1、青島大學本科畢業論文（設計）第一章 緒 論1.1 能源現狀 當今世界，人類社會發展日益加速，無論是在工業、農業還是第三產業服務業、高新技術產業，都處于人類歷史上發展的一個階段。社會的發展提高了人類的生活水平，增強了社會生產力，與此同時，提供社會發展所需的能源（例如煤、石油等）的使用也不斷增加1。1.1.1 能源的利用狀況 回顧人類對能源的利用史可知，人類對能源的利用主要有三大轉換：第一次是煤炭取代木材等成為主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主導地位；而當今世界是在石油逐漸枯竭的狀況下向多能源結構的過渡轉換1。人類利用能源的歷史，也就是人類認識和征服自然的歷史。人類利用能源的歷史可分為五大階段：

2、（1）火的發現和利用；（2）蓄力、風力、水力等自然動力的利用；（3）化石燃料的開發和熱的利用；（4）電的發現及開發利用；（5）原子核能的發現及開發利用。18世紀前，人類利用能源的方式僅是對風力、水力、畜力、木材等天然能源的直接利用，尤其是木材，在世界一次能源消費結構中長期占據首位。18世紀開始了產業革命，促進了煤炭的大規模開采。到19世紀下半葉，出現了人類歷史上第一次能源轉換。煤炭在一次能源消費的結構中所占比重越來越大，世界逐漸進入“煤炭時代”1。 19世紀70年代，電力代替了蒸汽機，電器工業迅速發展，煤炭在世界能源消費結構中的比重逐漸下降。1965年，石油首次取代煤炭占居首位，世界進入了“石

3、油時代”。至此石油取代煤炭完成了能源的第二次轉換。 但是地球上石油的儲量有限，石油的大量消費，使能源供應嚴重短缺，而且化石燃料的大量利用破壞了生態環境，間接對人類的發展造成影響1。因此，世界能源向石油以外的能源物質轉移已勢在必行。1.1.2 世界能源利用現狀隨著經濟的高速發展和世界人口的不斷增長，世界一次能源的消費量也日益增加。世界能源消費的增長模式也因國家地區的不同呈現不同形式。發達國家的增長速率明顯低于發展中國家。其原因為發達國家經濟發展已向低能耗、高產出的產業結構發展，高能耗的制造業逐步轉向發展中國家；不僅如此，發達國家高度重視節能與提高能源使用效率1。盡管如此，世界各國還是面臨不可再生

4、能源大肆利用所帶來的能源危機。當今世界大部分國家能源供應不足，各國努力尋求穩定充足的能源供應，都對發展能源的戰略決策給予極大的重視，其中可再生能源的開發與利用尤為引人注目?；茉吹睦脮a生溫室效應，污染環境等，這一系列問題都使可再生能源在全球范圍內升溫。從目前世界各國既定能源戰略來看，大規模的開發利用可再生能源，已成為未來各國能源戰略的重要組成部分。認識到現用能源的局限性，世界上許多國家都把可再生能源作為能源政策的基礎。從世界可再生能源的利用與發展趨勢看，風能、太陽能和生物質能發展最快，產業前景最好，其開發利用增長率遠高于常規能源2。1.1.3 我國能源利用現狀我國地大物博，蘊含的能源豐富

5、，但是我國人口數量很大，導致能源的人均消費量少。我國能源雖然豐富，但分布很不均勻，煤炭資源和水力資源分別集中在華北和西南地區，而人口和工業集中在能源資源缺乏的南方。我國農村的能源消耗巨大，主要包括兩方面，即農民生活和農業生產的耗能。我國農村人口多，能源需求量大，電能、農作物的燃燒，即使加上農民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴、揀拾干畜糞等，都不能滿足對能源的需求1。我國煤炭資源儲量豐富，從目前情況看，煤炭仍是我國的主要能源。煤炭的主要利用形式是在在燃燒設備中直接燃燒使用，煤的燃燒排放的廢棄成為我國大氣污染的主要根源。而且能源的利用率低增加了煤的消耗量，我國煤的儲量將逐步減少，逐漸面臨能源匱乏狀況。由

6、于資源的有限性和不可再生性，化石能源最終將被耗盡，因此開發可再生能源和新能源技術不但非常必要，而且非常緊迫。我國能源供應形勢和暴露出的問題，要求我們從現在開始結束對化石能源的過分依賴，大力發展太陽能等可再生能源3。1.2 太陽能能源在人類的生存和社會的發展中扮演著極其重要的角色。能源的開發利用對國民經濟和社會發展都有重大意義。世界上消耗的能量大部分來自礦物質的燃燒，隨著能源危機的出現，人們開始認識到礦物質燃料的有限性。如何解決能源問題變得越來越重要。尋找新能源和大力開發可再生性能源是解決問題的重要途徑。在可再生性能源中研究應用最多、涉及科學面最廣的就是太陽能。太陽能一般是指太陽光的輻射能量，是

