太阳能集热器-毕业设计

1、青岛大学本科毕业论文（设计）第一章 绪 论1.1 能源现状 当今世界，人类社会发展日益加速，无论是在工业、农业还是第三产业服务业、高新技术产业，都处于人类历史上发展的一个阶段。社会的发展提高了人类的生活水平，增强了社会生产力，与此同时，提供社会发展所需的能源（例如煤、石油等）的使用也不断增加1。1.1.1 能源的利用状况 回顾人类对能源的利用史可知，人类对能源的利用主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；而当今世界是在石油逐渐枯竭的状况下向多能源结构的过渡转换1。人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。人类利用能源的历史可分为五大阶段：

2、（1）火的发现和利用；（2）蓄力、风力、水力等自然动力的利用；（3）化石燃料的开发和热的利用；（4）电的发现及开发利用；（5）原子核能的发现及开发利用。18世纪前，人类利用能源的方式仅是对风力、水力、畜力、木材等天然能源的直接利用，尤其是木材，在世界一次能源消费结构中长期占据首位。18世纪开始了产业革命，促进了煤炭的大规模开采。到19世纪下半叶，出现了人类历史上第一次能源转换。煤炭在一次能源消费的结构中所占比重越来越大，世界逐渐进入“煤炭时代”1。 19世纪70年代，电力代替了蒸汽机，电器工业迅速发展，煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。1965年，石油首次取代煤炭占居首位，世界进入了“石

3、油时代”。至此石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。 但是地球上石油的储量有限，石油的大量消费，使能源供应严重短缺，而且化石燃料的大量利用破坏了生态环境，间接对人类的发展造成影响1。因此，世界能源向石油以外的能源物质转移已势在必行。1.1.2 世界能源利用现状随着经济的高速发展和世界人口的不断增长，世界一次能源的消费量也日益增加。世界能源消费的增长模式也因国家地区的不同呈现不同形式。发达国家的增长速率明显低于发展中国家。其原因为发达国家经济发展已向低能耗、高产出的产业结构发展，高能耗的制造业逐步转向发展中国家；不仅如此，发达国家高度重视节能与提高能源使用效率1。尽管如此，世界各国还是面临不可再生

4、能源大肆利用所带来的能源危机。当今世界大部分国家能源供应不足，各国努力寻求稳定充足的能源供应，都对发展能源的战略决策给予极大的重视，其中可再生能源的开发与利用尤为引人注目。化石能源的利用会产生温室效应，污染环境等，这一系列问题都使可再生能源在全球范围内升温。从目前世界各国既定能源战略来看，大规模的开发利用可再生能源，已成为未来各国能源战略的重要组成部分。认识到现用能源的局限性，世界上许多国家都把可再生能源作为能源政策的基础。从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业前景最好，其开发利用增长率远高于常规能源2。1.1.3 我国能源利用现状我国地大物博，蕴含的能源丰富

5、，但是我国人口数量很大，导致能源的人均消费量少。我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，煤炭资源和水力资源分别集中在华北和西南地区，而人口和工业集中在能源资源缺乏的南方。我国农村的能源消耗巨大，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。我国农村人口多，能源需求量大，电能、农作物的燃烧，即使加上农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴、拣拾干畜粪等，都不能满足对能源的需求1。我国煤炭资源储量丰富，从目前情况看，煤炭仍是我国的主要能源。煤炭的主要利用形式是在在燃烧设备中直接燃烧使用，煤的燃烧排放的废弃成为我国大气污染的主要根源。而且能源的利用率低增加了煤的消耗量，我国煤的储量将逐步减少，逐渐面临能源匮乏状况。由

6、于资源的有限性和不可再生性，化石能源最终将被耗尽，因此开发可再生能源和新能源技术不但非常必要，而且非常紧迫。我国能源供应形势和暴露出的问题，要求我们从现在开始结束对化石能源的过分依赖，大力发展太阳能等可再生能源3。1.2 太阳能能源在人类的生存和社会的发展中扮演着极其重要的角色。能源的开发利用对国民经济和社会发展都有重大意义。世界上消耗的能量大部分来自矿物质的燃烧，随着能源危机的出现，人们开始认识到矿物质燃料的有限性。如何解决能源问题变得越来越重要。寻找新能源和大力开发可再生性能源是解决问题的重要途径。在可再生性能源中研究应用最多、涉及科学面最广的就是太阳能。太阳能一般是指太阳光的辐射能量，是

7、来自地球外部天体的能源，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、等也都是由太阳能转换来的4。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”和“未来能源结构的基础”则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异4。太阳能在新能源发展中取得重要地位是因为它与常规能源相比具

