U型玻璃真空管太陽能集熱器熱性能研究與優(yōu)化設計.pdf

1、太陽能是世界上最豐富的永久性能源。太陽能集熱器是太陽能系統(tǒng)的基本組成部分,其成本和技術決定了太陽能系統(tǒng)利用效果的優(yōu)劣。U型玻璃真空管太陽能集熱器是在全玻璃真空管集熱器的基礎上發(fā)展起來的一種新型集熱裝置。與全玻璃真空管型太陽能集熱器相比較,其具有承壓能力大、啟動速度快、耐凍損性強等特性,為其推廣與使用開辟了廣闊的天地。目前,對U型玻璃真空管的研究相對較少,本文從傳熱機理和物理模型兩方面對U型玻璃真空管的熱性能進行研究,并提出優(yōu)化方案。本文

2、對U型玻璃真空管的研究取得如下幾個方面的成果:(1)建立太陽輻射模型:太陽輻射量是太陽能系統(tǒng)中重要的參數(shù)。通常使用太陽輻射儀測量出的是水平面上總輻射,本文通過Matlab編程實現(xiàn)計算將實測總輻射分解為直射輻射和散射輻射,并且利用公式計算不同集熱器放置傾角下能夠獲得的太陽輻射量,為下文對U型玻璃真空管的熱性能研究提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。
　　 (2)區(qū)別于傳統(tǒng)一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型,在本文中,通過分析U型玻璃真空管的傳熱過程,在柱坐標系中

3、建立三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型,考慮各部分材料熱容的影響,列出瞬態(tài)能量平衡方程,在不同氣象參數(shù)條件下對所建非穩(wěn)態(tài)模型進行數(shù)值求解,得到非穩(wěn)態(tài)下流體的出口平均溫度。由于U型銅管內(nèi)容水量少,管內(nèi)水熱容對其熱性能的影響小,為能更加真實的描述U型玻璃真空管的傳熱過程,建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的建立一般近似認為真空管內(nèi)部的溫度均勻一致,采用集總參數(shù)的分析方法。本文中以能量平衡為基礎,建立在太陽輻射下流體從U型管入口到出口的水溫變化的數(shù)學模型,并

4、采用控制容積法對每個微分方程在求解域上進行積分,實現(xiàn)對微分方程的節(jié)點離散,最后通過迭代求解得到離散方程的數(shù)值解。同時,本文建立了U型玻璃真空管集熱器效率的計算模型,并且推導出總熱損失系數(shù)、熱轉(zhuǎn)移因子和熱效率因子的計算模型。
　　 (3)在深入研究U型玻璃真空管熱特性的基礎上,從理論上分析U型玻璃真空管管長、入口流速、U型銅管內(nèi)徑、太陽輻射量、流體入口溫度和鋁翼形式等因素對其熱性能的影響,提出合理的優(yōu)化方案。為U型玻璃真空管的優(yōu)化

5、設計,參數(shù)匹配等方面提供技術儲備和理論支持。
　　 (4)鑒于通過實驗獲取真空管內(nèi)部溫度分布及流場狀態(tài)的難度較大,為了驗證U型玻璃真空管的數(shù)學模型,在FLUENT中建立U型玻璃真空管整體傳熱模型,通過模擬進行驗證,得到U型銅管內(nèi)流體沿管長方向及徑向的溫度變化情況。在其它參數(shù)設置相同的條件下,模擬不同入口流速、U型管內(nèi)徑以及太陽輻射量改變時流體的溫度及流場變化,并與數(shù)值計算結果進行對比,驗證數(shù)學模型的可靠性和正確性。