7、來自地球外部天體的能源，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成的。它們實質上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、等也都是由太陽能轉換來的4。據記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”和“未來能源結構的基礎”則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異4。太陽能在新能源發展中取得重要地位是因為它與常規能源相比具

8、有很多優點，是一般常規能源無法比擬的。其特點為5：蘊藏能量巨大、潔凈安全、分布廣泛、時間長久等特點；雖然太陽能有很多優點，但它也存在一些不利于開發利用的特點：分布不均、；間歇性和不穩定性、低效性、易反射等。太陽能是無窮盡的，無公害的，而且無論怎樣利用對地球的熱平衡也不會有影響。它利用領域廣闊，在世界任何地方大致都可以均等地獲得，沒有先進國和落后國之別，只要具有一定的技術水平和必要的容量，就可自由利用6。太陽能的利用形式：（1）光熱利用 其基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦型集熱器等3種。通

9、常根據所能達到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用(80)。（2）太陽能發電 未來太陽能的大規模利用方式之一就是太陽能發電。利用太陽能發電的方式有多種，目前己實用的主要有以下兩種:1)光一熱一電轉換。即利用太陽輻射所產生的熱能發電；2) 光一電轉換。其基本原理是利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。（3）光化利用 這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光一化學轉換方式。（4）光生物利用 通過植物的光合作用來實現將太陽能轉換成為生物質能的過程。目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻等7。1.3 太陽能集熱器1.3.1 太陽能集熱器的研究意

10、義能源是發展社會生產和提高人們生活水平的重要物質基礎，是推動國民經濟發展的強大動力6。我國作為一個發展中國家，面臨人口、資源和環境的巨大壓力，需要大力發展各種能源來實現我國經濟的發展。從可持續發展的觀點看，能源是我國實現現代化的重要因素。隨著能源緊張現狀的不斷加劇，潔凈、易得、儲量豐富的能源越來越重要，因此人們越來越重視新能源的開發利用。一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會的需要，而又不危及后代人生活的社會，節約能源，提高能源利用率，盡可能多地利用潔凈能源替代含碳量高的礦物燃料，是歷史發展的必然。太陽能技術應用是當今乃至以后人類的一個重要課題6。隨著社會的發展、人民生活水平的提高，結構

11、簡單、集熱效率高、成本低、開發性能優良、以工業化生產的太陽能集熱器越來越受到人們的青睞。平板式太陽能集熱器以其節能和高效得到越來越多的關注，且對減少常規能源的消耗和減少對環境的污染具有重要意義。1.3.2國外太陽能集熱器的研究狀況及發展在國外，各種各樣的太陽能集熱器已經得到廣泛應用。例如文獻8中采用了一種新型的聚光集熱器，這種集熱器在高溫應用上具有很大的優勢。1998年n.benz等人發明了一種ti材料作為集熱器透明蓋板,性能有所提高，但目前為止還沒有投入生產9。1999年挪威開發了一種裝入塑料材料的太陽能集熱器10。這種集熱器雖然安裝簡單，但制作工藝復雜，效率與普通中空玻璃集熱器相比差不多，

12、經濟性能較好。希臘佩特雷大學的y.tripangnostopoulos等人開始研究太陽能集熱器吸熱板顏色的不同對太陽能集熱器性能的影響。經過對安裝不同顏色集熱器吸熱板的實驗研究，比較其集熱器效率11。希臘雅典工業教育大學的p.t.tsilingiris發明一種背部平行聚合吸熱板全塑料太陽能集熱器12。科威特科學技術大學的a.h.abdullah等人在太陽能平板集熱器吸熱板和蓋板之間增設一種蜂窩狀聚碳酸酯膜，并采用不同的組合形式進行試驗13。文獻10中論述了一種低鐵玻璃作為太陽能集熱器透明蓋板，還有一些透明塑料薄膜也常被用做集熱器透明蓋板。隨著太陽能利用技術的發展，越來越多的科學家對太陽能集熱器

