太阳能集热储热系统的性能研究

太阳能集热储热系统的性能研究

0空气集/储热系统目前，太阳能热水非常流行，但能源行业和空调的大型市场仍有待开发。其中之一是太阳热水的储存。现有的热能储存方式包括显热储能、化学储能和潜热储能,其中用相变材料储热具有储能密度高、成本低等优点。前人已经对集/储热系统进行了许多研究,但几乎都是将集热器与储热器分离。尽管将储热器置于室内便于夜间使用,但热量从集热器到储热器之间存在流动损失,可能达不到中低温相变材料的熔点。为此,作者研制了一种结合太阳平板式集热器的一体化的空气集热/储热系统,旨在解决太阳能供暖过程中能量输入的不连续问题。另外,本设计还能有效提高集热器的集热效率,大大减少热损失。1相压缩器的储热材料太阳能集/储热系统由平板集热部分和储热单元两部分组成,其结构如图1所示。周围主体框架用木板钉制而成,底部安装聚氨酯保温材料,在保温层上方放置储热单元体,其上覆盖镀有选择性涂层的V型吸热板。最上方放置具有抑制对流传热功能的玻璃钢蜂窝结构,蜂窝结构的两面覆盖透明玻璃钢盖板。储热单元体为圆柱形,其中放入相变材料,再将单元体填放于v型吸热板与底面保温层之间。V型板上方作为加热空气的流道。该集热器内、外部结构尺寸如下:采光面积60cm×60cm;透明蜂窝结构盖板(双层,中间有蜂窝)64cm×64cm;蜂窝结构(长宽高)2.5cm×2.5cm×5cm;外框(木质)(长宽高)68cm×68cm×15cm,厚2cm,底部保温板厚2cm;圆柱形储热单元体尺寸(高直径)为12cm×5cm。采用中科院兰州化物所配制的一种无机相变储热材料(PCM03)。该储热材料的热物性参数如表1,试验使用该储热材料12.32kg。2试验过程2.1典型测试方法在阳光充足的白天,对该集/储热系统与同尺寸的无储热材料的集热器进行集热对比试验。集热器均面向正南,与地面夹角为45°。集热器进出口均打开,允许空气自然对流。测量集热器的进、出口温度及环境温度。测温系统利用江苏大学自主研发的测温软件以及热电偶、A/D转换装置和电脑,典型的测试结果如图2。测试时间为2006年4月10日9:00～15:30,历时6.5h。太阳辐照度最高为837W/m2(13:00),平均辐照度为600W/m2。如图2所示,由于自然对流,出口温度产生波动,故图中的温度表现为波动曲线。集/储热系统出口空气温度最高为65℃,温度上升缓慢,系统的时间常数大;未装储热材料的同型号集热器的最高温度可达105℃,温度上升快,集热器的时间常数小。显然,在集/储热系统中,热量被储热材料吸收,系统最高温度受到相变材料熔点的限制,在满足房间采暖的温度下,有利于减少热损失。2.2集热器进口温度测试结果在夜晚,将装有储热材料的平板集热器放置于太阳房内,利用白天收集的热量对房间自然加热。分别测量集热器进、出口温度以及室内温度。测试时间为2006年4月10日16:00～次日早7:00,历时15h。测试结果如图3。如图3所示,随着时间推移,集热器出口温度逐渐降低,最后接近房间空气温度,集热器进口温度与房间空气温度几乎相同。尽管相变储热材料能缓慢放热,但由于集/储热系统的集热面积较小,系统储存的热量少,因此不能使房间温度有明显上升。2.3系统测试结果闷晒1d后,将集/储热系统放入密封保温箱内(此保温箱为木板结构,外部包裹石棉作为保温材料),测量集/储热系统出口温度、箱内空气温度和环境温度的变化,并由此估算经过闷晒后集/储热系统得到的热量。测试时间为2006年11月14日16:00～次日早7:00,历时15h。测试结果如图4所示,集/储热系统出口温度在整个试验期间缓慢下降,显示储热材料缓慢地放热;箱内空气温度在16:00～17:00时间段有显著上升(平均温度约从16℃升高到23℃),明显高于环境温度(约16℃);以后空气温度在前半夜(0:00前)几乎保持不变,后半夜开始非常缓慢地下降。