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1、题目: 太阳能热水器的倾角计算 专 业: 学 号: 姓 名: 李X X 指导老师: 丁X X XX大学地球科学与工程学院2012年10月1 真空管式太阳能热水器工作原理1.1全玻璃真空管的结构如图所示，全玻璃真空集热管可分为内玻璃管、外玻璃管、支撑件和选择性涂层等几部分，实质上是一种夹层抽成真空并在内管外壁镀上选择性吸收涂层的双同心玻璃管，形如拉长的暖瓶。制造真空集热管一般选用高硼硅玻璃，该型号玻璃具有良好的光线透过率，平均光线透过率超过90以上，同时具有低的热膨胀系数，耐热急变性能良好，抗酸碱性能较高。可以在一20以下的环境下使用。在正常情况下，内管温度可达100，空晒时可高达260。为减少
2、内外管之间的传热，它采用高真空技术，使内外层玻璃管之闯夹层的压强维持在10-3Pa以下，基本上消除了内外管壁之间空气的热传导和基本上消除了外层盖板玻璃和内层吸热玻璃之间的热传导和自然对流。为保持夹层内的真空度，在夹层的底部还放置了吸气剂。为保证在真空管对太阳辐射充分吸收的同时有效的降低内外管之间的辐射热损，在玻璃内管外表面上采用高真空反应蒸镀、磁控溅射等技术镀上具有优良耐热性和长期稳定性的选择性吸收涂层，使真空管对透过外管壁的太阳光谱范围(03525um)辐射能量具有较高的吸收率，而在远红外波段(2525um)具有很低的发射率，因而有效地拟制了辐射热损。它的工作原理是通过涂层吸收太阳辐射能量，
3、以金属基底发射长波辐射。1.2真空管式太阳能热水器结构全玻璃真空管太阳能热水器集热器由开口端插入水箱下部的一定数目的真空管组成，真空管内选择性吸收涂层吸收太阳辐射热量，内管管壁温度升高并加热真空管内的水，由于水箱内的水湿低于真空管内水温，则利用水箱、真空管内冷热水之间的自然对流将热量逐步传递到水箱中去。1.2.1水箱系统水箱系统一般由内胆、外壳、内外壳之间的保温材料及相关真空管密封圈组成。内胆由于长期和水接触，所以要求材料耐腐蚀性能良好，便于加工，且具有良好的卫生性能。大型企业一般用05O6mm厚的不锈钢板材作为内胆材料，但为了降低制造成本，提高其经济性，现在许多企业降低不锈钢板材的厚度，采用
4、03O4mm厚板材，内胆采用滚筋技术提高内胆强度，达到降低成本的目的。1.2.2真空管管数 由于真空管内径很小，国内一般通用为37毫米，这就决定了它对太阳垂直截面即接受太阳辐射面的面积很小。以真空管作为核心集热元件的太阳能热水器，要保证对太阳辐射有足够的接收面积，以保证吸收足够多的太阳辐射，必须使用一定数量的真空管。现在市场上的太阳能热水器真空管数量一般从12开始以2的倍数增加到24只管。出于安装和降低成本考虑，组成集热器的真空管并非紧密排列，相邻两管之间有一定的间隙。1.2.3反射板材料及其形状由于太阳能热水器相邻两根全玻璃真空集热管之间有一定的间隙，所以就有一部分辐射从这间隙透过而损失掉。
5、为尽可能多的利用太阳辐射，充分利用透过相邻两真空管间空隙的阳光，提高太阳能热效率，在真空管的背面应该增加反射板，将该部分太阳辐射反射到真空管上加以利用。在通常情况下的反射板有平板形、V形、圆弧形、复合抛物线(CPC)形，采用的材料根据作用有漫反射材料和镜反射材料。反射板材料及其形状的选择涉及包括经济成本、化学知识在内的多方面因素，但很多并不是我们所关心的，故下面仅以平板形为例简要说明。 如图(a)所示，在光线垂直入射时，如果选择的反射板是以镜反射为主的反射材料，那么，大多数光线会沿入射方向返回，不能被集热管上背向太阳的吸收涂层吸收，浪费了这一大部分能量；而如图(b)中所示，如果平面反射板是以漫