13、進行多方研究，希望從不同角度提高太陽能的利用率，進而節能降耗。1.3.3國內太陽能集熱器的研究狀況我國太陽能集熱器開發利用始于二十世紀五六十年代的悶曬式，到了七八十年代開始應用平面太陽能集熱器14。到2001年我國已累計擁有太陽能集熱器達3100萬平方米，居世界第一位。平面太陽能集熱器以其簡單廉價和安裝方便在全世界都獲得廣泛的應用。但我國的家庭太陽能集熱器的普及率僅為4%11。由于我國的研制、生產及推廣的歷史不長，平面太陽能集熱器還存在著熱損失系數大、穩定性不好等缺點，從而限制了平面太陽能集熱器產品的發展15。為了太陽能和集熱器的發展，我國科學家也積極研究實驗，且取得了巨大的成果。例如：陜西省

14、物理研究所的焦小浣對聚碳酸脂作為透明蓋板材料以雙層的結構形式，用于太陽能集熱器進行了對比測試16。北京航空航天大學袁修干等人研制的含有透明絕熱結構的太陽能蜂窩平板集熱器17。透明絕熱蜂窩結構能夠顯著降低集熱器的表面熱損失提高其集熱效率。2002年河南林業大學研制出了一種蘑菇型全玻璃真空太陽能集熱器15等。1.3.4 太陽能集熱器的發展現狀太陽能集熱器的類型主要有：平板型太陽能集熱器、真空管型太陽能集熱器兩大類。平板型太陽能集熱器俗稱平板集熱器，只能運行在60攝氏度以下的工作溫度，若運行溫度較高時，即熱效率明顯降低。在寒冷地區，平板集熱器不能全年運行18。真空管型太陽能集熱器包括全玻璃真空管太陽

15、能集熱器（全玻璃真空管、普通型全玻璃真空管集熱器）和玻璃-金屬封接真空管太陽能集熱器（玻璃-金屬封接式真空管、玻璃金屬封接式熱管真空管集熱器）。由若干支真空管按一定規則排成陣列，與聯集管、尾架和反射器等組裝成的太陽集熱器模塊稱為真空管太陽集熱器。由于真空管采用真空保溫，因此，散熱損失比平板集熱器顯著減小，在60 以下的工作溫度下，仍具有較高的熱效率, 在寒冷的冬季，仍能集熱，并有較高的熱效率19。系統對太陽能集熱器的要求：集熱器在工作期間具有較高的熱效率，以達到充分利用太陽能源的效果；集熱器能夠承壓運行，以確保系統工作可靠；集熱器能夠水平放置，以方便樓面太陽能布局和整體美觀協調等；太陽能系統后

16、期使用管理的方便性；系統運行的可靠性；太陽能系統的存在不會給機場、人流多的公共場所帶來任何可能的安全隱患18。平板型太陽能集熱器是將太陽輻射能轉換為熱能的裝置。它是一種不燒煤的“ 鍋爐” , 又是一種特殊的熱交換器。平板型太陽能集熱器的主要特點是吸熱體的面積與采光面積相等, 沒有聚光作用, 可同時利用太陽直射輻射和散射輻射（ 聚光型集熱器只能利用太陽直射輻射）。平板型集熱器一般都采用固定安裝, 不需跟蹤,結構簡單, 工作可靠, 成本較低, 適用面廣。集熱器內的工質為液休或氣體。太陽能集熱器可用于太陽能熱水器、太陽房、太陽能干燥等許多低溫利用方面19。平板型太陽能集熱器結構簡單，安裝方便，使用維

17、修成本低，無防凍問題，與建筑物配合有一定優勢，可廣泛應用于干燥和采暖領域。平板型太陽能集熱器由吸熱板、蓋板、隔熱材料和外殼四部分組成。吸熱板采用帶翅片板。吸熱板：吸熱板是將太陽能轉換為熱能并把熱能傳遞給載熱體的一種能量轉換和熱量交換器。集熱器性能的好壞，除了合理的結構外，吸熱板材料也起重要作用。對吸熱板的材料要求：具有良好的導熱性，有一定的承壓能力，有良好的熱工性能，與水的相容性良好，耐腐蝕性能好，加工工藝簡單，材料來源方便，成本合理，運行可靠20。透明蓋板包括普通玻璃、鋼化玻璃和透明塑料薄膜等。其作用是透射太陽光且阻止吸熱板向外輻射，減少吸熱板和環境的對流，防止外部因素對吸熱板的破壞。透明蓋