8、有很多优点，是一般常规能源无法比拟的。其特点为5：蕴藏能量巨大、洁净安全、分布广泛、时间长久等特点；虽然太阳能有很多优点，但它也存在一些不利于开发利用的特点：分布不均、；间歇性和不稳定性、低效性、易反射等。太阳能是无穷尽的，无公害的，而且无论怎样利用对地球的热平衡也不会有影响。它利用领域广阔，在世界任何地方大致都可以均等地获得，没有先进国和落后国之别，只要具有一定的技术水平和必要的容量，就可自由利用6。太阳能的利用形式：（1）光热利用 其基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦型集热器等3种。通

9、常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用(80)。（2）太阳能发电 未来太阳能的大规模利用方式之一就是太阳能发电。利用太阳能发电的方式有多种，目前己实用的主要有以下两种:1)光一热一电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电；2) 光一电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。（3）光化利用 这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光一化学转换方式。（4）光生物利用 通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质能的过程。目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻等7。1.3 太阳能集热器1.3.1 太阳能集热器的研究意

10、义能源是发展社会生产和提高人们生活水平的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力6。我国作为一个发展中国家，面临人口、资源和环境的巨大压力，需要大力发展各种能源来实现我国经济的发展。从可持续发展的观点看，能源是我国实现现代化的重要因素。随着能源紧张现状的不断加剧，洁净、易得、储量丰富的能源越来越重要，因此人们越来越重视新能源的开发利用。一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会的需要，而又不危及后代人生活的社会，节约能源，提高能源利用率，尽可能多地利用洁净能源替代含碳量高的矿物燃料，是历史发展的必然。太阳能技术应用是当今乃至以后人类的一个重要课题6。随着社会的发展、人民生活水平的提高，结构

11、简单、集热效率高、成本低、开发性能优良、以工业化生产的太阳能集热器越来越受到人们的青睐。平板式太阳能集热器以其节能和高效得到越来越多的关注，且对减少常规能源的消耗和减少对环境的污染具有重要意义。1.3.2国外太阳能集热器的研究状况及发展在国外，各种各样的太阳能集热器已经得到广泛应用。例如文献8中采用了一种新型的聚光集热器，这种集热器在高温应用上具有很大的优势。1998年n.benz等人发明了一种ti材料作为集热器透明盖板,性能有所提高，但目前为止还没有投入生产9。1999年挪威开发了一种装入塑料材料的太阳能集热器10。这种集热器虽然安装简单，但制作工艺复杂，效率与普通中空玻璃集热器相比差不多，

12、经济性能较好。希腊佩特雷大学的y.tripangnostopoulos等人开始研究太阳能集热器吸热板颜色的不同对太阳能集热器性能的影响。经过对安装不同颜色集热器吸热板的实验研究，比较其集热器效率11。希腊雅典工业教育大学的p.t.tsilingiris发明一种背部平行聚合吸热板全塑料太阳能集热器12。科威特科学技术大学的a.h.abdullah等人在太阳能平板集热器吸热板和盖板之间增设一种蜂窝状聚碳酸酯膜，并采用不同的组合形式进行试验13。文献10中论述了一种低铁玻璃作为太阳能集热器透明盖板，还有一些透明塑料薄膜也常被用做集热器透明盖板。随着太阳能利用技术的发展，越来越多的科学家对太阳能集热器

13、进行多方研究，希望从不同角度提高太阳能的利用率，进而节能降耗。1.3.3国内太阳能集热器的研究状况我国太阳能集热器开发利用始于二十世纪五六十年代的闷晒式，到了七八十年代开始应用平面太阳能集热器14。到2001年我国已累计拥有太阳能集热器达3100万平方米，居世界第一位。平面太阳能集热器以其简单廉价和安装方便在全世界都获得广泛的应用。但我国的家庭太阳能集热器的普及率仅为4%11。由于我国的研制、生产及推广的历史不长，平面太阳能集热器还存在着热损失系数大、稳定性不好等缺点，从而限制了平面太阳能集热器产品的发展15。为了太阳能和集热器的发展，我国科学家也积极研究实验，且取得了巨大的成果。例如：陕西省

14、物理研究所的焦小浣对聚碳酸脂作为透明盖板材料以双层的结构形式，用于太阳能集热器进行了对比测试16。北京航空航天大学袁修干等人研制的含有透明绝热结构的太阳能蜂窝平板集热器17。透明绝热蜂窝结构能够显著降低集热器的表面热损失提高其集热效率。2002年河南林业大学研制出了一种蘑菇型全玻璃真空太阳能集热器15等。1.3.4 太阳能集热器的发展现状太阳能集热器的类型主要有：平板型太阳能集热器、真空管型太阳能集热器两大类。平板型太阳能集热器俗称平板集热器，只能运行在60摄氏度以下的工作温度，若运行温度较高时，即热效率明显降低。在寒冷地区，平板集热器不能全年运行18。真空管型太阳能集热器包括全玻璃真空管太阳

