太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)課件.ppt

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1、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng),沈陽(yáng)工程學(xué)院 劉莉瑩,第三章 太陽(yáng)集熱器,3.1 概述 3.2 太陽(yáng)能熱利用中的傳熱學(xué)基礎(chǔ) 3.3 太陽(yáng)能集熱器的分類(lèi) 3.4 平板型太陽(yáng)能集熱器 3.5 真空管太陽(yáng)能集熱器,第三章 太陽(yáng)集熱器,3.1 概述,3.1 概述,3.2.1 熱量傳遞的基本方式,熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,3.2 太陽(yáng)能熱利用中的傳熱學(xué),熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,1.熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）Heat conduction,熱傳導(dǎo)的定義,熱傳導(dǎo)的特點(diǎn),可發(fā)生在任何物質(zhì)的任何地點(diǎn),傳熱形式：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒 子的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞

2、微觀過(guò)程，不產(chǎn)生宏觀位移。,溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直 接接觸時(shí)，依靠分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱 運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象,物體內(nèi)部存在溫差，或具有溫差的物體直接接觸。,,平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,,,,,,tw1,tw2,, ：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W,平壁兩側(cè)壁溫之差,熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)),A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積,q：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量,平壁的厚度m；,熱導(dǎo)率 (導(dǎo)熱系數(shù)) (Thermal conductivity),單位厚度(1m)、單位溫度差（1K）物體，在它的單位面 積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J)。,導(dǎo)熱系數(shù)表示材

3、料導(dǎo)熱能力大??；由實(shí)驗(yàn)確定。,導(dǎo)熱熱阻：與直流電路的歐姆定律 I=U/R 相似。,熱流量是單位時(shí)間傳遞的熱量； 它體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢,傳熱是一個(gè)過(guò)程，穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)； 區(qū)別于熱力學(xué)的平衡態(tài),傳熱學(xué)中熱流量的單位是W， 而非J； W= J/s,Thermal resistance for conduction,熱流量和導(dǎo)熱熱阻,,,,2.熱對(duì)流 Heat convection,流體中有溫差 熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo),流體中(氣體或液體)溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象,熱對(duì)流的定義,若熱對(duì)流過(guò)程使具有質(zhì)量流量 的流體由溫度t1處流至溫度t2

4、處，則此過(guò)程傳遞的熱流量為：,對(duì)流換熱,流體與固體壁之間的熱量交換（Convection heat transfer）,,對(duì)流換熱實(shí)例： 1)電子器件冷卻 2)取暖器,對(duì)流換熱的特點(diǎn)：,對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱； 不是基本傳熱方式,1) 流體與壁面直接接觸，有宏觀運(yùn)動(dòng)；有溫差,由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處 會(huì)形成速度梯度很大的邊界層,,對(duì)流換熱的基本計(jì)算式,牛頓冷卻公式（1701）,當(dāng)流體與壁面溫度相差1時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量,影響 因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等,（Convective heat transfer c

5、oefficient）,對(duì)流換熱系數(shù),h不是物性參數(shù),Thermal resistance for convection,對(duì)流換熱熱阻,定義：物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象；凡物 體都具有輻射能力,物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種類(lèi)不同、表面狀 況不同，其輻射能力不同,,3.熱輻射 Thermal radiation,黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體,或稱(chēng)絕對(duì)黑體,黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng),斯蒂芬-玻爾茲曼定律,黑體在單位時(shí)間內(nèi)向外發(fā)出的輻射能：, 黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度）, 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，或稱(chēng)黑體輻射常數(shù), 黑體輻射表面積,（Stef

6、an-Boltzmann law）,一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體, 實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），01；與物體 的種類(lèi)、表面狀況和溫度有關(guān),輻射換熱 Radiation heat transfer,不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在， 在真空中就可以傳遞能量,在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能電磁波能物體熱力學(xué)能,無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相 互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫 物體輻射給高溫物體的能量；總的效果是熱由高溫物體 傳到低溫物體,物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞,輻射換熱的特點(diǎn)：,兩平行黑平板間的輻

7、射換熱,對(duì)于兩個(gè)相距很近的黑體表面，由于一個(gè)表面發(fā)射出來(lái)的能量幾乎完全落到另一個(gè)表面上，那么它們之間的輻射換熱量為：,當(dāng)T1=T2時(shí)，也就是物體和周?chē)h(huán)境處于熱平衡，輻射換熱量等于零。但此時(shí)是動(dòng)態(tài)平衡，輻射和吸收仍在不斷進(jìn)行。此時(shí)物體的溫度保持不變。,,3.2.2 太陽(yáng)輻射的吸收、反射和透射,太陽(yáng)透射在物體上時(shí)，發(fā)生吸收、反射和透射，據(jù)能量守恒，有,太陽(yáng)吸收比,反射比,透射比,四種反射表面,1.鏡反射表面 2.漫反射表面 3.鏡-漫反射表面 4.混合型反射表面,問(wèn)題：冬天、夏天，屋內(nèi)都開(kāi)空調(diào)（假設(shè)都是20），屋內(nèi)溫度一樣，但穿衣不一樣。為什么？,3.3 太陽(yáng)集熱器分類(lèi),3.3 太陽(yáng)集熱器分類(lèi),

8、3.3 太陽(yáng)集熱器分類(lèi),3.3 太陽(yáng)集熱器分類(lèi),3.3 太陽(yáng)集熱器分類(lèi),3.4 平板太陽(yáng)能集熱器,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),1. 結(jié)構(gòu)圖,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),,,,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),,,,,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),對(duì)透明蓋板的技術(shù)要求,高透射比 紅外透射比低 導(dǎo)熱系數(shù)小 沖擊強(qiáng)度高 耐候性能好,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),普通平板