18、板的性能：太陽能透過率越大越好，不透過或盡量少透過紅外線，具有一定的堅固性，壽命長等20。設備和裝置中采用保溫材料來減少整個系統的熱損失。它是太陽能熱利用系統中不可缺少的材料之一。要求保溫材料導熱系數小，耐溫性強，耐腐蝕不吸水，安裝方便，價格便宜等特點20。集熱器外殼的作用：保護吸熱板和保溫材料；支持透明蓋板；保證集熱器具有一定的剛度，以便安裝在支架上20。平板型太陽能集熱器的工作原理：當太陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收涂層的吸熱板上時，吸熱板吸收太陽的輻射能，將其轉換成熱能，并將熱能傳給吸熱板流道內的工質，使流道內工質溫度升高；從集熱器進口進入吸熱板的較低溫度的工質在吸熱體流道內被加熱升

19、溫后從集熱器出口流走，并將有用的熱能帶走；與此同時,吸熱板溫度升高，透過透明板和外殼向周圍環境散失熱能，為減少散熱，在平板太陽集熱器底部和邊框四周填充保溫材料18。集熱板的翅化：表面翅化改變了金屬集熱板自身的表面結構，增加換熱效果。表面翅化作為強化傳熱的重要技術手段已有許多年的歷史，多用于工業和民用的采暖和冷卻設備以及一些電子設備的散熱上。本研究應用表面翅化結構來增加熱吸收量，翅片在強化傳熱中增大了熱量接收面積，強化了空氣和吸熱板之間的對流換熱。翅化表面可以通過增大吸熱面積以及對熱輻射的連續反射吸收作用，減少輻射的對流損失，從而增加吸熱量，進一步升高物體的表面溫度21。集熱板翼上的翅體均勻而有

20、規律的分布，翅結構的種類有半球體翅化、等腰三棱錐翅化、圓錐體翅化等。本研究采用半球體型翅化，即將水管半埋于保溫材料中，高于集熱板部分的管子作為集熱板的翅化，加強空氣和集熱板之間的對流換熱。之所以選擇半球型翅化是因為光線照射到球面上時，無論其角度怎么偏斜，總有部分光線是垂直于球面的，當入射光垂直于入射表面時，其高度角為最大，接受表面的輻照度也就最大，將有更多的輻射能被吸收。球面翅體不僅大大減少了金屬板面的發射率，還因自身表面為凹凸不平結構，增加了將入射太陽能反射到自身表面的比率，從而減少了太陽能的輻射損失21。集熱器材料選擇：透明蓋板的種類包括普通法玻璃、鋼化玻璃和透明塑料薄膜。我國用于吸熱板的

21、金屬材料有鋼板、銅板、鋁材等。集熱器外殼可以用金屬、塑料木材等。保溫材料包括玻璃纖維、礦渣棉、泡沫塑料等20。隨著太陽能在住宅建筑中的擴大應用和適應太陽能與建筑結合要求，近年來對平板集熱器高度關注，充分認識到其優勢。很多研究機構積極開展高效平板集熱器的研究，促進平板型集熱器的發展。1.3.5 平板太陽能集熱器的發展方向由于國外太陽能系統設計理念的不同，國外太陽能市場始終以平板集熱器為主。因為針對國外采用的間接系統、分體式系統和閉式承壓系統而言，平板集熱器系統的壽命長，維護費用低且方便解決非采暖季節的系統過熱為題。比全玻璃真空集熱器具有明顯的優勢。我國太陽能熱水器一直采用直接加熱的方法使集熱器中

22、的水的溫度升高。平板太陽能集熱器在冬季受環境因素的影響，在其工作時，集熱器中水的凍結是不可避免的問題，它不僅影響了集熱器的正常工作, 而且也是集熱器中集熱管漲開且破裂的原因 22。而國外普遍采用防凍液水二次換熱，在集熱管中注入防凍液，有效地解決了集熱器的受凍問題。與國外的平板太陽能集熱器相比，我國平板太陽能集熱器存在透明蓋板的透過率低，集熱板上的涂層的吸收性能較差等問題。針對國內平板集熱器與國外的技術和質量的差距，應采取以下措施提高平板集熱器的性能和質量23： 1）研究開發具有高吸收率、低紅外發射率、優異的耐熱耐濕耐候性能和適宜的加工成本的選擇性涂層； 2）優化透明蓋板。研究新型的高強度、高透

