太阳能集热器的结构与数学模型(1)

一种新型太阳能空气集热器的数值模型摘要：据文献资料表明，对空气集热器的数值研究途径有两种，一种是利用CFD模拟的微观方法，这种方法的优点是可以详细分析各个面温度，压力和流速分布等。

还有一种是从宏观上来建立集热器的能量平衡方程，这种方法的好处是可以方便分析各个因素对集热器性能的影响。

本文拟从宏观上建立一种新型太阳能空气集热器（TTC）的数值模型，并分析各因素如何影响TTC集热性能。

关键词：空气集热器，能量平衡，数值模型1 TTC计算模型在建筑外表面涂上选择性涂层（集热部件），并在墙体外表面一定距离安装上带孔的聚碳酸酯板（PC板），PC板与建筑外表面之间形成一个空腔，空腔的四周用绝热材料闭合为一个箱体，风机安装在箱体的上部提供动力用于克服空气流动的阻力损失。

TTC的工作原理是，绝大部分的太阳光经PC板透射落在建筑表面的涂层上并使其温度升高，而剩下的太阳光被PC板吸收或者反射到环境中。

室外空气在风机产生的负压作用下持续经过PC板和集热涂层，从而使其被加热，最后通过送风系统送入室内，达到采暖通风的目的。

2模型假设（1）假设透明PC板和集热涂层的表面温度是均匀的。

（2）假设空气通过PC板小孔渗流是各向同性的，没有回流。

实际上，空腔中的气流分布是否产生各向异性由自然对流和强迫对流相对强弱决定。

（3）假设TTC涂层表面为漫-灰表面，即波长和方向不会影响表面辐射性质。

（4）假设PC板、集热涂层和外墙是一维稳态的传热过程。

（5）PC板小孔形状以当量直径为D、间距为P表示，小孔呈四边形排列。

3 TTC数学模型的建立图1 TTC能量流动示意图图1表示TTC的能量流动示意图。

太阳能穿过PC板输入系统加热空气，整个系统的热损失主要由PC板与环境的对流损失和辐射损失组成。

能量平衡方程主要包括三部分，即PC板、空腔和集热涂层及墙，此外还应考虑太阳能的辐射输入、对流热损失和辐射热损失。

（1）板能量平衡方程设PC板各处温度均为，则可列出PC板的稳态平衡方程：(1)其中，，孔隙率，表示PC板除去小孔的净面积。

太阳能热水器的组成及工作原理2.1 系统总体结构设计图2-1系统结构图图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2：T3T2图2-2 系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。

1.早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。

为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。

当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。

2.循环水集热过程早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。

具体控制过程如下：打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。

然后开始比较温度，若（T31>5摄氏度，T2>T1）为止。

如若T1，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。

3.冷水集热控制此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。

具体控制过程如下：关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。

若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3<N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。

太阳能集热器热性能分析摘要：本文介绍了太阳能集热器的种类以与各自的特点。

同时，阐述了太阳能集热器热性能的理论，包括影响太阳能集热器热性能的因素、太阳能集热器热性能的测试方法等。

关键字：太阳能集热器、热性能测试、影响因素0引言随着能源的大量消耗和环境的急剧破坏，新能源技术已经成为21世纪世界经济开展中具有决定性影响的五个技术领域之一。

太阳能因为具有取之不尽、用之不竭、无环境污染等诸多优点而受到各国重视。

2011年，我国太阳能集热器生产量占世界产量的80%，占世界保有量的60%左右，说明我国已经成为太阳能利用大国。

太阳能集热器是将其接收的太阳辐射能向传热工质传递热能的装置，因此，太阳能集热器是太阳能利用的关键装置。

所以，太阳能集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效应用至关重要。

1太阳能集热器的种类随着太阳能利用的大力开展，太阳能集热器的种类也越发多样化。

根据进入采光口的太阳辐射方向是否改变，分为聚光型集热器、非聚光型集热器；根据集热器的传热工质类型的不同，分为液体型集热器、空气型集热器；根据集热器是否跟踪太阳，分为跟踪集热器、非跟踪集热器；根据集热器是否有真空空间，分为平板型集热器、真空管型集热器；根据集热器的工作温度围的不同，分为高温集热器〔300℃～800℃〕、中温集热器〔80℃～250℃〕、低温集热器〔40℃～80℃〕。

