一种新型槽式太阳能集热器及其在采暖系统的应用研究

中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文编号：081115一种新型槽式太阳能集热器及其在采暖系统的应用研究谢果，郑宏飞，何开岩，薛晓迪，陶涛（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京，100081）（Tel.[phone];Email:[e-mail]）摘要：设计了一种新型的槽式高温太阳能集热器，对一组2m2的实验性集热器进行了测试，证明其集热效率可以达到43%左右，而且其效率随运行温度的升高降低比较缓慢。提出了一个利用本新型的槽式高温太阳能集热器供热，利用中高温固-固相变材料储热的建筑采暖系统。对系统的相关参数进行了设计计算，指出此类太阳能采暖系统是可行的，甚至可以利用风机盘管系统为用户供热。关键词：太阳能；新型槽式集热器；太阳能采暖1.引言在现有的太阳能供热系统中存在很多的弊端，使得太阳能供热尤其是太阳能集中供热的推广使用受到了限制。存在的弊端主要有[1]：1）太阳能集热装置在较高温度下运行就会使集热器效率迅速降低，这样为了获得足够的太阳能必须匹配很大面积的太阳能集热器。2）由于传统太阳能集热装置的出水温度达不到常用供热系统的供水温度，所以末端采暖系统为适应低位能的使用只能采取地板供暖的方式，限制了太阳能供热系统的使用范围。3）低温集热因为达不到相变需要温度，很多相变焓很大的固—固相变蓄热材料不能被利用，不利于长期蓄热。本文提出一种新型太阳能供热系统，并着重研究了太阳能集热装置。设计出一种新型槽式太阳能聚光集热器。该装置能在高温下运行并且效率降低很慢，配合固—固相变材料蓄热，即可以跨季节蓄热。解决了现有太阳能供热系统受当天太阳辐射情况影响极大的问题，又可以扩大供热系统末端的使用类型。2.新型太阳能供暖系统的设计思路本文提出的新型太阳能采暖系统运行原理见图1。太阳光能经由新型槽式太阳能集热装置1转化为热能，管路中运行的传热工质为导热油。循环油泵3将高温导热油传送到地下高温储热器中，高温导热油将热量传递给存储器的储能材料进行存储。高温储热器中采用相变焓很大的固—固相变醇类物质作为储能材料[2]。高温储热器置于地下，土壤是一种很好的保温材料，可以有效减少高温储热器的散热量。采暖末端即可以采用常用的热水供热系统也可以采用风机盘管系统。此种采暖方式对老旧建筑尤其具有积极意基金项目：国家自然科学基金项目（50576004）；国家高技术发展计划（863）项目（2007AA05Z433）义，在原有供热系统老化的情况下采用风机盘管系统对原有建筑的破坏性最小。不仅如此，本系统的集热和储热温度均高于100℃，因此在非采暖季节还可以为用户提供生活热水甚至开水，并且经过改造还可以为用户提供炊事用能。3.新型槽式太阳能集热器的设计[3]本新型槽式太阳能集热器横截面如图2所示，其聚光面的设计及光路原理示于图3。图中两条抛物线AD、BC的方程分别为2)(21lxpy−=和2)(21lxpy+=，和分别是它们的焦点，1F2Fp为焦参数，l为焦点与轴的水平距离。用平行于yx轴的直线AB去截两条抛物线，此时线段AB必须同时满足两个条件：（ⅰ）线段AB必须在焦点和的上方,即1F2F2pyyBA=,这样平行于轴的所有的平行光经由BC段抛物面的反射后才会会聚于点。（ⅱ）AB的长度正好为两抛物线焦点距离的一半，即yFlFFAB==221。这样点是点关于平面镜AE的像，并且恰好在装置的对称轴上。同理，由抛物线段AD反射的光，在BG的反射作用下也会聚于点上。所以点就是整个组合抛物面聚光器的焦点。F1FFF34215图1新型槽式太阳能集热器集热-储热采暖系统1、新型太阳能集热系统；2、高温储热器；3、循环油泵；4、负载房间；5、暖风机。此种结构的槽式太阳能聚光器，两条抛物线焦点转移到聚光凹面的外侧，在聚光凹面的内侧没有任何遮光的物体，所有的支撑架和接收装置都安装在聚光凹面的外侧，所以对聚集到的太阳能的处理更加方便灵活，比如可以方便的进行绝热保温处理，可以很方便地进行导光、传光处理等。安装了太阳光接收管的新型槽式集热器的部件组成见图4.4．新型槽式聚光集热器的实验测试实验装置的实物照片如图5所示。它主要由新型槽式反射聚光面、二次反射平面镜、槽底抛物面聚光器和高温太阳能接收器构成。结构参数的具体取值如下：（1）抛物线方程，焦距yx42=1=f（2）取平移距离，即25.4=l25.421==lFF（3）B点的坐标：1875.343==lxB；54004.21875.3414122=×==BBxy（4）A点的坐标：0625.141==lxA；54004.2==BAyy（5）直线F1A的方程：00625.1154004.201−−=−−xy即144945.1+=xy（6）直线F1A的与抛物线的交点D的坐标：⎪⎩⎪⎨⎧=+=241144945.1xyxy求得，42078.6=Dx30660.10=Dy图2聚光器的剖面及聚光原理图ABCDEGOF1F2yxFN12ll2ABCDEGOF1F2yx图3组合曲面聚光器设计原理图2145673891—反射聚光面；2—二次反射平面镜；3—槽底抛物面聚光器；4—入射光线；5—对称轴；6—最大聚光半宽度；7—透明隔热玻璃管；8—高温太阳能接收器；9—连接法兰。图4新型槽式集热器具体到实验装置，其开口宽度为1.0m，长度为1.88m，底槽宽度为0.28m。真空接收管选用高温太阳能集热管，其选择性吸收涂层的最佳工作温度在250~300℃，长度为1.88m。