6、反射为主的反射材料作为真空集热管背面的反射板，那么通过反射板的漫反射作用，就会有绝大部分光线被反射到集热管背向太阳的一面，虽然有镜反射的损失，但是这一部分损失通过选用漫反射率较高的反射材料来减低，这无形中就充分利用了真空集热管作为圆柱形吸收表面的优势，从而达到减少真空集热管用量，降低成本的目的。通过有关公式和实验结果的验证计算，集热管的前面与背部接收辐射能的比值为2.3 ：1，即集热管的前部接收到的太阳辐射能量占真空管所接收到的太阳辐射能量总数的70，而集热管背部能够接收到的太阳辐射能量占真空管所接收到的太阳辐射能量总数的30左右。可以说，反射板的作用是明显的。另附：V形反射板、圆形反射板、复
7、合抛物线形（CPC）反射板反射光线示意图(1) V形反射板(2) 圆形反射板(3) 复合抛物线形（CPC）反射板复合抛物线形反射器也就是现在所说的CPC，它是一种非成像低聚焦度的聚光器，它是根据边缘光线原理设计的，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。由于它有较大的接收角，所以在运行时不需要连续跟踪太阳，只须根据接收角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可以有效的工作。它的聚光比在10以内，当聚光比在2以下时可做成固定式装置。CPC复合抛物线形反射器可接收直射太阳辐射和部分散射辐射，并能接收一般跟踪聚光器所不能接收的“太阳周围辐射”。所以它的反射效率在所有的反
8、射板中是效率最高的。但是由于此类集热器的加工比较困难，对聚光面材料的光洁度要求较为严格，价格较为昂贵，所以在太阳能集热器上的应用并没有得到较大的推广，但这是一个值得研究的发展方向。1.3工作流程当阳光照射到充满水的集热器时,水被加热,温度升高,它的比重比贮水箱中的比重小,形成了热虹吸压头,使被加热了的水进人贮水箱的上部,与此同时，贮水箱中较冷的水因密度较大,便经循环管流人集热器的底部。这样,水就在系统中不断循环流动,贮水箱里的水的温度逐渐提高,经过一定时间以后,即成热水。1.4本节小结简而言之，真空管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成，换热原理为自然对流换热。2 影响真空管式太阳
9、能热水器热效率的主要因素包括反射板材料及形状在内，影响真空管式太阳能热水器热效率的因素有很多，现在只对我们感兴趣的部分太阳能热水器倾角及朝向进行分析说明。2.1基本概念在进入主题之前先了弄清几个基本概念，这是以后分析说明的基础。2.1.1太阳能辐射量太阳发射出来的总辐射能量为3751026瓦，其中只有22亿分之一到达地球，而到达地球范围的辐射能量为1731014kw，其中被大气吸收的能量为401013kw，约占到达地球范围内辐射总量的23，被大气分子和尘埃反射回宇宙的能量为521013kw，约占到达地球范围内辐射总量的30，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为811013kw，约占到达地球