23、射率的透明蓋板； 3）優化集熱器的結構設計，改善制造工藝，使其結構具有良好的的嚴密性，從而減小集熱器的散熱損失； 4）選用適宜的材料，提高集熱各個器部件質量，優化結構設計，確保集熱器可以經受冰雹、淋雨的沖擊，能夠承受空氣暴曬，采用耐老化的材料，從材料的材質，結構的改善入手，從不同角度提高集熱器壽命，減少系統維護所需的費用； 5）為適應不同環境的要求，太陽光曬的的角度等，研究開發高效平板集熱器23?；谏鲜龅木C述，本課題的主要研究內容為：空氣水三維帶翅片的太陽能集熱器，選擇物理模型并對其進行負荷計算，進行數值模擬并且通過改變幾何結構和物理參數得出其對集熱板上方的空氣流動和換熱帶來的影響。第二章

24、集熱器的模型及相關計算2.1 物理模型的選擇2.1.1 平板型太陽能集熱器太陽能的利用形式多種多樣，其中最重要的利用形式就是太陽能的熱利用，而在太陽能的熱利用中，最重要的是將太陽能的輻射能量轉換成為熱能。太陽能是地球上取之不盡用之不竭的可再生能源，但是它分布廣泛且不均，為了有效地利用太陽能，所以利用太陽能集熱器將其集中起來，所以集熱器是利用太陽能的裝備的核心部分。由于集熱器結構合川熱工只等因素的不同，集熱器存在多種類型。平板型集熱器是太陽能低溫利用中的基本元件。與聚光型集熱器相比，它的特征是吸收太陽輻射面積與采集太陽輻射面積相等24。平板型太陽能集熱器的主要組成部分有透明蓋板、集熱板（即吸熱板

25、）、保溫隔熱層和集熱器外殼。當平板太陽能集熱器工作時，太陽輻射穿透透明蓋板照射到集熱器的吸熱板上，吸熱板上涂有選擇性涂層，涂層吸收射到集熱板上的太陽輻射，將輻射能轉換為熱能，將能量傳遞給水管中及集熱板上部空間的傳熱工質，使傳熱工質的溫度升高，被利用的能量作為集熱器的有用能，未被利用的能量通過導熱、對流、輻射等方式散熱，即為集熱器的熱量損失。平板型太陽能集熱器透明蓋板：透明蓋板一般蓋于集熱器中吸熱板的上方，其目的是透射太陽光，減少空氣與外界的對流換熱損失，并且保護吸熱板不因外界因素損壞。為了滿足工質溫度要求及盡量減小熱損失，增帶太陽能的利用率，集熱器中選擇的透明蓋板要求有較大的太陽能透射率，它對

26、集熱器的熱效率有很大影響。因為蓋板還起保護作用，所以它應有較高的強度，堅固性好，不易損壞，對各種環境具有較好的適用性。現在市場上透明蓋板的選材主要有普通玻璃、鋼化玻璃和透明材料薄膜等20。平板型太陽能集熱器集熱板（即吸熱板）：太陽能集熱器中的集熱板吸收太陽輻射能，并將其轉化為熱能，是集熱器中的核心部分。為了滿足管中水的溫度能夠達到要求的水溫，要求集熱板具有良好的導熱性，加強載熱工質與集熱板之間的熱交換。由于水是循環流動且有一定壓力，所以要求其具有一定的耐壓強度，且抗腐蝕，為了降低成本，還需其材料價格便宜，加工成本低。可以用于吸熱板材的材料有金屬、塑料、玻璃等，在實際應用中幾乎都是用金屬材料。我

27、國用于吸熱板的金屬材料有鋼板（包括鍍鋅鋼板）、銅板、鋼管（包括水煤氣管、扁鋼管等）、鋁材（純鋁和防銹鋁）等20。平板型太陽能集熱器保溫材料：保溫材料也稱為隔熱材料或絕熱材料，它是太陽能熱利用中不可缺少的材料之一，為了保證在能量的收集、輸送和貯存過程中的熱損失，對系統中所有設備和裝置都必須采取保溫措施20。為了減小集熱器的熱損失，要求保溫材料導熱系數小且耐高溫，還要求其對空氣中的水分沒有吸附作用。為了較小集熱器的成本，要求保溫材料價格便宜。集熱器所用的保溫材料有玻璃纖維、礦渣棉、泡沫塑料和膨脹珍珠巖等。平板型太陽能集熱器集熱器外殼：集熱器的外殼能夠保護吸熱板和保溫材料，對整個集熱器起支撐作用。由

