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环境温度与太阳能热利用效率

信息来源:nooeoo.com  时间:2007-03-14  浏览次数:318

  热效率低的主要原因
  目前,平板太阳热水器全日集热效率最高仅达50%,多数情况只有30%~40%左右。而玻璃真空管太阳热水器全日热效率最高仅达58%。现在市场上主要是这两种产品。导致热效率低的主要原因是环境温度比热水器的集热器温度低很多。例如集热面板温度往往高达70℃左右,而全年多数时间环境温度才20℃左右,北方冬天则低到零下20℃~30℃,因而顶面散热损失严重而导致热效率很低。而现有技术都是用强制抑制顶面散热的方法来提高热效率,例如用“真空”、“蜂窝”等强制抑制方法。其结果是导致成本很高(特别是真空管,目前销售价已达5000~6000元/台),但热效率的提高却很有限,超不过60%,这也是现有太阳热水器的主要技术难题。
  提高环境温度的新实验方法
  因此,只要想办法提高天空环境温度tk,就可以减小太阳热水器与环境的温度差,也就可以减少整个太阳热水器(特别是顶面)的散热损失,从而大幅度提高热效率。显然,这一方法与“强制抑制散热”的传统方法有根本的不同。
  具体实验方法之一就是继续利用温室原理,将整个热水器放在一个顶面透明的温室之中,则温室内的环境温度(即对热水器直接起作用的环境温度)就要比温室外的天空环境温度(这时对热水器不起作用)高很多。
  而且,温室的具体结构还可做各种改进,使其更有利于提高环境温度。例如:可以使温室内的受光面积比热水器的集热面积大很多,并在其上表面铺满黑色物质(见图),可以吸收更多的太阳光热量,就可使环境温度更高。顶面可用透光率尽量高的板或薄膜制作,而且用多层透明板、膜,每两层之间隔开一定距离、都构成一个温室,就形成“多重温室”,能更有效地防止温室顶面散热、从而更有效的提高温室内环境温度。该温室的背面矮墙和斜坡由各种保温材料制成,也可用泥土制成,就构成“矮墙多重温室结构”。
  提高天空环境温度的另一实验方法,是利用物体表面对太阳光热量的“表面积累效应”或“表面积累效果”,物体表面将吸收的太阳光能量转变成热能,再散发到表面附近空间。
  由于热量来不及再散发到远处空间而在表面附近积累,致使物体表面附近温度升高。例如,太阳光长时间照射在沙漠上,接近沙漠表面的空间温度高达60℃~70℃,比高处空间温度高20℃~30℃。离表面越远,温度逐渐降低。又如,有人冬天在墙角晒太阳,就感到很暖和。显然墙角(水泥墙壁)的温度比远离墙角的空间的温度高很高13℃~20℃。
  因此,我们将放置太阳热水器的物体表面(房顶、墙壁、地面等),涂上能有效吸收和散发太阳光热量、自身温度又容易升高的物质,例如将沙子浇上黑色沥青油漆,涂于物体表面,就能人为的发挥和利用这种“热量表面积累效应”大幅度提高环境温度、提高热效率。
  “多重温室方法”和“热量表面积累效应方法”的主要优点是,能同时大幅度提高热效率和降低成本。本文着重根据实验论证热效率的提高,对成本等另有专门论文详细论述。
  用“阳台三重温室法”测量太阳热水器热效率
  1.实验装置
  将普通闷晒式太阳热水器外面套一个用透明塑料薄膜制成的透明罩,置于阳台上,阳台全封闭,就构成“阳台三重温室”:热水器的透明盖板里面是“第一重温室”,热水器外面套的透明罩成为“第二重温室”,而房屋的封闭式阳台,则形成“第三重温室”。在窗外和每重温室内各放一支温度计。
  透明罩要求较大,使其形成的第二重温室内的受光面积(还涂上黑色物质)比热水器集热面积大很多。阳台形成的第三重温室内的受光面积显然比热水器集热面积大得更多。面向室外的一面全是玻璃窗,将太阳光射向热水器的那面玻璃窗打开(晚上和阴雨天仍关上),再封闭贴上透明塑料薄膜,以增加阳光透过率。本实验在本人家里的阳台上进行了多次、并实际使用了该太阳热水器多年,下面仅例举其中部分有代表性的一次数据。
  2.实验原始测量数据
  实验日期:2003年1月31日
  实验地点:中国青海省西宁市(北纬36.5)
