平板太阳能集热器的传热分析及设计优化

摘要

平板太阳能集热器由于结构简单、具有很强的耐用性，并且易与建筑结合而在诸多领域有着广泛的应用。为了进一步改善平板集热器的热效率，提升其与常规能源的竞争力，国内外的学者进行了大量的理论和实验研究。
　　 本文首先分析了平板集热器中的能量传递过程及传热系数的计算方法，建立了平板太阳能集热器的理论计算模型。在此基础上，利用Visual Basic6.0软件编制了平板集热器的计算程序，该程序紧密结合集热器的实际运行工况，耦合其结构参数、入口参数、光学参数和环境参数，可模拟计算集热器的翅片效率、效率因子、热迁移因子和热效率等性能指标。本文结合效率因子和单位面积质量绘制了吸热板的结构优化图。利用该图可以快速对不同规格集热器的热性能进行分析比较，还可以对吸热板进行优化设计。本文还通过实验对平板集热器进行了研究，分别用瞬时法和量热法测试了平板集热器的瞬时效率，将瞬时法和根据数学模型理论计算得出的效率方程进行了对比，验证了平板集热器理论模型和程序的可靠性。
　　 本文利用数学模型分析了不同的输入参数对平板集热器热性能的影响。结果表明：
　　 (1)当小于100W/(m·K)时，吸热板导热系数对集热器的热性能有强烈的非线性影响；而大于此值时，影响逐渐减弱。使用铝吸热板代替钢吸热板后，集热器热效率增加了33.5％；使用铜吸热板代替铝吸热板后，集热器热性能仅增加了2.7％。
　　 (2)针对实验中所用的平板集热器进行了优化分析，在效率因子相同的情况下，通过变化吸热板的宽度和厚度，铜的消耗量可以减少47.8％。