流速增大逐渐缩小、随热水入口温度提高而增大,但提高热水入口温度对于高温热水区域范围的增大程度在较高冷水入口流速时要小于较低冷水入口流速时的情况;在其他流体参数不变的情况下,冷热水出口温差随冷水入口流速增大呈上升趋势,但当冷水入口流速增大到一定值时其对增大冷热水出口温差的贡献趋于平缓;在冷水入口流速较小时提高热水入口温度对于增大冷热水出口温差的贡献要略大于冷水入口流速较大时的情况。热水入口温度为333 K、冷水入口温度为303 K、热水入口流速为0.05 m/s、冷水入口流速为0.9 m/s组合而成的工况以及热水入口温度为343 K、冷水入口温度为303 K、热水入口流速为0.05 m/s、冷水入口流速为0.9 m/s组合而成的工况适合于"小流量大温差"的热用户运行模式;热水入口温度为333 K、冷水入口温度为303 K、热水入口流速为0.05 m/s、冷水入口流速为0.1 m/s组合而成的工况以及热水入口温度为343 K、冷水入口温度为303 K、热水入口流速为0.05 m/s、冷水入口流速为0.1 m/s组合而成的工况适合于热用户对热水供应量需求较大的情况。     

太阳能蓄热水箱内置隔板开孔方式对蓄热性能的影响

为研究太阳能蓄热水箱内具有相同开孔面积、不同开孔数量的隔板对热分层及蓄热性能的影响,该文对安装有不同开孔方式隔板的不同流动参数条件下水箱内换热过程进行数值分析。结果表明:热水和冷水入口温度分别为333和303 K、热水和冷水入口流速分别为0.05和0.5 m/s情况下,开孔面积为0.007 9 m~2的1个开孔隔板水箱热分层效率最高,理查森数为2.341;与相同开孔面积的1个开孔隔板相比,开孔面积为0.031 4 m~2的5个开孔隔板使得水箱内高温水的容积得到显、著扩展,开孔数量对水箱冷热水出口温差的影响很微弱,开孔面积越大,开孔数量对理查森数的影响越明显。当用户端用水量在一定范围内变化时,理查森数随用户用水量的增大而减小,在冷水入口流速低于0.3 m/s范围内增大该流速破坏热分层的可能性更大。热水入口温度分别为333和343K对应的热水出口温度最大相对偏差为0.22%,但这2种工况对冷水出口温度几乎没有影响。研究结果可为液体分离设备中的孔板结构优化设计提供一定的理论参考。     

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%。     

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。     

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。     

微热管阵列平板太阳能集热器中空保温层厚度优化

为分析微热管阵列平板太阳能集热器的热性能,该文建立了集热器的CFD模型,对其进行数值模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,验证了模型的可靠性。采用该CFD模型对集热器保温层厚度进行优化,结果表明,当实心保温层导热系数分别为0.02、0.03、0.04、0.05W/(m·K)时,优化的实心保温层厚度分别为4.5、5.0、5.5、5.5cm。合理设计的中空保温层(空气层与实心保温层相结合的保温层形式)集热器能够达到与实心保温层集热器相当的保温隔热效果,同时可使集热器保温层成本及质量降低25%~50%。最后,该文给出了保温层总厚度分别为4、5、6cm时的中空保温层厚度优化结果,为该类集热器保温层的设计提供了理论依据。     

太阳能耦合燃料电池联供系统余热回收的运行参数模拟研究

该文将太阳能与燃料电池相结合,构建太阳能耦合质子交换膜燃料电池的联供系统(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)。试验与仿真研究太阳能耦合质子交换膜燃料电池联供系统余热回收的运行参数。试验结果表明:在低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统中,储热水箱平均温度为45.55℃,热泵运行温度设定为40～45℃。仿真结果表明:增加PEMFC电堆单电池个数及氢气燃料分压力,可有效提高PEMFC电堆输出电压。提高PEMFC电堆的输出电压及电流的同时,电堆的运行温度随之降低,同时也相应的延长了PEMFC电堆的启动时间。PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为45～55℃,当PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为50～55℃时,太阳能冷却水进出口温度为40～45℃,PEMFC电堆的运行温度为80.47℃,氢气反应速率为0.015 4 mol/s,板式换热器热效率的合理区间为0.5～0.9。试验及仿真研究结果表明,40～45℃的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统,可连续不断地吸收PEMFC循环冷却水热量,确保联供系统正常运行。     

阳台壁挂式平板型太阳能热水器水量配比优化

基于温和地区9城市的典型气象数据,利用所建数学模型对阳台壁挂式平板型太阳能热水器的水量配比和太阳能保证率进行了计算,并讨论了方位角对水量配比的影响。结果显示,南向阳台壁挂式太阳能热水器春、夏、秋、冬4季和全年水量配比的取值范围分别为28～51、21～41、31～53、37～57和31～47 kg/m2。为便于应用,给出了南向阳台壁挂式太阳能热水器季均和年均水量配比与倾角间相关系数大于0.99的线性回归关系式。对于非南向阳台壁挂式太阳能热水器,季均和年均水量配比的方位角因子随方位角的增大而逐渐减小。倾角为60°～90°、方位角为10°～90°时,季均和年均水量配比的方位角因子分别位于0.57～1.00和0.72～1.00之间。方位角分别小于20°和30°时,方位角对冬季水量配比和春、夏、秋3季及年均水量配比的影响约为5%;方位角分别小于30°和40°时,方位角对上述水量配比的影响约为10%。进一步讨论发现,温和地区南向阳台壁挂式太阳能热水器的年均太阳能保证率位于0.55～0.70之间,推广应用潜力较大。     

蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

节能日光温室蓄热技术研究进展

节能日光温室起源于中国辽南地区,具有完全的自主知识产权,在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。节能日光温室的高效蓄热性能是其与普通日光温室的最主要的区别,节能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能,有被动蓄热和主动蓄热2种形式。目前的形式主要包括主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热。该文综述了节能日光温室蓄热技术的相关研究成果,分析了主要技术问题及研究重点,从传统日光温室节能化改造、节能日光温室新结构发展、蓄热技术研究方法集成及市场化推广应用4个方面进行未来发展方向和研究内容的展望,为国内开展节能日光温室蓄热技术研究提供参考。     

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。