15、能集热器（全玻璃真空管、普通型全玻璃真空管集热器）和玻璃-金属封接真空管太阳能集热器（玻璃-金属封接式真空管、玻璃金属封接式热管真空管集热器）。由若干支真空管按一定规则排成阵列，与联集管、尾架和反射器等组装成的太阳集热器模块称为真空管太阳集热器。由于真空管采用真空保温，因此，散热损失比平板集热器显著减小，在60 以下的工作温度下，仍具有较高的热效率, 在寒冷的冬季，仍能集热，并有较高的热效率19。系统对太阳能集热器的要求：集热器在工作期间具有较高的热效率，以达到充分利用太阳能源的效果；集热器能够承压运行，以确保系统工作可靠；集热器能够水平放置，以方便楼面太阳能布局和整体美观协调等；太阳能系统后

16、期使用管理的方便性；系统运行的可靠性；太阳能系统的存在不会给机场、人流多的公共场所带来任何可能的安全隐患18。平板型太阳能集热器是将太阳辐射能转换为热能的装置。它是一种不烧煤的“ 锅炉” , 又是一种特殊的热交换器。平板型太阳能集热器的主要特点是吸热体的面积与采光面积相等, 没有聚光作用, 可同时利用太阳直射辐射和散射辐射（ 聚光型集热器只能利用太阳直射辐射）。平板型集热器一般都采用固定安装, 不需跟踪,结构简单, 工作可靠, 成本较低, 适用面广。集热器内的工质为液休或气体。太阳能集热器可用于太阳能热水器、太阳房、太阳能干燥等许多低温利用方面19。平板型太阳能集热器结构简单，安装方便，使用维

17、修成本低，无防冻问题，与建筑物配合有一定优势，可广泛应用于干燥和采暖领域。平板型太阳能集热器由吸热板、盖板、隔热材料和外壳四部分组成。吸热板采用带翅片板。吸热板：吸热板是将太阳能转换为热能并把热能传递给载热体的一种能量转换和热量交换器。集热器性能的好坏，除了合理的结构外，吸热板材料也起重要作用。对吸热板的材料要求：具有良好的导热性，有一定的承压能力，有良好的热工性能，与水的相容性良好，耐腐蚀性能好，加工工艺简单，材料来源方便，成本合理，运行可靠20。透明盖板包括普通玻璃、钢化玻璃和透明塑料薄膜等。其作用是透射太阳光且阻止吸热板向外辐射，减少吸热板和环境的对流，防止外部因素对吸热板的破坏。透明盖

18、板的性能：太阳能透过率越大越好，不透过或尽量少透过红外线，具有一定的坚固性，寿命长等20。设备和装置中采用保温材料来减少整个系统的热损失。它是太阳能热利用系统中不可缺少的材料之一。要求保温材料导热系数小，耐温性强，耐腐蚀不吸水，安装方便，价格便宜等特点20。集热器外壳的作用：保护吸热板和保温材料；支持透明盖板；保证集热器具有一定的刚度，以便安装在支架上20。平板型太阳能集热器的工作原理：当太阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收涂层的吸热板上时，吸热板吸收太阳的辐射能，将其转换成热能，并将热能传给吸热板流道内的工质，使流道内工质温度升高；从集热器进口进入吸热板的较低温度的工质在吸热体流道内被加热升

19、温后从集热器出口流走，并将有用的热能带走；与此同时,吸热板温度升高，透过透明板和外壳向周围环境散失热能，为减少散热，在平板太阳集热器底部和边框四周填充保温材料18。集热板的翅化：表面翅化改变了金属集热板自身的表面结构，增加换热效果。表面翅化作为强化传热的重要技术手段已有许多年的历史，多用于工业和民用的采暖和冷却设备以及一些电子设备的散热上。本研究应用表面翅化结构来增加热吸收量，翅片在强化传热中增大了热量接收面积，强化了空气和吸热板之间的对流换热。翅化表面可以通过增大吸热面积以及对热辐射的连续反射吸收作用，减少辐射的对流损失，从而增加吸热量，进一步升高物体的表面温度21。集热板翼上的翅体均匀而有

20、规律的分布，翅结构的种类有半球体翅化、等腰三棱锥翅化、圆锥体翅化等。本研究采用半球体型翅化，即将水管半埋于保温材料中，高于集热板部分的管子作为集热板的翅化，加强空气和集热板之间的对流换热。之所以选择半球型翅化是因为光线照射到球面上时，无论其角度怎么偏斜，总有部分光线是垂直于球面的，当入射光垂直于入射表面时，其高度角为最大，接受表面的辐照度也就最大，将有更多的辐射能被吸收。球面翅体不仅大大减少了金属板面的发射率，还因自身表面为凹凸不平结构，增加了将入射太阳能反射到自身表面的比率，从而减少了太阳能的辐射损失21。集热器材料选择：透明盖板的种类包括普通法玻璃、钢化玻璃和透明塑料薄膜。我国用于吸热板的

