太阳能装配式蒙古包供能用多曲面聚光器性能

严寒寒冷地区装配式蒙古包冬季供能多采用生物质燃烧、电加热等方式,无法满足分布式绿色低碳可持续供能的要求。为解决上述问题,该研究提出一种用于装配式蒙古包的新型太阳能多曲面聚光集热供能技术,其具有太阳辐射“接力”供能、热输运阻力小、集热装置与蒙古包围护合而为一、正浮力梯度传热等特点,介绍了技术运行原理及所用多曲面聚光器结构参数,利用光学仿真软件TracePro对聚光器光学性能随时间的变化规律进行了分析,对比研究了实际天气条件下正浮力梯度传热与负浮力梯度传热对聚光器内空气进出口温度、集热量等热性能的影响。结果表明,当径向入射偏角为15°时,聚光器光线接收率约为89.50%,当轴向入射偏角为30°时,聚光器光线接收率为83.47%,相邻不同朝向聚光器在10:30和13:30左右聚光效率复合;在冬季晴天,采用正浮力梯度传热方式的聚光器最大出口温度与最大集热量分别为21.3 ℃和787.29 W,分别比采用负浮力梯度传热方式的聚光器提升了9.3 ℃和59.30%。此外,聚光器采用正浮力梯度传热与负浮力梯度传热时的光热转化效率分别为46.81%和35.71%,研究结果可以为装配式蒙古包供能用聚光器集成提供参考。     

圆形吸收体贝壳形复合抛物聚光器模型构建及其性能

为解决沿东西方向放置的标准复合抛物聚光器（Standard-Compound Parabolic Concentrator,S-CPC）在有效工作时长内南边面形利用率低、遮挡光线、不能有效聚光的问题,该研究基于非成像光学边缘光线原理,构建了圆形吸收体贝壳形复合抛物聚光器（Shell Shaped -Compound Parabolic Concentrator,SS-CPC）的面形结构数学模型,采用可视化激光试验装置对SS-CPC模型聚光过程进行了验证。分析了旋转角对SS-CPC光学性能的影响,研究发现,旋转角β越大,SS-CPC的光学效率越低,但光口宽度、能流分布的均匀度越大。与相同接收半角的S-CPC对比试验结果表明：β值为0°、7°、34°、44°的SS-CPC平均光学效率为0.639 8、0.635 2、0.620 1、0.609 3,均高于S-CPC,且在工作时长、能流分布及均匀性方面,SS-CPC都优于S-CPC。SS-CPC有效消除了S-CPC聚光器南边面形拦截光线导致不能聚光的现象,提高了太阳辐射能的利用率。     

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。     

基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器设计及性能分析

工业化太阳能苦咸水淡化系统对基础设施要求高,无法满足当前缺水地区小型分布式淡水制备的需求。针对上述问题,该研究提出一种新型基于竖管降膜的多效太阳能苦咸水蒸馏器,其具有液膜蒸发、多效运行、传热热阻小、热能利用效率高等特点。基于封闭小空间内蒸发冷凝机理,分析装置内水蒸气传热传质过程,基于此,分别测试定输入功率运行工况下,一效、二效、三效和四效蒸馏器的产水速率、蒸发温度和冷凝温度的变化规律,研究不同效数对装置单位能耗产水率l和性能系数（Gain Output Ratio,GOR）等的影响,分析多效太阳能苦咸水蒸馏器的投资回收周期等经济评估参数。结果表明,装置单位能耗产水率、产水速率和性能系数均随运行效数的增加而增大,当输入电功率为200 W时,四效苦咸水蒸馏器达到稳态运行时单位能耗产水率和产水速率分别为1.45 g/kJ、1.039 kg/h,分别比三效蒸馏器增加36.80%、35.88%,四效苦咸水蒸馏器运行温度为83.76℃,蒸发冷凝总温差为19.07 ℃,性能系数达到3.36,投资成本回收周期约为5.69 a,具有较好的分布式制水应用前景。     

日光温室主动采光机理与透光率优化试验

中国的日光温室实现了高效的太阳能利用,温室采光面的采光设计是其结构设计中的一个极其重要的方面。但是,在实践的设计中,对于自然光入射角小于40°的光照透过率未进行深入的理论研究,使得温室采光的设计长期停滞于经验设计为主的状态。该文采用光学理论计算和试验研究的方法,详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率,以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。从经典光学理论出发,推导了温室采光设计的计算系统计算方法,并结合理论要求并进行试验研究。通过理论推导和试验得到,对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下,在太阳光入射角达到20°,30°和40°时,太阳光的强度透过率,分别达到了85.68%,76.47%,64.72%。特别是当入射角大于40°时,直射光强度透射率下降更加明显,在入射角为50°和60°时,直射光强度透射率分别为53.38%和39.67%。理论分析和试验研究表明,将温室采光面的倾角从25°提高到35°,理论计算与试验结果均表明通过小幅改变温室采光面的角度即可达到大幅提高温室强度透过率,当温室采用了可以改变采光角度的主动采光屋面后,温室内的光照强度透过率可以提高20.7%~22.8%。     