10、范围内辐射总量的47，而到达地球表面的这些能量中，仅仅有17x1013kw分配到陆地表面，约占到达地球范围内辐射总量的10。这171013kw能量相当于全世界一年内消耗的各种能源产生的总能量的35000倍。在陆地接受的这部分太阳辐射能中，被植物吸收的仅占O015，被人们作为食物和燃料的也只有0002，所以利用的比重微乎其微。2.1.2太阳角图2-1太阳角在计算进入太阳能集热器辐射能量时，必须知道当地的纬度、太阳赤纬角和太阳时角。如图所示，天顶轴是通过南北轴和东西轴交点的水平面上的直线。考虑通过这一坐标原点的一条太阳光线，这条光线与天顶轴的夹角叫做天顶角。那么太阳高度角即太阳光线与水平面的夹角就
11、是。含有天顶轴和太阳光线(通过原点)的平面与水平面垂直。该平面与水平面的交线与朝南坐标轴的夹角就是太阳方位角。通过地轴的平面是经度面，与地轴垂直的平面是纬度面。含有天顶轴的经度面和含有太阳光线的经度面与纬度平面交线之间的夹角称为太阳时角，该角每小时变化15度。以当地太阳时问正中午即太阳升到天空的最高点为0度，太阳正午之前为正度数，太阳正午之后为负度数。赤纬角是投射到地球上某一点的太阳光线与地球赤道平面的夹角。如果知道当地的纬度、太阳赤纬角和时角,根据前面图中所示，就可以用下式计算天顶角：(2-1)2.1.3热效率热效率是目前评价太阳热水器热性能的重要指标，它定义为规定的气候条件下，一天内总有效
12、得热与斜面上累计的日曝辐量之比，即(2-2)其中在国标GBT12915中规定的测试条件除日照、环境温度及风速之外，对测试时每平方米采光面积对应的水量，至规定应不大于100kg，即MAc100。但是，在实际的测试过程中，发现对MAc(称VAR)即单位采光面积对应的水箱容水量是十分敏感的。大量实验证明，随着VAR的增大，热水器的热效率也在逐步增大。这是因为在相同的采光面积下，水箱容水量越大，相对高温的水进入水箱时与质量较多的冷水进行热交换，热交换比较彻底，热损失就小，热效率就高。反之，热效率就低。但是作为的热水器更为注重的温度温升参数AT，即Te-Ts却下降很快。其次必须考虑日照强度对平均日效率的
13、影响。测试标准规定太阳能热水器采光面积上全天的累计太阳辐照量应大于17000KJm2d，这相当于正午时太阳辐照度为800Wm2左右的晴天。那么，日照再强(或弱)对太阳能热水器平均日平均效率值有无影响呢?不少人对此有疑虑。实验研究表明，当自然循环的管道阻力不大时，日照对日效率的影响是微弱的。上述结论的理论解释是：当热水器的管道阻力不大时，水箱中的不停的与真空管中的水进行循环，当日照强时，水箱中水温起始时提高较快，但随着水温的提高，瞬时效率又下降了，于是水温提高速度降低，导致最终日效率结果差不多。2.2真空管倾斜角度对太阳能热水器热效率的影响2.2.1真空管倾斜角度对太阳能热水器吸热面积的影响从公
14、式(2-2)中看出，当确定了固定的VAR后，公式(2-2)可以转化为下列形式：(2-3)由于对于固定的介质来说比热容Cp是固定不变的，假如曝辐量H也是固定不变的，那么提高的唯一途径是提高温升。提高的途径是加强集热器吸收太阳辐射能量的能力。由于H是太阳集热器斜面上的曝辐量，所以太阳集热器的安装倾角即真空管的倾斜角度就决定了太阳能热水器吸收太阳垂直辐射能量的能力。太阳集热器吸热形式如图所示图2-2太阳光线入射集热器示意图太阳天顶角为、高度角为、真空管倾斜角度为的集热器拦截到的有效辐射为(2-4)如果让Hv得到最大值。由2-4式可以看出，其前提条件是：(2-5)所以，当入射光线垂直于集热器平面时，集