其中，太阳能热利用产品最常见的有两种--平板型太阳能集热器与真空管型太阳能集热器。

1.1 平板型太阳能集热器与其特点平板型太阳能集热器[1]的典型结构如图１所示，主要包括透明盖板、吸热板芯、流体流道、隔热层和箱体等局部.图1 平板型太阳能集热器典型结构透过透明盖板照射到吸热板外表，吸热板吸收大局部太阳辐射能，将其转化为热能，并将热能传递给流道的传热介质，传热介质携带热能进入储热设备。

这样，传热工质被加热后，温度逐渐升高，作为集热器的有用热能输出。

同时，由于吸热体的温度升高，通过透明盖板和外壳向周围环境散失热量，造成了平板型太阳集热器的各种热损失。

平板太阳能集热器结构及选材特点分析平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。

平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。

用平板型太阳能集热器部件组成的热水器即平板太阳能热水器。

平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成(如图1)。

图1平板型集热器结构示意图当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。

一、吸热板吸热板是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件，其基本上是平板形状。

1.吸热板的结构形式在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管和集管。

排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件;集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。

吸热板的材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。

吸热板有如下主要结构形式(如图2)。

图2吸热板结构形式示意图(1)管板式。

管板式吸热板是将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带(如图2a)，然后再与上下集管焊接成吸热板。

这是目前国内外使用比较普遍的吸热板结构类型。

(2)翼管式。

翼管式吸热板是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带(如图2b)，然后再与上下集管焊接成吸热板。

吸热板材料一般采用铝合金。

翼管式吸热板的优点：热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻;耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。

缺点：水质不易保证，铝合金会被腐蚀;材料用量大，工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度;动态特性差，吸热板有较大的热容量。

(3)扁盒式。

扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板(如图2c)，吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。