全平面镜线反射太阳聚光器的光学设计

为了降低太阳能聚光器的成本,在线聚光菲涅耳集热器中常使用平面镜作为反射镜的组成元素.根据菲涅耳线聚光理论,提出了使用全平面的窄条镜按一定角度布置于跟踪托架上构成不同焦距的初级反射镜单元,由多块跟踪镜单元组成初级反射镜场的设计方法,采用新的次级反射器设计思路,设计了双圆弧形二次反射聚光器.采用平板玻璃镀银镜为初级反射镜材料,设计制作了试验装置,从光线跟踪模拟和实际试验都具有很好的聚光效果.该反射镜单元的设计具有低成本、聚光效果好、可扩展集热器场宽度、跟踪稳定和抗风载等优点,小规模集热器可用于蒸汽生产,提供农产品干燥等所需的过程热,大规模的集热器可以用于热发电所需的预热蒸汽或直接用于热发电.     

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。     

太阳能低功耗滴灌控制装置的设计与实现

针对山地果园的自动滴灌需求,研制太阳能供电的滴灌控制装置,该装置由STM8S105S6微控制器、实时时钟模块、脉冲式电磁阀及驱动模块、传感器接口、太阳能充电子系统组成,并提供LCD可定制用户界面。测试太阳能电池、锂电池、磷酸铁锂电池的输出特性与供电电压2.8～4.3V下静态功耗,试验表明,太阳能电池最大输出功率为169mW,系统供电电压在3V以上正常工作。平均静态电流最低为70μA。以容量为800mA·h的3.7V锂电池供电,系统在无太阳能补给下的待机时间达150d。太阳能电池每天以42.25mW的输出功率对系统充电30min可维持系统不间断运行。控制装置功耗低,太阳能充电,防雷击防水,适合于野外果园的滴灌系统自动控制。     

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。     

太阳能光伏环路热管热水系统光电光热性能试验

为减少建筑热水能耗,该文研究了一种新型太阳能光伏环路热管热水系统。该系统将太阳能光伏光热利用与环路热管有机结合,并以电加热为辅助热源制备生活热水。搭建了室外测试平台,对该系统进行了典型工况及全天性能的测试研究,分析了循环工质充注量对系统性能的影响。结果显示,系统在环路热管运行模式下,夏季工况的光热效率和综合能源效率最高,日平均值分别为62.1%和68.1%;冬季工况的光电效率和综合?效率最高,日平均值分别为13.7%和10.9%。整套系统的综合能源效率和综合?效率略高于环路热管模式。30%充注量的工况更有利于系统光热效率和光电光热综合能源效率的提高,40%充注量的工况则有利于系统光电光热综合?效率的提高。该研究表明太阳能光伏环路热管热水系统在寒冷地区运行性能良好,为系统工质充注量的选择提供了参考依据。     

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。     

聚光太阳能光伏/温差热复合发电系统设计与性能测试

针对现代温室用电成本高、太阳能利用效率低及余热能量浪费的问题。论文探究了光伏温差混合发电的机理,设计了一种聚光太阳能光伏/温差复合发电系统,该系统利用抛物型聚光器进行聚光,采用三角形热管对光伏电池热量进行传递,完成了以下目标:光伏电池的一部分热量通过温差电池实现二次发电;另一部分通过热管内水对流将多余热量传递到储热箱进行热利用。为测试该复合发电系统电/热性能,建立了电/热数学的模型对系统的能量转换进行分析,并进行试验,得出全年四季不同光辐射强度、冷却水流量对系统的影响。冬季测试期间电效率最高达到20.98%,热效率达到39.81%,?效率达到32.5%。结果表明,该系统与无聚光光伏温差混合发电系统相比效率较高且稳定。所获电能可为温室内环境监控、照明系统供电,并能为作物生长提供部分热能。     

日光温室土质梯形墙体与地表太阳辐射测定分析

为研究日光温室梯形土质后墙与地表太阳辐射分布规律,采用辐射探头分别与墙体和地表平行的方式测定了后墙内表面上、中、下3点和地表面南北方向2点的太阳辐射照度。在墙体表面测试并比较了同一测点2种测法（探头水平安装与倾斜安装）的区别。结果表明,在墙体同一测点2种测法所测太阳辐射照度有显著性差异,倾斜法所测值大于水平法所测值,倾斜法所测值应为墙体表面实际得到的太阳辐射照度。在不开风口的情况下,墙体：温室后墙上、中、下3点表面日均太阳辐射照度依次升高。晴天,上、中、下3点日辐射总量分别占墙体日辐射总量的21.6%、36.6%和41.8%;阴天,这一比例为22.5%、34.0%和43.5%;地面：南北方向2测点太阳辐总量总是南部大于北部,南北2点太阳辐射总量分别占地面辐射总量的62.0%和38.0%;阴天的比值为63.2%和36.8%;墙体与地面：地面太阳辐射总量高于墙体。晴天,墙体表面太阳辐射总量为8.117 MJ/m2,地面为8.280 MJ/m2,地面值略高于墙体,差异不显著;阴天,墙体与地面太阳辐射总量分别为0.984 和2.068 MJ/m2,地面太阳辐射总量显著高于墙体太阳辐射总量。该研究为探讨该类型温室热环境提供参考。