太阳能光热系统课件

3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.2 集热器的基本能量平衡方程
3.4.3 集热器总热损系数
总热损系数定义 集热器中吸热板与周围环境的平均传热系数。
3.4.3 集热器总热损系数
3.4.3 集热器总热损系数
集热器顶部热损失主要有对流和辐射两种
对流换热热阻 Thermal resistance for convection
3.热辐射
Thermal radiation
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物 体都具有辐射能力 物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状 况不同，其辐射能力不同
黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体,或称绝对黑体
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
1.热传导（导热）Heat conduction
热传导的定义

温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直
接接触时，依靠分子、原子或自由电子等微观粒子的热 运动而进行热量传递的现象
热传导的特点

真空集热管的平均热损 系数ULT≤0.85W/(m2.℃)
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
热管式真空管的热性能测定
空晒性能参数的测定 定义：空晒温度与环境温度之差与太阳辐照 度的比值。空晒温度：在规定条件下，热管冷凝 段达到的最高温度。 Y＝(Tp 一 Ta )/ G >= 0.195 m2℃/W
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
以三种温度表示的集热器效率方程
G G G
tp —— 集热板温度 tfi ——集热板 中流体入口温度—FR tfm ——集热板流体平均温度——F ’
G
G
G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
G
G G
G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
传热是一个过程，稳态，非稳态；
——区别于热力学的平衡态 传热学中热流量的单位是[W]， 而非[J]； [W]= [J]/[s] 导热热阻：与直流电路的欧姆定律 I=U/R 相似。
Φ A
t


A
t
W
Thermal resistance for conduction
3. 5 真空管太阳集热器
3. 5 真空管太阳集热器
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
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3. 5.1 全玻璃真空管集热器
如何判断全玻璃真空 管集热器的好坏？
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相
互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温 物体辐射给高温物体的能量；总的效果是热由高温物体 传到低温物体
两平行黑平板间的辐射换热
对于两个相距很近的黑体表 面，由于一个表面发射出来的 能量几乎完全落到另一个表面 上，那么它们之间的辐射换热 量为：
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
全玻璃真空管的热性能测定
1.空晒性能参数的测定
定义：空晒温度与环境温度之差与太阳辐照
度的比值。
空晒性能参数Y值大于或等于
190m2℃/kW，方为合格，越大越好
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
2.闷晒曝辐量 定义：充满真空集热管的水的温度升高一定温度
范围所需的太阳辐照量。
G
1．某平板太阳能集热器的效率曲线以入口温度 表示，该曲线上有两个数据点为（0.03，0.7） 和（0.005,0.8）。已知测量时的太阳辐照度为 1200㎡℃/W，环境温度为20℃。 （1）试画出该效率曲线。 （2）确定该平板集热器的最大效率和可以达到 的最高入口温度。
2. 分别画出以三种归一化温度表示的集热器热 效率曲线，说明其物理意义。
3.3 太阳集热器分类
3.4 平板太阳能集热器
3.4.1 平板集热器基本结构
1. 结构图
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式（1701）
— 热流量 ，单位时间传递的热量 [W]
q
— 热流密度
— 固体壁表面温度 — 流体温度
— 换热系数
A — 与流体接触的壁面面积
对流换热系数 （Convective heat transfer coefficient）
当流体与壁面温度相差 1℃时、每单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量 影响 因素：流速、流体物性、壁面形状大小等 h不是物性参数

对流换热
流体与固体壁之间的热量交换（Convection heat transfer）
对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； ——不是基本传热方式
对流换热实例： 1)电子器件冷却 2)取暖器 对流换热的特点： 1) 流体与壁面直接接触，有宏观运动；有温差
2) 由于流体的粘性和受壁面摩擦 阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
一
G
G
G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
G
G
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
G
G
G
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验