通常，流体通道之间采用点焊工艺，吸热板四周采用滚焊工艺。

太阳能集热器的结构与数学模型1.集热器：太阳能集热器的集热器是最关键的部分，它用于吸收太阳能并将其转化为热能。

集热器一般采用具有较高吸收率和较低辐射率的材料，如黑色吸热涂料或有光吸收涂层的镀膜玻璃。

集热器的形状可以是平板、管式或反射式等不同形式。

2.传热管：传热管位于集热器内部，用于将集热器吸收的热能传导给水。

传热管一般采用铜或铝等导热性能较好的材料制作，通过与水接触，将热能传递给水，使其升温。

3.水箱：水箱是太阳能集热器的储热部分，它用于存储通过传热管传递过来的热水。

水箱一般由具有良好绝热性能的材料制成，以减少热量损失。

同时，水箱内还设置有热水进出口和温度传感器等部件，用于控制热水的流动和温度。

4.支架：支架是太阳能集热器的支撑结构，用于将集热器安装在合适的位置上，以最大程度地接收太阳辐射。

支架通常采用金属材料制作，具有一定的倾斜角度，以便于集热器的调节和定位。

1.热收益模型：热收益模型用于描述太阳能集热器的热收益情况。

该模型通常基于太阳辐射强度、集热器的吸收率、集热面积和环境温度等参数，通过数学公式计算出集热器的热收益、能量转化效率等指标。

这有助于评估太阳能集热器的热效应以及其在不同条件下的产热能力。

2.能量平衡模型：能量平衡模型用于描述太阳能集热器内部的能量传递和热平衡状态。

该模型通常基于热传导、对流、辐射等热传导方式，通过建立能量守恒方程和热传导方程，计算出集热器内部各部分的温度分布和热量传递过程。

这有助于优化太阳能集热器的结构设计和改进传热效果。

综上所述，太阳能集热器的结构包括集热器、传热管、水箱和支架等部分。

通过合理的结构设计和制造工艺，太阳能集热器能够高效地吸收太阳能并将其转化为热能。

同时，太阳能集热器的数学模型可以描述其工作原理和热效应，有助于评估和改进集热器的性能。

槽式太阳能聚光集热器传热数学模型研究王修彦;韩露【摘要】为了计算分析槽式太阳能集热器的传热特性,将金属吸热管表面的热流密度不均匀特性考虑在内,建立了一种传热数学模型;该模型将金属吸热管管壁所能接受到的热流密度简化为矩形分布,考虑了管壁的周向和径向导热.本文以Dudley的试验数据为依据对其进行计算验证,同时也进行了不均匀热流边界条件下槽式太阳能吸热管的管内流动模拟研究.计算结果和模拟结果都与文献提供的数据有较好的吻合度,集热器出口流体温度和效率与试验数据的最大相对误差分别为0.91％和4.79％.该传热数学模型可用于槽式太阳能集热器传热热性的计算分析.%In orderto calculate and analyze the heat transfer characteristics of parabolic trough solar collector (PTC),this paper established a heat transfer mathematical model with the circumferentially non-uniform heat flux boundary condition.The model putted the heat flux of absorber simplified to the rectangular distribution and considered circumferential and radial heat conduction of tube wall.The work is based on the experimental dateof Dudley and the reasonability is verified.This paper presented numerical studies of the turbulent heat transfer in solar thermal absorber.PTC outlet fluid temperature and thermal efficiency are calculated and simulated by using the mathematical model,and compared with the experimental dateof Dudley,and the results show that the maximum deviation are about 0.91％and 4.79％ respectively.The heat transfer mathematical model can be used for the calculation and analysis of【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2017(035)002【总页数】5页(P103-107)【关键词】槽式太阳能集热器;非均匀热流密度;传热数学模型;FLUENT模拟;传热特性【作者】王修彦;韩露【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TK513.1槽式太阳能热发电是能源领域中的一项重要技术，通过抛物型聚光反射器将太阳光聚焦到位于焦线的集热器金属吸热管表面加热管内工质，管内工质将水加热为过热蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电，最终实现光电转换。

平板型太阳能集热器基本结构平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本器件，也一直是世界太阳能市场的主导产品平板型集热器已经广泛应用于生活用水加热、潜泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等好些个范畴用平板型太阳能集热器器件构成的热水器即平板太阳热水器平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层以及外壳等几部分构成。

当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿行透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热能传递给吸热板内的导热工质，使导热工质的温度升高，作为集热器的有效能量输出 。

吸热板吸热板是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向导热工质传递热能的器件，其基本上是平板形状 。

1.吸热板的结构形式在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管以及集管排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的器件；集管是指吸热板上下两端，横向毗连若干根排管，并构成流体通道的器件，吸热板的材料种类许多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等 。

⑴管板式管板式吸热板是将排管与平板以肯定是的结合方式毗连构成吸热条带，然后再与上下集管烧焊成吸热板这是当今国内外使用比较普遍的吸热板结构类型 。

北京市太阳能研究所于1986年从加拿大引进一条具有国际先进水平的铜铝复合太阳条生产线，使我国平板型集热器技术跨上一个新的台阶，该项技术是将一根铜管置于两条铝板之间热碾压在一起，然后再用高压空气将它吹胀成型铜铝复合太阳条的长处：热效率高，热碾压使铜管以及铝板之间达到冶金结合，无结合热阻；水质清洁，太阳条接触水的部分是铜材，不会被腐化；保证质量，全般生产历程使成为事实机械化，使产品位量得以保证；耐压能力强，太阳条是用高压空气吹胀成型的 。

最近几年来，全铜吸热板正在我国慢慢鼓起，它是将铜管以及铜板通过高频烧焊或超声烧焊工艺而毗连在一起全铜吸热板具有铜铝复合太阳条的所有长处：热效率高，无结合热阻；水质清洁，铜管不会被腐化；保证质量，全般生产历程使成为事实机械化；耐压能力强，铜管可以蒙受较高的压力 。