  注:(1)在2002.8.2的实验中,记录到双重温室内温度达46℃。
  (2)上表中,t1为室外温度,t2为阳台内温度,tk为套在热水器上的透明罩内温度(即提高了的环境温度),t5为热水器水箱内水温。
  (3)下午,15∶00~17∶00时,室外温度t1达15℃~16℃(气温才2℃~3℃),显然是由于窗外水泥墙壁表面对太阳光热量的表面积累效应,因温度计挂在窗外,离水泥墙壁不远,又经太阳照射水泥墙壁3~5小时。
  3.效率的计算
  平板太阳热水器顶部瞬时集热效率公式为
  η=[IF(τα)b-KsF(tb-tk)]/IF=(τα)b-Ks (tb-tk)/I
  其中,第二项是计算了顶部散热损失的效率。第一项是太阳辐射能量最终被集热板所吸收的吸收率,即计算了阳光透过面盖时损失的能量的效率。对第一项,我们有
  (τα)b=(τα)+(1-τα)(α1+α2τ+α3τ2+…)
  (τα)=τα/[1-(1-α)ρm]
  其中(τα)是集热板对太阳能量的最终吸收率,它经过面盖升温修正而得到修正值(τα)b。
  以上公式中各符号的物理含义如下:I是到达面盖的太阳辐射强度,F是集热面积。面盖阳光透过率τ=τα
  τρ其中τρ是忽略吸收率的透过率,τα是只考虑吸收,作用的透过率。α是集热板光谱选择性涂层的吸收率,ε是它的发射率,与ε相关的面盖经验数据是α1、α2、α3、ρm是集热面漫反射率,Ks是顶部散热传热系数。
  4.计算结果
  本实验“三重温室”的3个透明面盖都用聚氟乙烯塑料薄膜,这是很一般的材料,可以很容易的买到。根据生产厂家测试数据,它的τ=0.93。热水器集热板所涂光谱选择性涂层的α=0.93,ε=0.11(氧化铜黑),对单层面盖:α1=0.17,ρm=0.16,对双层面盖:α1=0.10,α2=0.46,ρm=0.24对三层面盖:α1=0.07,α2=0.36,α3=0.60,ρm=0.29。将这些数据代入以上公式计算得到:
  对单层面盖,(τα)b= (τα)+(1-τα)α1= 88.10% ;
  对双层面盖,(τα)b=(τα)+(1-τα)(α1+α2τ)=85.17% ;
  对三层面盖,(τα)b=(τα)+(1-τα)(α1+α2τ+α3τ2) =85.65% 。
  因此,热效率达85%是比较容易的。这比当代最好的真空管太阳热水器热效率58%整整高出27%以上。若使用当代最好的材料,效率将会更高,美国爱俄华薄膜技术公司最新氟塑料薄膜透明度接近100%。
  因此取τα=0.99,τρ=0.99,τ=τα,τρ=0.98。IBM化学蒸镀膜的α=0.98,ε=0.28,对单层面盖:α1=0.17,ρm=0.16,对双层面盖:α1=0.10,α2=0.46,ρm=0.24,对三层面盖:α1=0.07,α2=0.36,α3=0.60,ρm=0.29,将这些数据代入以上公式计算得到如下比最好的真空管高30%以上的结果,对单层面盖:(τα)b=98.05%;对双层面盖:(τα)b=95.60%,对三层面盖:(τα)b=95.50%。
  从表中实验数据已证明,在实验的主要时间内,温室内环境温度都高于热水器水温,因此,热水器不但没有散热损失,反而能保证环境热量向热水器倒流。因此,以上计算出的效率η的第一项(τα)b的数值,就是总效率的数值。而且,还要另外加上环境向热水器的“倒流热量”(即效率η公式的第二项为正值,待测量)。
  以上良好结果取得的原因是很明显的,“热量表面积累效应”使窗外附近温度比气温高出12℃~13℃,而“阳台三重温室”又将环境温度提高22℃~23℃,二者总共将环境温度提高32℃~35℃,这才使环境温度高于热水器水温,从而才使热效率提高到85%~95%,比最好的真空管高出30%以上,还要另加环境向热水器的“到流热量”。
  此外,多重温室还有如下众多的优越性:安装、使用、维修方便;阳台内空气干燥稳定、热水器受到良好的保护;没有风雨雪、冰雹、潮气的损坏,对其制造材料性能的要求大幅度降低,最终使成本大幅度降低等等。

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