21、金属材料有钢板、铜板、铝材等。集热器外壳可以用金属、塑料木材等。保温材料包括玻璃纤维、矿渣棉、泡沫塑料等20。随着太阳能在住宅建筑中的扩大应用和适应太阳能与建筑结合要求，近年来对平板集热器高度关注，充分认识到其优势。很多研究机构积极开展高效平板集热器的研究，促进平板型集热器的发展。1.3.5 平板太阳能集热器的发展方向由于国外太阳能系统设计理念的不同，国外太阳能市场始终以平板集热器为主。因为针对国外采用的间接系统、分体式系统和闭式承压系统而言，平板集热器系统的寿命长，维护费用低且方便解决非采暖季节的系统过热为题。比全玻璃真空集热器具有明显的优势。我国太阳能热水器一直采用直接加热的方法使集热器中

22、的水的温度升高。平板太阳能集热器在冬季受环境因素的影响，在其工作时，集热器中水的冻结是不可避免的问题，它不仅影响了集热器的正常工作, 而且也是集热器中集热管涨开且破裂的原因 22。而国外普遍采用防冻液水二次换热，在集热管中注入防冻液，有效地解决了集热器的受冻问题。与国外的平板太阳能集热器相比，我国平板太阳能集热器存在透明盖板的透过率低，集热板上的涂层的吸收性能较差等问题。针对国内平板集热器与国外的技术和质量的差距，应采取以下措施提高平板集热器的性能和质量23： 1）研究开发具有高吸收率、低红外发射率、优异的耐热耐湿耐候性能和适宜的加工成本的选择性涂层； 2）优化透明盖板。研究新型的高强度、高透

23、射率的透明盖板； 3）优化集热器的结构设计，改善制造工艺，使其结构具有良好的的严密性，从而减小集热器的散热损失； 4）选用适宜的材料，提高集热各个器部件质量，优化结构设计，确保集热器可以经受冰雹、淋雨的冲击，能够承受空气暴晒，采用耐老化的材料，从材料的材质，结构的改善入手，从不同角度提高集热器寿命，减少系统维护所需的费用； 5）为适应不同环境的要求，太阳光晒的的角度等，研究开发高效平板集热器23。基于上述的综述，本课题的主要研究内容为：空气水三维带翅片的太阳能集热器，选择物理模型并对其进行负荷计算，进行数值模拟并且通过改变几何结构和物理参数得出其对集热板上方的空气流动和换热带来的影响。第二章

24、集热器的模型及相关计算2.1 物理模型的选择2.1.1 平板型太阳能集热器太阳能的利用形式多种多样，其中最重要的利用形式就是太阳能的热利用，而在太阳能的热利用中，最重要的是将太阳能的辐射能量转换成为热能。太阳能是地球上取之不尽用之不竭的可再生能源，但是它分布广泛且不均，为了有效地利用太阳能，所以利用太阳能集热器将其集中起来，所以集热器是利用太阳能的装备的核心部分。由于集热器结构合川热工只等因素的不同，集热器存在多种类型。平板型集热器是太阳能低温利用中的基本元件。与聚光型集热器相比，它的特征是吸收太阳辐射面积与采集太阳辐射面积相等24。平板型太阳能集热器的主要组成部分有透明盖板、集热板（即吸热板

25、）、保温隔热层和集热器外壳。当平板太阳能集热器工作时，太阳辐射穿透透明盖板照射到集热器的吸热板上，吸热板上涂有选择性涂层，涂层吸收射到集热板上的太阳辐射，将辐射能转换为热能，将能量传递给水管中及集热板上部空间的传热工质，使传热工质的温度升高，被利用的能量作为集热器的有用能，未被利用的能量通过导热、对流、辐射等方式散热，即为集热器的热量损失。平板型太阳能集热器透明盖板：透明盖板一般盖于集热器中吸热板的上方，其目的是透射太阳光，减少空气与外界的对流换热损失，并且保护吸热板不因外界因素损坏。为了满足工质温度要求及尽量减小热损失，增带太阳能的利用率，集热器中选择的透明盖板要求有较大的太阳能透射率，它对

26、集热器的热效率有很大影响。因为盖板还起保护作用，所以它应有较高的强度，坚固性好，不易损坏，对各种环境具有较好的适用性。现在市场上透明盖板的选材主要有普通玻璃、钢化玻璃和透明材料薄膜等20。平板型太阳能集热器集热板（即吸热板）：太阳能集热器中的集热板吸收太阳辐射能，并将其转化为热能，是集热器中的核心部分。为了满足管中水的温度能够达到要求的水温，要求集热板具有良好的导热性，加强载热工质与集热板之间的热交换。由于水是循环流动且有一定压力，所以要求其具有一定的耐压强度，且抗腐蚀，为了降低成本，还需其材料价格便宜，加工成本低。可以用于吸热板材的材料有金属、塑料、玻璃等，在实际应用中几乎都是用金属材料。我