太阳能集热器计算说明一、项目概述服务站位于XXX，供热面积18000m2，供热面积指标为55w。

采暖期为10月15日至次年的4月15日。

图1 得XX太阳能辐射图二、负荷计算面积热指标法：A (1)Q=qF式中Q----------采暖设计热负荷，W;--------采暖设计热指标，W;qfA---------采暖建筑的建筑面积，m2;计算得建筑热负荷为：990kw三、气象参数得XX的日平均辐射量和月平均辐射量可由global solar data网站查询得如表一[1]表1 太阳平均辐射量（kWh/m2）月份1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月平均辐射量122.8 131.1 143.7 126.7 120.1 120.1126.4 121.5 137.3 114.6 77.1 90.7日平均辐射量3.964.37 4.63 4.2 3.87 4 4.07 3.91 4.5 3.69 2.57 2.92图2 月平均辐射量由于真空管太阳能集热器的集热效率在0.85-0.93之间，而平板太阳能集热器的热效率在0.45-0.55之间，所以取平均值太阳能集热器的热效率为0.65-0.74，设置太阳能集热器的热效率为0.7，根据经验取值，太阳能集热器的热损失取0.15,太阳能保证率取0.5,平均日太阳辐射量为3.51kWh，换算单位得平均日太阳能辐射量为12.64MJ，太阳能集热器的面积计算公式如下Ac=(2)式中Ac----------系统集热器总面积，m2;Qh----------建筑物耗热量，W；Jt------------当地集热器采光面上的平均日太阳辐射照量，J/(m2’d)；F------------太阳能保证率，%；N-----------基于总面积的集热器平均集热效率，%；Nl----------管路及贮热装置热损失率，%；四、方案设置4.1方案一:太阳能集热器提供30%的负荷热量此方案负荷热量：297kW据式（2）可计算得到Ac=1706m2,表1 太阳能集热器非采暖季吸收热量得莫利镇非采暖季天数/d非采暖季4.161553163073183193010.1417H(倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射月平均日辐射量/MJ(m2·d))15.12 13.93 14.40 14.65 14.08 16.20 13.28效率/0.7.热损失0.850.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595每平方米太阳能集热器吸收热量134.50 256.94 257.04 270.21 259.70 289.17 134.33每平方米太阳能集热器非采暖季吸收热量(MJ)1601.89设计太阳能1706集热面积太阳能集热器非采暖季吸收热量/GJ27334.2方案一:太阳能集热器提供40%的负荷热量此方案负荷热量：396kW据式（2）可计算得到Ac=2219m2,表2 太阳能集热器非采暖季吸收热量得莫利镇非采暖季天数/d非采暖季4.161553163073183193010.1417H(倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射月平均日辐射量/MJ(m2·d))15.12 13.93 14.40 14.65 14.08 16.20 13.28效率/0.7.热损失0.150.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595每平方米太阳能集热器吸收热量134.50 256.94 257.04 270.21 259.70 289.17 134.33每平方米太阳能集热器非采暖季吸收热量(MJ)1601.89设计太阳能集热面积2274太阳能集热器非采暖季吸收热量/GJ3643。