由于没有引风装置,集/储热系统出口与箱内空气二者的温度直到次日早晨才接近相等。3固热器工作效率和燃料利用率的估计3.1储热材料性质集/储热系统吸收热量后,将其放入保温箱内,通过测定系统的平均温度,可以估算储热材料所储存的热量。该箱子为木质,长宽高为80cm×80cm×150cm,壁厚5mm。保温材料为岩棉制品,ρ=100kg/m3,k=0.036W/(m·K),木材的导热系数k=0.22W/(m·K)。储热材料相变潜热λ=206kJ/kg。在实验时,发现集/储热系统出口空气温度略高于储热材料的相变温度。通过抽样检查得知,储热材料仅1/2左右溶化;储热材料的溶化潜热大,显热部分对结果影响不大,可以略去不计,则在太阳平均辐照度为600W/m2,日照时间为7h的条件下储热材料储存的总热量:即照射进集/储热系统的太阳光约有23%能被储存为热能。3.2集热系统与普通集热器的能耗的比较3.2.1吸热板纵向角度tg图5示出太阳能集/储热系统的热传递网络图。热量在集/储热系统中的传递路径为:太阳能射入吸热板转化为热量(τα)IA,吸热板温度升为Tp,与环境产生温差。热量从吸热板分上、下两条路径传至环境:上路径为从吸热板Tp通过对流和辐射到下盖板Tg1,再到上盖板Tg2,最后传到环境Ta;下路径为从吸热板经保温材料和底板(以及侧面)传至环境。计算用参数近似如文后符号表。根据文献,通过上盖板的传热系数计算如下:从上盖板到集热板的集总传热系数:侧面的集总传热系数:空气47.5℃时的热物性参数查表得:由于底面有储热单元和保温材料,温差相对较小,可忽略底面的热损失,则总热损失系数:总热损失:集热面积上的入射能量:所以集热器的热效率:3.2.2集/储热系统参数设置L=0.055m,TP=57℃,Tg1=45℃,Tg2=25℃,Tm=52.5℃空气52.5℃时的热物性参数:其它参数与集/储热系统相同,但温差、集热板温度、集热器内部空气温度等取值不同。计算公式与集/储热系统相同,计算结果如下:底面和边框集总传热系数计算:总传热系数为:UL=Ut+Uh+Ue=3.965(16)总热损失:由以上计算可知:和普通集热器相比,集/储热系统在减少热损失方面有很大优势,能大大提高集热器的热效率。4集/储热系统的优越性1)由于在集热器中填装了相变储热材料,使得集热器内空气温度降低,热损失减少,热效率提高。计算结果表明,太阳能集/储热系统与普通集热器的热效率分别约为55%和19%,前者比后者高36%,可见集/储热系统可有效降低平板集热器的热损失,提高集热效率;2)相变材料储存的热量占集热器采光面积上总太阳辐射能的百分比(即储热效率)为23%,将此空气集热器用于房间供暖、农作物干燥或者蔬菜大棚加热是可行的;3)储热材料可在夜间或者阴雨天继续向房间提供热能,延长了太阳能的利用时间。受热量的影响L集热板到蜂窝盖板距离,0.04mV风速,1.5m/sTg2蜂窝结构上盖板温度,20℃Tm蜂窝结构与吸热板间空气平均温度,(Tg1+Tp)/2=47.5℃β体积膨胀系数,Pr普朗特数η集热器的热效率g重力加速度,9.8m/s2相变材料储存的热量占集热器采光面积上总太阳辐射能的百分比为:则普通集热器的热效率:εg玻璃钢的发射率,0.88Tp集热板温度,55℃Nu努谢尔特数Li保温材料的厚度0.04mAe四周边框总面积,0.41m2Ul从上盖板到集热板的传热系数,W/(m2·℃)QL总的热损失,Wh1r吸热板与蜂窝结构下盖板的辐射传热系数,W/(m2·℃)h2r蜂窝结构上盖板与环境的辐射传热系数,W/(m2·℃)εeff系统的有效发射率k导热系数Ra瑞利数Ub集热器底面传热系数ki保温材料的导热系数,0.0231W/(m2·℃)AT蜂窝结构盖板面积,0.41m2UL总的热损失系数,W/(m2·℃)Qin集热面积上的入射能量,WI一天的平均太阳辐照度,600W/m2v运动粘度εp吸热板的发射率,0.92α集热器倾角,4