27、国用于吸热板的金属材料有钢板（包括镀锌钢板）、铜板、钢管（包括水煤气管、扁钢管等）、铝材（纯铝和防锈铝）等20。平板型太阳能集热器保温材料：保温材料也称为隔热材料或绝热材料，它是太阳能热利用中不可缺少的材料之一，为了保证在能量的收集、输送和贮存过程中的热损失，对系统中所有设备和装置都必须采取保温措施20。为了减小集热器的热损失，要求保温材料导热系数小且耐高温，还要求其对空气中的水分没有吸附作用。为了较小集热器的成本，要求保温材料价格便宜。集热器所用的保温材料有玻璃纤维、矿渣棉、泡沫塑料和膨胀珍珠岩等。平板型太阳能集热器集热器外壳：集热器的外壳能够保护吸热板和保温材料，对整个集热器起支撑作用。由

28、于集热器安放于户外，所以要求外壳材料有一定的刚度和强度。因为长期处于风吹雨晒，所以要求其具有耐腐蚀性。外壳材料有多种，一般可用金属、塑料、木材等。平板型太阳能集热器集热板涂层：几十年来，选择性涂层一直是太阳能利用技术中一项活跃的研究课题，目前有些集热器中采用的选择性涂层有的成本高，有的寿命短，大多数不够理想。因此研究开发一些性能好、寿命长、工艺简单、成本低的选择性涂层仍是一项极有意义的工作25。由于选择性涂层的选择关系到集热器吸收热量的多少和集热器效率的好坏，所以要求选择性涂层在可见光波段为黑色，在远红外波段呈透明或反射状，它们的吸收率和发射率之比越大越好25。2.1.2 集热板的翅化 表面翅

29、化作为强化传热的重要技术手段已有许多年的历史，多用于工业和民用的采暖和冷却设备以及一些电子设备的散热上。其目的都是想在不增大换热面积或设备体积的同时增加热输出量，以达到降低部件温度的目的21。然而，本研究却是应用表面翅化结构来增大换热面积，增加空气和集热板之间的扰动，加强集热板和空气之间的对流换热，从而增加空气的温度。 集热器翅片的种类多种多样，主要有v型翅片、三角锥形翅片、矩形翅片、波浪形翅片和半圆球形翅片等。将集热板进行三维表面翅化实际上是将金属表面微观机械粗糙化21。采用翅片增加集热板对太阳能的吸收，即照射到集热板上的通过反射将太阳能反射到翅片上，是集热板翅片对太阳能进行二次吸收，进而增

30、加集热板的换热。例如三维翅化表面的太阳能集热板，它由三维翅片化结构与铜集热板、铜管共同连接构成，其连接关系是将铜管与铜板焊接成全铜集热板，再在机床上将其定位夹紧后用滚刀进行翅化加工，使铜集热板表面形成三维翅片化结构，便构成三维翅化表面的太阳能集热板。其结构简单、易加工制造，集热性能良好、寿命长、能大大提高太阳能热水器的效能26。 本研究采用将水管半埋于集热板中，用水管充当集热器的翅片，从集热板上部观察可将其作为半球型翅片。翅面集热板的采光能力增强了，而且无论太阳光从哪个角度入射，都是垂直射于翅片表面上的（即过管横截面的圆心），这时太阳光入射角最大，即热辐射的面积即为最大面积，更多的辐射能被吸收

31、。球面翅体不仅大大减少了金属板面的发射率，还可减小吸收率对角度的相关性，从而减少了太阳能的辐射损失21，进而提高了集热器的热效率。2.1.3 选择的物理模型结合平板型太阳能集热器和集热板的翅化，本研究所选的物理模型为 集热板 透明盖板 保温材料 水管图2-1. 平板太阳能集热器结构图2.2 集热器材料的选择2.2.1 集热器透明盖板的材料对透明盖板的材料进行比较可知，普通玻璃透过率高且耐老化，但易破裂，隔热性能不好。普通玻璃按含铁量的不同可分为低铁玻璃、常规平板玻璃和吸热玻璃。普通玻璃中含氧化铁量的多少影响玻璃透光率。含氧化铁量越低，透光率越高；当含铁量增加时，玻璃厚度对透光率也有很大影响20

32、。钢化玻璃属于安全玻璃。钢化玻璃其实是一种预应力玻璃,为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身抗风压性，寒暑性，冲击性等27。钢化玻璃的抗冲击强度是普通玻璃的45倍，抗弯曲强度是普通玻璃的3倍20。钢化玻璃代替普通玻璃可减小玻璃厚度，提高透过率并且减轻玻璃的重量。透明塑料薄膜：用氟树脂制成的薄膜有很好的透光性，透光率可达到0.92至0.9420。其特点是价格便宜，耐老化性能好，但是透明塑料薄膜表面易起毛，影响透光率且热膨胀系数大。结合三种材料的比较，本研究所选用的透明盖板材料可用普通钢化玻璃。2.2.2