太阳能集热器的时间常数太阳能集热器的时间常数引言：太阳能是一种清洁、可再生的能源，而太阳能集热器是利用太阳能进行能量转换的关键设备。

在我们的日常生活中，可以看到太阳能集热器广泛应用于热水供应、采暖和发电等领域。

然而，对太阳能集热器性能的评估和优化是确保其高效运行的重要环节之一。

本文将探讨太阳能集热器的时间常数，为读者提供深入了解和灵活应用太阳能集热器的框架和工具。

一、什么是时间常数？时间常数是用来描述系统在收到外界信号后经过多长时间达到稳态的量化指标。

对于太阳能集热器来说，时间常数可以帮助我们了解集热器在不同温度下吸收太阳能的速度和热传递的快慢程度。

在评估太阳能集热器的性能时，时间常数是一个重要的指标，它可以提供关于集热器响应速度和瞬态特性的信息。

二、时间常数与太阳能集热器性能的关系时间常数的大小直接反映了太阳能集热器吸收太阳能的速度和储存热能的能力。

时间常数越小，说明太阳能集热器吸收太阳能的速度越快，能够在短时间内实现稳态；反之，时间常数越大，太阳能集热器吸收太阳能的速度越慢，需要更长的时间才能到达稳态。

三、太阳能集热器时间常数的影响因素1. 集热器的材质和结构：太阳能集热器的材质和结构决定了它对太阳能的吸收能力和热传递特性。

不同材质的集热器具有不同的热导率和传热系数，这会直接影响到时间常数的大小。

2. 外部环境条件：太阳能集热器的周围环境温度、太阳辐射强度等因素也会对时间常数产生影响。

在高温和强太阳辐射条件下，太阳能集热器能够更快速地吸收太阳能和传导热量，时间常数相对较小。

3. 集热器的尺寸和容量：太阳能集热器的尺寸和容量对时间常数也有影响。

一般来说，较大尺寸的太阳能集热器能够吸收更多的太阳能和储存更多的热能，时间常数相对较大。

四、太阳能集热器时间常数的评估方法评估太阳能集热器的时间常数可以采用实验和数值模拟两种方法。

实验方法通过在实际环境中对太阳能集热器进行观测和测试，获得数据后进行分析。

热管式真空管型太阳能集热器一、工作原理热管式集热器由超导热管、铝翼、集热管、联集保温箱、边框等部分组成。

太阳光透过集热管，照射在集热管内管的选择性吸收膜上，膜层将太阳光能转化为热能，热能量通过铝翼传至内置热管上，迅速将热管蒸发段内的工质加热汽化，汽化工质上升至热管冷凝段，从而使冷凝段快速升温，并通过冷凝套管将能量传导、汇集至通过流道管的介质（水、乙二醇等）中；热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段，接受集热管的热量后，再次上升汽化，再次冷凝回流，循环往复工作。

热管式集热器通过热管内工质的汽—液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为系统提供热能。

二、示意图三、产品的八大优势：一、热管式真空管型太阳能集热器兼有平板型集热器、全玻璃真空管型集热器与玻璃金属封接式集热器的优点，是目前技术含量和应用领域都是最高级的：相变单向传热，启动速度快，集热效率高，得热量大，热损失小，输出温度高，承压运行快，结构强度高，抗冻性强等特点，安装维护方便，使用中无漏水隐患，易实现和建筑结合，具备较长的使用寿命，可广泛应用于各种规模和用途的太阳能集热系统中。

二、用热管传输热量，集热管内不走水，不漏水，不冻管，不结垢，热效率稳定，即使在-40℃的气温条件下仍能正常运行，可避免普通太阳能集热器存在的集热管冬天或晚间结冰问题，三、由于重力辅助热管的“热二极管”的作用，相变单向传热，即热量只能从蒸发段向冷凝段传输，能防止晚上或阴天时的倒流散热。

四、热容量小，启动传热迅速，即使在多云间晴的低日照条件下也能迅速启动, 有效收集热量。

所以即使对于日照条件不太高的地区也可有效使用，应用地区很广。

五、由于被加热的工质不直接流入真空管内，所以系统管路可承受较高工作压力（0.6Mpa以上）,承压能力很强。

同时，因管中无水，若一支或几只真空管破损，不会影响整个系统的工作，运行稳定，适用于各类强制循环太阳能集热系统。

六、热管的工质使集热器温度超过工质的临界温度后，热管的传热就停止，不会产生高于蒸发温度或低于冷凝温度的相变温度，热管本身就具有了抗冻防过热的性能，这就彻底解决了其他集热器在无负荷情况下带来的高温问题及在高寒地区的结冰冻裂问题。