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阳光环绕式直角平面反射—真空管集热系统

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:149

  玻璃真空管太阳热水器由于真空管上下端与水箱和基体的连接处要垫圈固定,故真空管不能紧靠在一起,中间必存一段空隙。通常采用真空管背部放置平面反射板,利用真空集热管为圆柱形吸收表面的优势,即背向太阳的表面也有吸收涂层,平面反射板漫反射作用使大部分照射到反射板上的光线投射到集热管背向太阳的一面,从而解决真空集热管的间隔空间问题,同时达到减少真空管用量,降低成本的目的。这种漫反射—集热系统一般比没有反射板集热系统所接收的太阳辐射高出25%左右。
  反射器、聚光器的类型很多,有二维的(线聚焦)和三维的点聚焦 ;也可分为反射型聚光器和折射型菲涅尔透镜 聚光器。玻璃真空管作为采光集热元件,其聚光器只能采用二维的,且目前以反射型居多,除漫反射板外,即槽型反射聚光器,为槽型抛物面或槽型圆弧面。
  在复合抛物面(CPC)或太阳灶等高聚光比的系统中,由于接收角很小,因此必须采用跟踪装置。但对于真空管热水器而言,往往出于成本上的考虑不采用跟踪装置。为了提高真空管接收集热系统的太阳入射能量,提高其热效率,必须设计得使其在一个较大的接收角范围内能把入射光投射到接收器,即真空集热管上去,使系统在较大接收角范围内有较高的光学效率。
  为充分利用真空管圆柱形的吸热表面的结构特性,将背向太阳部分的吸热涂层利用起来,增加真空集热管太阳入射能量,提高热效率,我们探索了阳光环绕式直角平面反射—真空集热管系统的优化设计,提高了光学效率。并将此用于太阳热水开水器产品的设计当中。
  阳光环绕式直角平面反射—真空管集热系统
  从上述分析可知,通过光学优化设计,我们完全可以置玻璃真空管圆柱形的吸热表面于阳光环绕之中,充分利用背向太阳部分的吸热涂层,以求得更高效的玻璃真空管光学集热系统。在太阳热水开水器的光学系统设计中,我们不要求和追求理论上的线聚焦;一切直接照射、反射、再反射、散射到真空管,即阳光采集接收器尺寸范围内的光线都是有效的。这类热水开水器光学系统设计和参数选择的任务就在于使系统全天接收的能量最大。当然,在注意提高热效率的同时还要注意对结构工艺性及制造成本的综合考虑,以求得最高的性能价格比。单纯追求热效率是不符合技术经济性原则的。阳光环绕式直角平面反射—真空管集热系统在一个较大的接收角范围内把入射光投射到接收器上,使系统在接收角范围内有较高的光学效率,同时满足结构工艺性及制造成本的综合因素,以求获得最高的性能价格比。
  众所周知,一天中太阳总辐射是不断变化的,无论在水平面上还是倾斜面上,晴好天气时一天中太阳总辐射量的变化基本上可以看成是余弦曲线状。对于两分日,在太阳时正午前后各4个小时的范围内的太阳总辐射量累计值占全天的94%以上;在太阳时正午前后各3个小时的范围内的太阳总辐射量累计值占全天的81.8%左右。可见,不同入射角系统的光学效率对平均全日光学效率的贡献因不同入射角时太阳辐射值不同而异。入射角接近零时,即接近太阳正午时太阳总辐射和直射辐射均大,其光学效率值对平均全日光学效率的影响也就比较大;入射角较大时,即早晚时太阳总辐射和直射辐射的值都很小,其光学效率值对平均全日光学效率的影响也就小。因此,阳光环绕式直角平面反射—玻璃真空管接收系统的设计和参数的选择,不是依据太阳辐射全天的算术平均值,而是把接近太阳正午前后几小时的入射光投射到接收器上,以达到系统全天接收的能量最大,即接收角范围内中必须包括太阳正午前后几个小时的入射光。
  图1和图2显示了阳光环绕式直角平面反射—玻璃真空管集热系统当光线法向入射和15°时光线入射的反射情况。从图中可以看到,在阳光照射下,2范围内的阳光直接照射到圆管表面的124部分;1和4范围内的阳光照射到聚光器反射面上,再被反射到圆管表面的312和243部分;3范围内的阳光照射到聚光器的反射面,又被反射到另一反射面再反射到圆管表面的134部分。图1和图2显示,加用阳光环绕式直角平面反射器后,真空管圆周表面即可得到从四个方向来的阳光照射而不仅仅是接收单方向的直接照射,如果忽略反光材料的反射率,直角反射器开口面积足够大,真空管表面可以得到4倍于圆管直接暴晒于阳光照射下所得到太阳辐射能量。
  阳光环绕式直角平面反射器随阳光入射角变化的光学效率
  图1与图2分别标出了光孔宽度上入射光线达到接收器表面前经过反射的次数;它们在开口宽度上所占尺寸若分别为A1,A2,A3……假设反射面无反射损失ρ=1 ,则系统在该入射角时的光学效率:
  式中Aa为反射器开口面积。
  这样,我们就可以得到系统在一系列入射角时的光学效率值,从而得到随入射角变化的光学效率曲线。
  反射材料的选择
  在实际应用中人们最感兴趣和最有用的是真空管所吸收的光能份额η0θ 。因为他直接影响传递给水的能量,故我们必须考虑反光材料对光能的吸收有影响的参数反射率ρ。在光照入射角θ的绝大部分范围内,不同的e所对应的η0θ)相差较大。且ρ越大η0θ 也越大,这就要求在实际制作当中,尽可能地利用条件使阳光环绕直角平面反射器内表面的材料为高反射率的材料。
  配有阳光环绕式直角平面反射器的太阳热水开水器
  1.样机简介
  该太阳热水开水器由集热器、贮热水箱、补给水箱、螺杆式可调倾角悬挂支架四部分组成。其中集热器和贮热水箱可根据现场情况及客户要求分体安装。
  集热器:有效采光面积为1.78㎡,采用10根φ47×1200mm的普通玻璃真空管;
  反射器:阳极氧化铝板,反射率0.93。
  2.技术指标
  每台集热器采光面积为1.78m2,10根φ47×1200mm。真空管在晴好天气条件下:
  4~10月间,日产开水量为40~65公斤,日平均效率为51%。或日产热水量52℃ 为120~190公斤,日平均效率为60.4%。
  11~3月间,日产开水量为20~35公斤,或日产热水量为60~110公斤。
  该热水开水器还装配一套操作方便、结构简单而灵活的螺杆式可调倾角装置。这种装置在一年中调整2~4次,即可保证集热器一年中始终在最佳倾角下工作,摄取最大的太阳辐射能量。
  该热水/开水器除了家用型外,还可通过串、并联组合成大面积的阵列系统,为学校、部队、医院、旅馆饭店等人员相对集中的地方提供热水、饮用开水,并可为太阳能空调、冰箱、苦咸水淡化及工业等提供热源。

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