33、集热器中集热板（即吸热板）的材料我国太阳能集热器吸热板主要用金属材料。其中钢板虽然成本不高且强度高，但是它导热系数小并且比重较大。不锈钢虽然具有良好的耐腐蚀性，但价格较高，不适于推广。铝的比重小，导热系数大，加工性能好，成本比钢板稍高，且耐腐蚀性也比钢板好，但在水中容易发生腐蚀20。铜具有较好的导热性能，耐腐蚀性也好，并且加工方便。塑料作为吸热板的材料，有加工方便、重量轻、成本低的特点，但它耐热性差，易老化，所以在实际生活中很少选用塑料为吸热板材料。结合上述各种材料的特点，可以两种材料同时使用。因为铝板导热系数大，比重小，加工性能好，但在水中易腐蚀，所以可将其作为集热板。由于用具有较好的导热性

34、能，且耐腐蚀性好，所以可将其作为水管的材料。集热板和水管之间可以通过焊接链接起来，共同组成带翅片的集热板。也可以采用全部用铜材作为集热器的吸热面。2.2.3 集热器的保温材料集热器中保温材料的存在，减少了其向四周环境的散热，提高了集热器的集热效率。目前平板太阳能集热器的保温材料常用的有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。但在实际应用中，这些材料都出现一些问题。例如：聚苯乙烯在温度较高（高于70）时会收缩，因此在使用它作保温材料时，往往在它与吸热板之间先放一薄层岩棉或矿棉；而聚氨酯使用时温度也应长期低于100；岩棉、矿棉虽然使用温度很高，但保温性能有限，而且岩棉、矿棉等材料所含有的纤维会给生产和施工

35、的人员的呼吸系统、皮肤及眼睛粘膜等带来危害28。因为这些材料或多或少都存在一些问题，为了克服这些问题，一种新的保温材料被研究出来。这种材料就是被称为第三代新兴保温材料的酚醛泡沫。酚醛泡沫是以酚醛树脂和乳化剂、固化剂、发泡剂及其他助剂等多种物质，经科学配方发泡固化而成的闭孔型硬质泡沫塑料28。酚醛泡沫具有难燃性、低烟、低毒、耐热性优异等众多优点。到目前为止，酚醛泡沫已在多个领域得到广泛的发展。酚醛泡沫在平板太阳能集热器中的应用，能够将集热器与四周的换热损失降到最低，从而提高了集热器的热效率。而且酚醛泡沫能够适应广泛的温度范围，所以它的使用寿命相对要长，热稳定性要好。因为酚醛泡沫的难燃性，所以它可

36、作为一种不然材料，不需加入任何阻止燃烧的添加剂。综合酚醛泡沫的所有优点以及和其他材料的比较，本研究选取酚醛泡沫作为平板集热器的保温材料。2.2.4 集热器外壳的材料集热器外壳的材料可以用金属、塑料、木材等。其中钢板是常用的外壳材料，它的机械强度高，加工也方便但是耐腐蚀性不好，为了改善其防腐性能，可以采用镀锌或涂防锈漆的方法。用木材作为集热器外壳的材料，它的加工方便，但容易变形，而且必须采取防腐措施。塑料作为集热器外壳材料，因为其成型方便，甚至可以把外壳与保温层合成一体20。塑料耐腐蚀性强并且重量轻，可用于小型集热器，但是其耐老化性和强度都是值得注意的问题。综合各种材料的优缺点，采用钢材作为集热

37、器的外壳。2.2.5 集热板（即吸收板）上的涂层太阳能吸收涂层可分为两大类：选择性吸收涂层和非选择性吸收涂层。因为太阳辐射能量主要集中在波长为0.32.1的可见光谱范围内，所以可以用选择性涂层。选择性涂层对太阳光谱内的光吸收程度很强，辐射损失很小。为了减少辐射热损失，要求吸收涂层在红外区有尽可能低的的发射率。选择性涂层的种类有电镀涂层、电化学转化涂层、真空镀膜涂层、涂料涂层等。涂料涂层是一种发展比较早的涂层，制备方法一般采用压缩空气喷涂法。真空镀膜涂层利用真空蒸发和磁控溅射技术制取。常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层、cuo转化涂层和钢的阳极氧化涂层等，其中铝阳极氧化涂层光谱选择性、耐腐蚀、耐光