由于单根接收管很难将工质加热到高温，在此只测量其对太阳光的接收效率及效率随运行温度的变化关系。实验中，采用自来水作为受热工质，水箱储水70kg。典型天气条件下的实测数据如图6和7所示。可见，在相对晴好的天气条件下，水箱内水温可达到约70℃，而且基本上是成线性增加的。图中的温度波动点是由于有一小段时间无太阳，循环泵停止运行所致。据此，可计算系统的瞬时效率。效率计算公式：图5实验装置的实物照片AHQu=η这里，Qu为集热器实际获得的有用能量；A为集热器的集热面积；H为太阳辐射进入装置的能量。系统的归一化温差定义为：HttTai−=其中，T为以集热器进口温度为参考的归一化温差，WKm/)(2⋅；为集热器进口温度，℃；为集热器出口温度，℃。经计算，实验给出了系统效率随归一化温差的关系如图8。itat图65月12日太阳辐射强度随时间的变02004006008001000120010:0010:2510:5011:1511:4012:0512:3012:5513:2013:4514:1014:3515:0015:2515:5016:1516:4017:05当地时间太阳辐射W/m20.020.040.060.080.0100.010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00当地时间水箱温度图7水箱中水温随时间的变0.000.100.200.300.400.500.600.000.010.020.030.040.050.060.070.08归一化温差集热效率图8效率与归一化温差的关系曲线由图8可见，系统的效率随归一化温差的增加下降很缓慢，说明它与平板集热器和全玻璃真空管集热器相比在这方面具有显著优势[4]。5.新型供热系统应用实例计算假设利用本新型槽式太阳能集热器为一栋四层别墅冬季采暖。设建筑面积400，耗热量指标取30。室外计算温度为－5℃，平均日照时数8小时，太阳能日平均辐射强度700。假定太阳能集热器效率为45％。2m2/mW2/mW（1）集热面积计算估算得整栋别墅的采暖热负荷：kWQ1240030=×=′；每集热器收集到的有用能：2mdmkWhqu⋅=××=2/52.245.08700则所需太阳能集热器面积：23.11452.22412mqQAu=×=′=（2）储热器热容量计算采暖季往往是太阳辐射处于不利情况，不是每天都有足够的太阳辐射，此时，储能器存储的热量对于房屋采暖至关重要。假定采暖期为120天，最多连续5天阴天，则储能器存储的能量应能供5天采暖使用。据此，估算储热器热容量为hkWQC⋅=××=144052412（3）储热材料需求量采用多元醇类固-固相变储热材料作为储热工质，其储能密度为192kJ/kg,则储热材料的需求量为：kgm2700019236001440=×=多元醇类固-固相变储热材料的市售价格约为8元/㎏，则储热材料成本为21.6万元（4）储热器容积多元醇类固-固相变储热材料（颗粒）的质量密度为：，则储热器所需容积为：3/1900mkg=ρ32.14mmV==ρ为此，可设计储热器容积为：3625.155.25.25.2mmmm=××6．结论本温提出的新型槽式高温太阳能集热器，具有集热温度高和集热效率高等优点，其集热效率可以达到43%左右，而且其效率随运行温度的升高降低比较缓慢，可以使集热温度达到150℃以上（本实验槽式集热器的聚光比大于20）。提出的利用本新型的槽式高温太阳能集热器供热，利用中高温固-固相变材料储热的建筑采暖系统具有供热温度高，可以与常规采暖系统的暖气片配合使用，也可以采暖风机盘管系统直接为用户提供热风。改变了传统太阳能采暖系统只能采用地板辐射采暖的模式，具有良好的应用前景。设计计算表明，对于400m2建筑面积的别墅，需配备114.3m2集热器、15.6m2容量的储热器，以及27000kg的储热材料，可保证连续5天阴天时为建筑正常供暖。参考文献：[1]王曦、李春梅、范军，太阳能地板采暖系统，农业工程学报，2006.10，第22卷增刊1[2]郑宏飞，陶涛，何开岩，薛晓迪.光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳炉的性能研究[J].太阳能学报，2008，（已接收）。[3]郑宏飞，何开岩，陶涛等.反射式顺向聚焦整体跟踪式高温太阳能集热装置[J],太阳能学报，2008，（已接收）。[4]殷志强编著，全玻璃真空太阳集热管，北京：科学出版社，1998.一种新型槽式太阳能集热器及其在采暖系统的应用研究作者：谢果，郑宏飞，何开岩，薛晓迪，陶涛作者单位：北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081本文读者也读过(5条)1.程泽东.何雅玲.肖杰.陶于兵槽式太阳能集热器集热性能分析(B)：吸收管内换热特性研究[会议论文]-20082.高志超.隋军.刘启斌.赵芫桦.宿建峰.李和平.金红光槽式太阳能集热器性能模拟分析[会议论文]-20093.沈钧昌.余先进.吴汉江.孙邦彦.戴志国.丁开明.张展发展安庆太阳能热发电产业[会议论文]-20084.李辉鹏.张仁元.陈枭.刘宗建.LiHui-peng.ZhangRen-yuan.ChenXiao.LiuZong-jian盛装储热铝硅共晶合金的容器材料研究[期刊论文]-广东工业大学学报2009,26(2)5.陶于兵.何雅玲槽式太阳能集热器内耦合换热特性研究[会议论文]-2008本文链接：