平板型太阳能双效集热器热经济性评价

摘要

为促进兰州周边及气候相近地区对太阳能资源的有效利用，加强平板型太阳能集热器的推广及应用，本文自行设计一种平板太阳能双效集热器，并对其进行实验研究和模拟研究。考虑系统中风机和泵的耗能，提出一种热经济性评价方法，以此方法为基础，分析对系统最优的空气质量流量和水质量流量，为此类太阳能集热器的推广应用添砖加瓦。 搭建实验平台，安装测试系统，分别进行空气集热实验和水集热实验，并对环境及集热器性能相关数据进行采集。分析实验数据，结果表明：当空气质量流量为0.024kg·s-1时，空气集热模式下的平均集热效率为52.3%，最高可达到62.7%。当水质量流量为0.15kg·s-1时，水集热模式下的平均集热效率为40.2%，最高集热效率可达65.2%。计算总热损系数，绘制集热器总热损系数变化曲线，发现热损系数变化范围较大，分析后得出：由于集热器本身密封性不足、玻璃盖板层数少、水流回路长等原因造成集热系统热损失较大。 以集热器物理原型为基础，建立三维模型和数值计算模型。选择实验所得太阳辐照强度、进口温度等作为数值模型的输入条件，利用Fluent计算数值模型，输出模拟结果，并对比模拟结果与实验结果，验证数值模型的正确性。结果显示：在空气集热模式下，不同时刻空气出口温度的最大相对误差为7.6%，集热效率的平均相对误差仅为2.6%。在水集热模式下，水出口温度的最大误差只有0.3%，而集热效率的平均相对误差为7.2%。误差结果均小于10%，数值模型的输出数据与实验数据表现出较好的一致性，所以判定模拟数据可信。 对不同空气质量流量和水质量流量下的集热器产能进行模拟，分析出口温度、集热效率及集热产能差值，不考虑系统耗能下的推荐空气质量流量值和水质量流量值分别为0.06kg·s-1和0.12kg·s-1。通过流体机械相似原理对不同流量下的风机耗能和泵耗能进行理论分析，并利用数据拟合的方法，分别建立不同空气流量和水流量下风机和泵的耗能关系。根据能量守恒定律，建立集热系统在考量风机和泵耗能时的产能方程，得到在单位时间内，空气集热模式下的最大产能为665.8W，水集热模式下的最大产能为669.14W。为了从能量“质”的角度评价集热系统，考虑系统产能和耗能之间的品位差异，定义能量品位相对系数，对集热系统的产能和耗能进行更深层次的分析。分析得出：满足系统最优产能的空气质量流量区间为[0.016kg·s-1～0.019kg·s-1]，水质量流量区间为[0.074kg·s-1～0.09kg·s-1]。 最后，为分析本集热系统在实际场景的中的应用价值，分别选取青岛、兰州、银川、乌鲁木齐四市2018年冬季居民用热、电价格，对集热系统产能进行经济性分析。结果表明：集热器的市场化应用对各地方热、电价格有较强的依赖，更能够适应热价高、电价低的应用场景。单从集热器的产能和耗能分析，与系统最高的产能价值相匹配的投入产出比可达到10，有较高的发展潜力。

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附表索引

符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 平板型太阳能双效集热器的简介

1.3 国内外研究现状

1.3.1 平板太阳能集热器性能研究现状

1.3.2 平板集热器应用研究现状

1.4 本文的研究内容

第2章 平板型太阳能双效集热器理论研究

2.1 双效集热器的结构及工作原理

2.2 集热器热损模型

2.3 相似理论

2.4 集热器性能评价方法

2.4.1 集热效率

2.4.2 产热收益和用电成本

2.5 测量误差理论

2.6 本章小结

第3章 平板型太阳能双效集热器实验研究

3.1 测试系统及误差分析

3.1.1 测试系统

3.1.2 误差分析

3.2 实验结果分析

3.2.1 空气集热模式实验分析

3.2.2 水集热模式实验分析

3.3 本章小结

第4章 太阳能双效集热器模拟研究

4.1 网格划分及Fluent简介

4.2 数学模型

4.2.1 基本方程

4.2.2 集热器能量平衡方程

4.3 边界条件及物性参数设置

4.4 模拟和验证

4.4.1 空气集热模式下数值模型的验证

4.4.2 水集热模式下数值模型的验证

4.5 本章小结

第5章 双效集热器产能及经济性评价

5.1 空气集热模式下集热器产能评价

5.1.1 不同空气质量流量下的集热器产能分析

5.1.2 综合风机耗能下的集热器产能分析

5.1.3 考量能量品位差异下集热器产能分析

5.1.4 空气集热模式下集热器产能热经济性评价

5.2 水集热模式下的集热器产能评价

5.2.1 不同水质量流量下的集热器产能分析

5.2.2 综合泵耗能下的集热器产热分析

5.2.3 考量能量品位差异下的集热器产热分析

5.2.4 水集热模式下集热系统产能热经济性评价

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的成果（论文、专利、奖励）