28、于集熱器安放于戶外，所以要求外殼材料有一定的剛度和強度。因為長期處于風吹雨曬，所以要求其具有耐腐蝕性。外殼材料有多種，一般可用金屬、塑料、木材等。平板型太陽能集熱器集熱板涂層：幾十年來，選擇性涂層一直是太陽能利用技術中一項活躍的研究課題，目前有些集熱器中采用的選擇性涂層有的成本高，有的壽命短，大多數不夠理想。因此研究開發一些性能好、壽命長、工藝簡單、成本低的選擇性涂層仍是一項極有意義的工作25。由于選擇性涂層的選擇關系到集熱器吸收熱量的多少和集熱器效率的好壞，所以要求選擇性涂層在可見光波段為黑色，在遠紅外波段呈透明或反射狀，它們的吸收率和發射率之比越大越好25。2.1.2 集熱板的翅化 表面翅

29、化作為強化傳熱的重要技術手段已有許多年的歷史，多用于工業和民用的采暖和冷卻設備以及一些電子設備的散熱上。其目的都是想在不增大換熱面積或設備體積的同時增加熱輸出量，以達到降低部件溫度的目的21。然而，本研究卻是應用表面翅化結構來增大換熱面積，增加空氣和集熱板之間的擾動，加強集熱板和空氣之間的對流換熱，從而增加空氣的溫度。 集熱器翅片的種類多種多樣，主要有v型翅片、三角錐形翅片、矩形翅片、波浪形翅片和半圓球形翅片等。將集熱板進行三維表面翅化實際上是將金屬表面微觀機械粗糙化21。采用翅片增加集熱板對太陽能的吸收，即照射到集熱板上的通過反射將太陽能反射到翅片上，是集熱板翅片對太陽能進行二次吸收，進而增

30、加集熱板的換熱。例如三維翅化表面的太陽能集熱板，它由三維翅片化結構與銅集熱板、銅管共同連接構成，其連接關系是將銅管與銅板焊接成全銅集熱板，再在機床上將其定位夾緊后用滾刀進行翅化加工，使銅集熱板表面形成三維翅片化結構，便構成三維翅化表面的太陽能集熱板。其結構簡單、易加工制造，集熱性能良好、壽命長、能大大提高太陽能熱水器的效能26。 本研究采用將水管半埋于集熱板中，用水管充當集熱器的翅片，從集熱板上部觀察可將其作為半球型翅片。翅面集熱板的采光能力增強了，而且無論太陽光從哪個角度入射，都是垂直射于翅片表面上的（即過管橫截面的圓心），這時太陽光入射角最大，即熱輻射的面積即為最大面積，更多的輻射能被吸收

31、。球面翅體不僅大大減少了金屬板面的發射率，還可減小吸收率對角度的相關性，從而減少了太陽能的輻射損失21，進而提高了集熱器的熱效率。2.1.3 選擇的物理模型結合平板型太陽能集熱器和集熱板的翅化，本研究所選的物理模型為 集熱板 透明蓋板 保溫材料 水管圖2-1. 平板太陽能集熱器結構圖2.2 集熱器材料的選擇2.2.1 集熱器透明蓋板的材料對透明蓋板的材料進行比較可知，普通玻璃透過率高且耐老化，但易破裂，隔熱性能不好。普通玻璃按含鐵量的不同可分為低鐵玻璃、常規平板玻璃和吸熱玻璃。普通玻璃中含氧化鐵量的多少影響玻璃透光率。含氧化鐵量越低，透光率越高；當含鐵量增加時，玻璃厚度對透光率也有很大影響20

32、。鋼化玻璃屬于安全玻璃。鋼化玻璃其實是一種預應力玻璃,為提高玻璃的強度,通常使用化學或物理的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力，增強玻璃自身抗風壓性，寒暑性，沖擊性等27。鋼化玻璃的抗沖擊強度是普通玻璃的45倍，抗彎曲強度是普通玻璃的3倍20。鋼化玻璃代替普通玻璃可減小玻璃厚度，提高透過率并且減輕玻璃的重量。透明塑料薄膜：用氟樹脂制成的薄膜有很好的透光性，透光率可達到0.92至0.9420。其特點是價格便宜，耐老化性能好，但是透明塑料薄膜表面易起毛，影響透光率且熱膨脹系數大。結合三種材料的比較，本研究所選用的透明蓋板材料可用普通鋼化玻璃。2.2.2