15、热器才能获得最大有效太阳辐射能量。由图2-2可以看出当太阳高度角不变时，随着真空管倾斜角度为的增大集热器拦截到的有效辐射就越大。当时达到峰值，当时，随着真空管倾斜角度的增大，集热器拦截到的有效辐射就越小，集热器吸收到的太阳辐射就越少，直接导致热水器热效率的下降。太阳时正中午时集热器能够获得热辐射能力最大，所以，应该将太阳能热水器面向正南安装，且使集热器与入射光线垂直，即,此时，由于太阳时为正中午，则，所以公式2-1可以简化为：(2-6)进一步整理得：(2-7)又由于，结合(2-5)、(2-7)式能够得到：倾角(2-8)由以上计算式可以看出，真空管的倾斜角度应该与入射光线垂直才能得到最大日辐射量
16、。但是，即使在同一纬度上，每天太阳的高度角、赤纬角也不相同，只有真空管的倾斜角度与当地纬度和赤纬角之差的绝对值接近时，才能获得较多的太阳辐射，从而提高热水器热效率。2.2.2真空管倾斜角度对太阳能热水器自然对流的影响由于流体质点宏观运动引起的热传递称为热对流。自然对流传热指的是由于流体各部分温度不同，而导致流体各部分密度有所差异。此时，密度小的流体上升，而密度大的流体则下降，流动的原因是流体的密度差产生升浮力。家用太阳能热水器主要热交换方式就是自然对流传热：真空管集热器吸收太阳辐射能量加热真空管中的水，真空管中水受热膨胀，密度变小而产生升浮力而上升，水箱中的水由于密度大依靠自重而下降，形成自然
17、对流加热水箱中的水。全玻璃真空集热管作为一种太阳能高效集热元件，其内管中的在热流体是一个非均匀加热条件下的复杂的三维瞬态热对流问题。下面将具体分析这种热对流对太阳能热效率的影响进行论证。倾斜放置于水箱中的真空集热管，吸收来自太阳辐射的能量，传给内部载体水，使水由于温度上升膨胀而密度变小产生升浮力。当一定时间管内形成稳定的对流后，对于大部分倾角下，圆管内的介质流动表现为两层的轴向上升流和下降流，以及圆截面上环形上升流和中心下降流。但当倾角接近90度时，则轴向双层流动变为环形双层流动，同时圆截面上的流动大大减弱。在管内，轴向流动以强上升流和弱下降流为特征，并且随轴向向上而强度递增，直至临近顶部开口
18、。而圆截面流动以幅面流和中心下降流为特征，随轴向向上而递减，在开口处附近又达到最大。这是因为管箱交接处轴向流受拟制而减弱，圆截面流动得到强化并达到最高水平。因管内流动诱导的箱内流动比较复杂，热的强上升流沿较高的壁面流动，驱动较冷的箱内流体以较小的速度流向真空管内。对于不同的倾角下真空管内的自然对流，从20度到75度，随倾角加大，轴一箱流动加强。圆截面内流动减弱，由管向箱的对流传热加强，流型不发生本质变化。但到90度时流型变化明显，管内轴向流贴近壁面发展，出现了环形上升流和中心下降流。这使得速度梯度增大，反而使得对流换热恶化，热水器整体热效率下降。图2-3不同倾角下管一箱轴向(真空管方向)上平均
19、温度分布试验方法是将不同位置分布有温度传感器的长度为1600毫米的不锈钢管插入相同型号的具有不同真空管倾斜角度太阳能热水器的真空管中，段时间后水箱与真空管的热对流达到稳定状态后观测各点的温度。从图中可以看出，管内水温普遍高于水箱中水温，这为对流传热提供了推动力。而两者温差的大小则反映了系统传热能力的高低。两者之间的温差小，说明热传递速度快，对流传热热效率高，整体热性能好。反之，两者之问温差大，说明系统传热能力低，对流传热效果差，整体系统热效率低。事实上，温差与系统轴向流动的强弱一一对应，流动性弱则温差大，否则温差小，系统热效率高。从图3-4中明显看出，随着真空管倾斜角度的增大，热水器换热能力明