38、照性能良好，在太阳能热水器上得到了广泛的应用。而常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等，均具有良好的光学性能。黑铬和黑镍的效果较好，但是电镀黑镍生产成本高，且渡液中含有污染环境的物质。电镀黑镍耗能少、成本低，渡液中不存在有毒物质29。saher shawk等研究的黑镍镀层吸收率能达到0.93，耐久性、热稳定性、抗腐蚀能力较强30。所以本研究也可以采用电镀黑镍作为选择性涂层。2.3 集热器尺寸的确定平板集热器外形平面尺寸推荐如下31：表2-1 平板集热器推荐外形平面尺寸长（m）宽（m）1.01.01.21.01.51.02.01.0根据推荐的外形尺寸，选取平板太阳能集热板的尺寸可为长

39、为1.26m，宽为1.0m。平板太阳能集热器的进出口管径推荐采用以下四种公称尺寸：15mm、20mm、25mm和32mm31。所以选取水管尺寸为15mm。集热器的透明盖板厚度可取为mm，保温材料的厚度为mm，集热板与透明盖板之间的间距为30mm，管与管之间的间距为10mm。2.4 集热板上的数值计算计算所需参数如下表32表2-2 各参数值单位面积太阳能辐射量( w/m2)g=680玻璃对太阳能的穿透比覆盖玻璃的发射率吸热面（黑镍）对太阳能的吸收比吸热面（黑镍）自身发射率吸热面的反射率结合太阳光照射情况计算集热板上的角系数： 太阳光照 集热板 水管图2-2 太阳光照射图因为水管作为集热板上的翅片

40、，所以类似于圆球形翅片，太阳光无论从任何角度照射，都是垂直于翅片射入。取集热板上得一个微元计算角系数。（4）（1）（2） （3）（5）图2-3 集热板微元结构已知：（1）和（2）的长度为11.775mm，（3）的长度为10mm，（4）的长度为25mm，(5)的长度为19.04mm。在（1）、（4）、（5）组成的图形中计算x4,1 (2-1)由图可知，x4,1=x4,2根据角系数的相对性，得出以下各式： (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) (2-6) (2-7)根据角系数的完整性，得出以下各式： (2-8) (2-9) (2-10) (2-11)由以上结构图可知：x3,1=x3,2；

41、x1,3=x2.3；x1,2=x2,1将各边长度带入以上各式中，得出结果如表2-3中所示： 表2-3 各面角系数x1,2=0.13076x1,3=0.11614x1,4=0.7531x2,1=0.13076x2,3=0.11614x2,4=0.7531续表x3,1=0.13675x3,2=0.13675x3,4=0.7265x4,1=0.3547x4,2=0.3547x4,3=0.2906为了便于集热面的数学计算，作如下假设：1.只考虑直接日射，忽略太阳光的散射，将太阳视为远处的辐射能量源。2.在本计算中，集热板设定为水平放置，太阳光从任何角度入射都是垂直入射。3.将保温材料视为绝热，集热板和

42、保温材料之间没有热交换。4.单位时间内的日照条件及周围环境状况均相同。5.集热板上的翅体均匀而有规律的分布。6.忽略集热板与周围环境的辐射换热。三维空气水太阳能集热器中，集热器水箱选取v=100l水箱，前面已述，管径为15mm，管间距为10mm，集热板长度为1.26m可知集热板上共有n=50根管，计算水管中的热负荷：水的密度为,水的比热容为光照时间为从早上10点到下午15点，共5个小时。(1)每根管中的水量为： v1=v/n (2-12)代入数据得v1=100/50=2(l)= (m3)（2）单位时间水量为： qm= (2-13)代入数据得qm=/= (kg/s)（3）水管内单位面积水量为：

43、qm1=qm/ (2-14)代入数据得qm1=/=0.62(kg/m2*s)（4）管内水每升高0.1时，水需要的热量为： q= (2-15)代入数据得q=260.4(w/m2)对集热板上的吸收能进行计算：（1）穿透玻璃盖板并且被集热板吸收的太阳辐射为： gs= (2-16)代入数值得gs=569.16(w/m2)(2)管面上吸收的能量为： (2-17)代入数据得qair=320.22(w/m2)（3）集热平板上的吸收能为： (2-18)代入数据得qwater=579.11(w/m2)2.5 小结本章阐述了平板太阳能集热器的结构、材料的选择以及尺寸的选择，对各种材料进行详细的解说，计算了集热板上

44、的热负荷，为以后的数值模拟奠定基础。第三章 数值模拟3.1 流体流动的特性流体流动的状态主要有两种形式：层流和紊流。层流的流体质点在流动方向上是分层流动的，流体在流动过程中各个流层间没有相互干扰和混参。紊流又称湍流，在流体流动时，各质点在不同方向上做复杂的无规则运动，是一种非稳态的相互干扰的带旋转的流动，某一质点上的速度随时间变化。 流动状态的判别准则为雷诺数，即惯性力和粘性力之比。其定义式为： (3-1)式中：为流体的平均速度（m/s）；为流体的密度（kg/）；为当量直径（m）；为动力粘度（kg/(m*s)）。 本研究的速度方向如下图： 集热板与透明盖板之间的高度 速度入口 集热板的长度 集