热导率 (导热系数) (Thermal conductivity)
单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面 积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。
导热系数表示材料导热能力大小；由实验确定。
热流量和导热热阻
热流量是单位时间传递的热量； ——它体现了传热的速率或快慢
集热器效率定义：在稳态（准稳态）条件下， 集热器传热工质在规定时段内输出的能量与规定 的集热器面积和同一时段内入射在集热器上的太 阳辐照量的乘积之比。
η = QU/AG
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
G G
G G
G
G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
G G
G G
G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
黑体的辐射能力与吸收能力最强
斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）
黑体在单位时间内向外发出的辐射能：
— 黑体表面的绝对温度（热力学温度）K — 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数
2 [m ] — 黑体辐射表面积
一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体 4
• 集热器的效率方程 QA =AG(τα）e QL= AUL(tp-ta)
G表示太阳辐射度 A表示集热器面积 (τα）e表示透明盖板透射比与吸热体吸收比 的有效乘积 UL 散热器总热损系数
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
• 集热器的效率方程 QU =AG(τα）e -AUL(tp-ta)
太阳辐照度G≥800W/m2,环境温度8℃≤Ta≤30℃,
真空集热管以水为传热工质，初始温度不低于环境温
度，闷晒至水温升高35℃所需的太阳辐照量
罩玻璃管外经为47mm，H≤3.7MJ/m2。
罩玻璃管外经为58mm，H≤4.7MJ/m2。
3. 5.1 全玻璃真空管集热器
3.平均热损系数 定义：在无太阳辐照的条件下，真空集 热管充满的热水平均温度与平均环境温度每 相差1℃时，经吸热体单位表面积散失的热 流量。
吸热体与透明板盖之间的对流和辐射传热
透明板盖和外界的对流和辐射
顶部散热一般是在这三种散热中比例最大的
计算方法：klein经验公式
教材p45
3.4.3 集热器总热损系数
3.4.3 集热器总热损系数
2
3.4.3 集热器总热损系数
3.4.3 集热器总热损系数
3.4.3 集热器总热损系数
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3.4.5 平板型集热器的热性能试验
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.2 热管式真空管集热器
3. 5.3 其他形式金属吸热体集热器
3. 5.3 其他形式金属吸热体集热器
3. 5.3 其他形式金属吸热体集热器
太阳吸收比 反射比 透射比
四种反射表面
• • • • 1.镜反射表面 2.漫反射表面 3.镜-漫反射表面 4.混合型反射表面
• 问题：冬天、夏天，屋内都开空调（假设都 是20℃），屋内温度一样，但穿衣不一样。 为什么？
3.3 太阳集热器分类
3.3 太阳集热器分类
3.3 太阳集热器分类
3.3 太阳集热器分类
— 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体
的种类、表面状况和温度有关
A T
[W]
辐射换热 Radiation heat transfer
物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射换热的特点： 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在， 在真空中就可以传递能量 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能——电磁波能——物体热力学能
3.4.1 平板集热器基本结构
对透明盖板的技术要求
高透射比
红外透射比低
导热系数小 冲击强度高 耐候性能好
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
3.4.1 平板集热器基本结构
普通平板玻璃
优点：红外透射比低、导热系数小、耐候性能好
缺点：太阳透射比低、冲击强度低易破碎 玻璃钢 优点：太阳透射比高、导热系数小、冲击强度高、 质量轻、易加工 缺点：寿命差
A
T1
Q
T2
4 2
A b (T T )
4 1
当T1=T2时，也就是物体和周围环境处于热平衡，辐射换 热量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。 此时物体的温度保持不变。
3.2.2 太阳辐射的吸收、反射和透射
• 太阳透射在物体上时，发生吸收、反射和透 射，据能量守恒，有
1
物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。 可发生在任何物质的任何地点 传热形式：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒
子的热运动而传递——微观过程，不产生宏观位移。

平壁一维稳态导热

tw1
tw2
：热流量，单位时间传递的热量[W]
q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 A：垂直于导热方向的截面积 平壁的厚度[m]； 热导率(导热系数) 平壁两侧壁温之差 C
2.热对流 Heat convection
热对流的定义 流体中 ( 气体或液体 ) 温度不同的各部分之间，由于发 生宏观相对运动，而把热量由一处传递到另一处的现象
若热对流过程使具有质量流量
的流体由温度t1处 流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：
流体中有温差 ——热对流 必然同时伴随着热传导
G G
G G G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
G G G
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
热效率因子物理意义
集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于
工质平均温度时输出的能量之比
热转移因子物理意义
集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处 于工质进口温度时输出的能量之比
3.4.4 集热器效率方程及效率曲线
太阳能 光热系统
沈阳工程学院 刘莉莹
第三章 太阳集热器
3.1 概述 3.2 太阳能热利用中的传热学基础 3.3 太阳能集热器的分类 3.4 平板型太阳能集热器 3.5 真空管太阳能集热器
第三章 太阳集热器
3.1 概述
3.1 概述
3.2 太阳能热利用中的传热学
3.2.1 热量传递的基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射