33、集熱器中集熱板（即吸熱板）的材料我國太陽能集熱器吸熱板主要用金屬材料。其中鋼板雖然成本不高且強度高，但是它導熱系數小并且比重較大。不銹鋼雖然具有良好的耐腐蝕性，但價格較高，不適于推廣。鋁的比重小，導熱系數大，加工性能好，成本比鋼板稍高，且耐腐蝕性也比鋼板好，但在水中容易發生腐蝕20。銅具有較好的導熱性能，耐腐蝕性也好，并且加工方便。塑料作為吸熱板的材料，有加工方便、重量輕、成本低的特點，但它耐熱性差，易老化，所以在實際生活中很少選用塑料為吸熱板材料。結合上述各種材料的特點，可以兩種材料同時使用。因為鋁板導熱系數大，比重小，加工性能好，但在水中易腐蝕，所以可將其作為集熱板。由于用具有較好的導熱性

34、能，且耐腐蝕性好，所以可將其作為水管的材料。集熱板和水管之間可以通過焊接鏈接起來，共同組成帶翅片的集熱板。也可以采用全部用銅材作為集熱器的吸熱面。2.2.3 集熱器的保溫材料集熱器中保溫材料的存在，減少了其向四周環境的散熱，提高了集熱器的集熱效率。目前平板太陽能集熱器的保溫材料常用的有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。但在實際應用中，這些材料都出現一些問題。例如：聚苯乙烯在溫度較高（高于70）時會收縮，因此在使用它作保溫材料時，往往在它與吸熱板之間先放一薄層巖棉或礦棉；而聚氨酯使用時溫度也應長期低于100；巖棉、礦棉雖然使用溫度很高，但保溫性能有限，而且巖棉、礦棉等材料所含有的纖維會給生產和施工

35、的人員的呼吸系統、皮膚及眼睛粘膜等帶來危害28。因為這些材料或多或少都存在一些問題，為了克服這些問題，一種新的保溫材料被研究出來。這種材料就是被稱為第三代新興保溫材料的酚醛泡沫。酚醛泡沫是以酚醛樹脂和乳化劑、固化劑、發泡劑及其他助劑等多種物質，經科學配方發泡固化而成的閉孔型硬質泡沫塑料28。酚醛泡沫具有難燃性、低煙、低毒、耐熱性優異等眾多優點。到目前為止，酚醛泡沫已在多個領域得到廣泛的發展。酚醛泡沫在平板太陽能集熱器中的應用，能夠將集熱器與四周的換熱損失降到最低，從而提高了集熱器的熱效率。而且酚醛泡沫能夠適應廣泛的溫度范圍，所以它的使用壽命相對要長，熱穩定性要好。因為酚醛泡沫的難燃性，所以它可

36、作為一種不然材料，不需加入任何阻止燃燒的添加劑。綜合酚醛泡沫的所有優點以及和其他材料的比較，本研究選取酚醛泡沫作為平板集熱器的保溫材料。2.2.4 集熱器外殼的材料集熱器外殼的材料可以用金屬、塑料、木材等。其中鋼板是常用的外殼材料，它的機械強度高，加工也方便但是耐腐蝕性不好，為了改善其防腐性能，可以采用鍍鋅或涂防銹漆的方法。用木材作為集熱器外殼的材料，它的加工方便，但容易變形，而且必須采取防腐措施。塑料作為集熱器外殼材料，因為其成型方便，甚至可以把外殼與保溫層合成一體20。塑料耐腐蝕性強并且重量輕，可用于小型集熱器，但是其耐老化性和強度都是值得注意的問題。綜合各種材料的優缺點，采用鋼材作為集熱

37、器的外殼。2.2.5 集熱板（即吸收板）上的涂層太陽能吸收涂層可分為兩大類：選擇性吸收涂層和非選擇性吸收涂層。因為太陽輻射能量主要集中在波長為0.32.1的可見光譜范圍內，所以可以用選擇性涂層。選擇性涂層對太陽光譜內的光吸收程度很強，輻射損失很小。為了減少輻射熱損失，要求吸收涂層在紅外區有盡可能低的的發射率。選擇性涂層的種類有電鍍涂層、電化學轉化涂層、真空鍍膜涂層、涂料涂層等。涂料涂層是一種發展比較早的涂層，制備方法一般采用壓縮空氣噴涂法。真空鍍膜涂層利用真空蒸發和磁控濺射技術制取。常用的電化學涂層有鋁陽極氧化涂層、cuo轉化涂層和鋼的陽極氧化涂層等，其中鋁陽極氧化涂層光譜選擇性、耐腐蝕、耐光