45、热板的宽度图3-1 集热器的速度方向当量直径的公式为： (3-2)式中：a为集热器速度入口的横截面积（）；p为速度入口的周长（）。计算雷诺数所需参数如表3-1：已知：集热板长度为l=1.0m，高度为h=0.03m，取空气温度为8表3-1 re参数流体kg/ kg/(m*s)m/sap空气1.25617.52*10-640.032.06将表中各参数带入式(3-2)和式(3-1)中得re=16704.35当re=8000-12000时，流体流动为湍流，由此可知，集热器中空气的流动为湍流。3.2 湍流的数值模拟方法3.2.1 湍流数值模拟方法的分类湍流流动是一种高度非线性的复杂运动现在人们可以通过某

46、些数值方法对其进行模拟。湍流数值模拟可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。（1）直接数值模拟直接数值模拟方法是直接用瞬时ns方程对湍流进行计算，不需要建立湍流模型。因为湍流运动是不规则运动，所以对时间和空间的分辨率要求很高，目前这种方法只适用于低雷诺数的湍流运动。（2）非直接数值模拟方法非直接数值模拟方法包括大涡模拟和雷诺平均法。大涡模拟：通过滤波处理将小于某尺度的涡从流场中滤掉，用瞬时ns方程直接模拟大尺度涡，对于尺度小于网格尺度的小涡，则采用引入模型的方法来模拟。大涡模拟较直接模拟占计算机内存小，所需时间段，能够得到比雷诺平均法更多的信息，所以，随着计算机的发展，大涡模型越来越受关

47、注33。雷诺平均法：雷诺平均法的核心是不直接求解瞬时的ns方程，而是求解时均化的雷诺方程。多方观点认为，尽管可以用ns方程来描述湍流流动，但是，它的非线性似的精确解析三维时间问题极端困难，所以对解决实际问题意义不大。采用时均化的雷诺方程在实际应用中取得很好的效果34。3.2.2 标准模型标准模型是针对充分发展的湍流流动来建立的，它是一种针对高re数的湍流计算模型，有前面计算雷诺数可知，本研究可用标准模型来模拟。在湍动能的方程的基础上，引入关于湍动耗散率的方程，形成了方程。表示耗散率的定义为： (3-3)和的函数可用湍流粘度表示 (3-4)式中为经验常数，=0.09所以，标准方程为34 (3-5

48、) (3-6)式中，是由平均速度梯度引起的湍动能的产生项，是由浮力引起的湍动能的产生项，代表可压湍流中脉动扩张的贡献，、和为经验常数，和分别为和对应的普朗特数，和是用户定义的源项。本研究的运动流体为空气，是可压缩流体，所以，对于中的各项计算公式为：(1) 平均速度梯度引起的湍动能的产生项 (3-7)(2) 浮力引起的湍动能的产生项 (3-8)式中为湍流普朗特数，=0.85，为重力加速度在i方向上的分量，为热膨胀系数，的定义式为 (3-9)(3) 可压湍流中脉动扩张的贡献 (3-10)为湍流马赫数，；是声速，。(4) 、的取值34=1.44 =1.92 =1.0 =1.3(5) 在可压缩流体的计

49、算中，=13.2.3 标准模型的控制方程控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程方程、方程。它们的通用形式为： (3-11)其中， 为流体密度，；为平均速度分量，m/s；u，v，w为流体在x，y，z方向上的时均速度，m/s；t为时间，s；为扩散系数；为源项。数学模型为（因为速度在y、z方向上变化很小，所以忽略y、z方向的速度）：(1)连续性方程空气的密度为常数且不随时间变化，所以方程为： (3-12)u为流体在x方向上的时均速度，m/s(2)动量方程 (3-13)式中，为x方向的压力，pa； 为流体密度，；u为流体在x方向上的时均速度，m/s；为运动粘度，m2/s。(3)能量方程 (3-14)式中，u为流体在x方向上的时均速度，m/s；为时间，s；为温度，；为传热系数，；为比热容，。3.3数值模拟3.3.1 网格化分在进行flurnt模拟之前，对物理模型进行网格划分。在gambit软件中画出物理模型的二位结构图，之后进行网格化分，并对物理模型的边界条件进行初步设定。3.3.2 fluent软件中的模拟在gambit软件中将划分网格之后的图形用msh文件输出，导入fluent软件中进行模拟。3.3.2.1 选择求解器及计算模型求解器分为两种，分别为分离式求解器和耦合式求解器。分离式求解器逐一求解各个方程，由于控制方程是非线性的，