20、显提高，但到90度左右时由于换热环境恶化，换热能力反而下降，导致热效率下降。2.2.3真空管倾斜角度对太阳能热水器热效率的综合影响在太阳能热水器实际工作情况下，真空管倾角对系统的影响并不是单纯的影响系统的自然对流或者拦截垂直光线的能力，对两者的影响是同时并且相互制约的。在同一地区，随着真空管倾斜角度的增大，热对流速度增大，但是作为拦截垂直阳光的能力却不一样。根据当地纬度和不同季节不同时间当地赤纬角的不同，真空管集热器自身拦截垂直阳光的能力与其倾角成一定的三角函数关系，可能随着真空管倾斜角度的增大而增大，也可能随着真空管倾斜角度的增大而减小。所以在真空管倾斜角度的选择上，既要照顾到当地的地理纬度
21、中，也要照顾到系统自身的自然对流传热效率。只有二者有机地结合起来，才能使热水器得到一个较高的热效率。2.2.4本节小结(1) 真空管以一定倾斜角度安装，使真空管与正午光线垂直，这样接收辐射效果最好，但是该角度与当地的纬度和当时的赤纬角密切相关。(2) 随着真空管管倾斜角度的增大，热水器系统中水的自然对流效果加强，但到90度左右突然恶化。(3) 合各种因素，选择合适的真空管倾斜角度的基本原则是：必须结合当地的实际情况，高纬度地区因为处于寒带地区，应优先考虑夏季用水，冬季考虑电辅助加热，所以可以选用倾斜角度较大的热水器，左右；中纬度地区基本可以考虑全年使用性能，应使真空管管倾斜角度应该与当地的纬度
22、接近，的低倾角热水器。低纬度地区由于属于热带气候，热水器使用应该有先考虑冬季使用性能，真空管倾斜角度应该选择大于当地10度左右的角度，考虑到自然对流，左右比较合适。2.3方向角对太阳能热水器热效率的影响这个没有具体公式，但是可以通过大量的实验数据总结出规律倾斜面上天文辐射日总量的计算公式为(2-9)其中 利用上式对北纬各坡面、坡度夏半年、冬半年及全年的天文辐射总量进行计算和分析,得出下列结论：(1) 夏半年在赤道附近的低纬度,北坡天文辐射量最大,南坡最小。同时,北坡辐射量随坡度变化较小,且当坡度在时,辐射量随着坡度增大而增加。因此,在范围内,倾斜面上要想获得最大天文辐射量,应以北向坡为最佳朝向
23、。(2)夏半年在北回归线附近,以东坡或者西坡的天文辐射量为最大,北坡辐射量最小,从此向较高纬度,天文辐射量最大的坡向,由偏南坡逐渐转至南坡,天文辐射量最小坡向仍为北坡。因此,夏半年北回归线附近及以北纬度,倾斜面上要想获得最大天文辐射量应以南向坡为最佳朝向。(3) 冬半年不论哪一纬度,都以南向坡的天文辐射量为最大。而且,随着坡度增加而增大（在一定的坡度范围内）,纬度越高,增大的越明显。因此,冬半年倾斜面上要想获得最大天文辐射量应以南向坡为最佳朝向。(4) 天文辐射年总量除赤道附近以东向坡或西向坡为最大外,其余所有纬度均以南向坡为最大,而且,随着坡度增加而增大（在一定坡度范围内）。因此,对北半球大多数纬度来说,倾斜面上要想获得最大天文辐射量应以南向坡为最佳朝向。3 南京春分、秋分、夏至、冬至四天中的最优值最佳倾角计算公式为（2-8）南京春分、秋分、夏至、冬至四天中倾角与朝向的最优值太阳赤纬角最优倾角最佳朝向春分00003204正南夏至23270838正南秋分00003204正南冬至-23275530正南4 南京夏天热水用不完，冬天热水不够用时的最优值已知一年中春分、夏至、秋分、冬至四天的太阳赤纬角分别为0、+2326、0、-2326，则可以认为全年太阳赤纬角的平均值，则由最佳倾角计算公式（2-8）可以得到全年均适用的相对较优越的倾角，而，即正南。