9、玻璃 優(yōu)點(diǎn)：紅外透射比低、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐候性能好 缺點(diǎn)：太陽(yáng)透射比低、沖擊強(qiáng)度低易破碎 玻璃鋼 優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)透射比高、導(dǎo)熱系數(shù)小、沖擊強(qiáng)度高、 質(zhì)量輕、易加工 缺點(diǎn)：壽命差,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),,,3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.1 平板集熱器基本結(jié)構(gòu),3.4.2 集熱器的基本能量平衡方程,,,3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),總熱損系數(shù)定義 集熱器中吸熱板與周?chē)h(huán)境的平均傳熱系數(shù)。,3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),集熱器頂部熱損失主要有對(duì)流和輻射兩種 吸熱體與透明板蓋之間的對(duì)流和輻射傳熱 透明板蓋和外界的對(duì)流和輻射 頂部散熱一般是在這三種散熱中比例最大的 計(jì)算方法：klein經(jīng)

10、驗(yàn)公式 教材p45,3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),2,3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),3.4.3 集熱器總熱損系數(shù),3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,集熱器的效率方程 QA =AG(）e QL= AUL(tp-ta) G表示太陽(yáng)輻射度 A表示集熱器面積 (）e表示透明蓋板透射比與吸熱體吸收比的有效乘積 UL 散熱器總熱損系數(shù),,集熱器的效率方程 QU =AG(）e -AUL(tp-ta) 集熱器效率定義：在穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）條件下，集熱器傳熱工質(zhì)在規(guī)定時(shí)段內(nèi)輸出的能量與規(guī)定的集熱器面積和同一時(shí)段內(nèi)入射在集熱

11、器上的太陽(yáng)輻照量的乘積之比。 = QU/AG,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,G,熱效率因子物理意義 集熱器實(shí)際輸出的能量與假定整個(gè)吸熱板處于工質(zhì)平均溫度時(shí)輸出的能量之比 熱轉(zhuǎn)移因子物理意義 集熱器實(shí)際輸出的能量與假定整個(gè)吸熱板處于工質(zhì)進(jìn)口溫度時(shí)輸出的能量之比,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,3.4.4 集熱器效率方程及

12、效率曲線,G,G,G,以三種溫度表示的集熱器效率方程,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,tp 集熱板溫度 tfi 集熱板 中流體入口溫度FR tfm 集熱板流體平均溫度F ,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,G,1某平板太陽(yáng)能集熱器的效率曲線以入口溫度表示，該曲線上有兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為（0.03，0.7）和（0.005,0.8）。已知測(cè)量時(shí)的太陽(yáng)輻照度為1200/W，環(huán)境溫度為20。 （1）試畫(huà)出該效率曲線。 （2）確定該平板集熱器的最大效率和可以達(dá)到的最高入口溫度。 2. 分別畫(huà)出以三種歸一化溫度表示的集熱器熱效率曲線，說(shuō)明

13、其物理意義。,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,一,G,G,G,3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線,3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),G,G,3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),G,G,G,3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型

14、集熱器的熱性能試驗(yàn),3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗(yàn),3. 5 真空管太陽(yáng)集熱器,,3. 5 真空管太陽(yáng)集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,如何判斷全玻璃真空 管集熱器的好壞？,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,全玻璃真空管的熱性能測(cè)定,1.空曬性能參數(shù)的測(cè)定 定義：空曬溫度與環(huán)境溫度之差與太陽(yáng)輻照度的比值。 空曬性能參數(shù)Y值大于或等于 190m2/kW，方為合格，越大越好,2.悶曬曝輻量 定義：充

15、滿(mǎn)真空集熱管的水的溫度升高一定溫度范圍所需的太陽(yáng)輻照量。 太陽(yáng)輻照度G800W/m2,環(huán)境溫度8Ta30,真空集熱管以水為傳熱工質(zhì)，初始溫度不低于環(huán)境溫度，悶曬至水溫升高35所需的太陽(yáng)輻照量 罩玻璃管外經(jīng)為47mm，H3.7MJ/m2。 罩玻璃管外經(jīng)為58mm，H4.7MJ/m2。,3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3.平均熱損系數(shù) 定義：在無(wú)太陽(yáng)輻照的條件下，真空集熱管充滿(mǎn)的熱水平均溫度與平均環(huán)境溫度每相差1時(shí)，經(jīng)吸熱體單位表面積散失的熱流量。 真空集熱管的平均熱損 系數(shù)ULT0.85W/(m2.),3. 5.1 全玻璃真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真

16、空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,熱管式真空管的熱性能測(cè)定,空曬性能參數(shù)的測(cè)定 定義：空曬溫度與環(huán)境溫度之差與太陽(yáng)輻照度的比值?？諘駵囟龋涸谝?guī)定條件下，熱管冷凝段達(dá)到的最高溫度。 Y(Tp 一 Ta )/ G = 0.195 m2/W,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.2 熱管式真空管集熱器,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,3. 5.3 其他形

17、式金屬吸熱體集熱器,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,3. 5.3 其他形式金屬吸熱體集熱器,3. 5.4 熱管式真空管集熱器,,,3. 5.4 熱管式真空管集熱器,熱管式真空管集熱器的熱性能測(cè)定,1.瞬時(shí)效率曲線 2.集熱器面積的確定,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,3. 5.5 真空管與平板集熱器比較,