38、照性能良好，在太陽能熱水器上得到了廣泛的應用。而常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等，均具有良好的光學性能。黑鉻和黑鎳的效果較好，但是電鍍黑鎳生產成本高，且渡液中含有污染環境的物質。電鍍黑鎳耗能少、成本低，渡液中不存在有毒物質29。saher shawk等研究的黑鎳鍍層吸收率能達到0.93，耐久性、熱穩定性、抗腐蝕能力較強30。所以本研究也可以采用電鍍黑鎳作為選擇性涂層。2.3 集熱器尺寸的確定平板集熱器外形平面尺寸推薦如下31：表2-1 平板集熱器推薦外形平面尺寸長（m）寬（m）1.01.01.21.01.51.02.01.0根據推薦的外形尺寸，選取平板太陽能集熱板的尺寸可為長

39、為1.26m，寬為1.0m。平板太陽能集熱器的進出口管徑推薦采用以下四種公稱尺寸：15mm、20mm、25mm和32mm31。所以選取水管尺寸為15mm。集熱器的透明蓋板厚度可取為mm，保溫材料的厚度為mm，集熱板與透明蓋板之間的間距為30mm，管與管之間的間距為10mm。2.4 集熱板上的數值計算計算所需參數如下表32表2-2 各參數值單位面積太陽能輻射量( w/m2)g=680玻璃對太陽能的穿透比覆蓋玻璃的發射率吸熱面（黑鎳）對太陽能的吸收比吸熱面（黑鎳）自身發射率吸熱面的反射率結合太陽光照射情況計算集熱板上的角系數： 太陽光照 集熱板 水管圖2-2 太陽光照射圖因為水管作為集熱板上的翅片

40、，所以類似于圓球形翅片，太陽光無論從任何角度照射，都是垂直于翅片射入。取集熱板上得一個微元計算角系數。（4）（1）（2） （3）（5）圖2-3 集熱板微元結構已知：（1）和（2）的長度為11.775mm，（3）的長度為10mm，（4）的長度為25mm，(5)的長度為19.04mm。在（1）、（4）、（5）組成的圖形中計算x4,1 (2-1)由圖可知，x4,1=x4,2根據角系數的相對性，得出以下各式： (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) (2-6) (2-7)根據角系數的完整性，得出以下各式： (2-8) (2-9) (2-10) (2-11)由以上結構圖可知：x3,1=x3,2；

41、x1,3=x2.3；x1,2=x2,1將各邊長度帶入以上各式中，得出結果如表2-3中所示： 表2-3 各面角系數x1,2=0.13076x1,3=0.11614x1,4=0.7531x2,1=0.13076x2,3=0.11614x2,4=0.7531續表x3,1=0.13675x3,2=0.13675x3,4=0.7265x4,1=0.3547x4,2=0.3547x4,3=0.2906為了便于集熱面的數學計算，作如下假設：1.只考慮直接日射，忽略太陽光的散射，將太陽視為遠處的輻射能量源。2.在本計算中，集熱板設定為水平放置，太陽光從任何角度入射都是垂直入射。3.將保溫材料視為絕熱，集熱板和

42、保溫材料之間沒有熱交換。4.單位時間內的日照條件及周圍環境狀況均相同。5.集熱板上的翅體均勻而有規律的分布。6.忽略集熱板與周圍環境的輻射換熱。三維空氣水太陽能集熱器中，集熱器水箱選取v=100l水箱，前面已述，管徑為15mm，管間距為10mm，集熱板長度為1.26m可知集熱板上共有n=50根管，計算水管中的熱負荷：水的密度為,水的比熱容為光照時間為從早上10點到下午15點，共5個小時。(1)每根管中的水量為： v1=v/n (2-12)代入數據得v1=100/50=2(l)= (m3)（2）單位時間水量為： qm= (2-13)代入數據得qm=/= (kg/s)（3）水管內單位面積水量為：

43、qm1=qm/ (2-14)代入數據得qm1=/=0.62(kg/m2*s)（4）管內水每升高0.1時，水需要的熱量為： q= (2-15)代入數據得q=260.4(w/m2)對集熱板上的吸收能進行計算：（1）穿透玻璃蓋板并且被集熱板吸收的太陽輻射為： gs= (2-16)代入數值得gs=569.16(w/m2)(2)管面上吸收的能量為： (2-17)代入數據得qair=320.22(w/m2)（3）集熱平板上的吸收能為： (2-18)代入數據得qwater=579.11(w/m2)2.5 小結本章闡述了平板太陽能集熱器的結構、材料的選擇以及尺寸的選擇，對各種材料進行詳細的解說，計算了集熱板上

44、的熱負荷，為以后的數值模擬奠定基礎。第三章 數值模擬3.1 流體流動的特性流體流動的狀態主要有兩種形式：層流和紊流。層流的流體質點在流動方向上是分層流動的，流體在流動過程中各個流層間沒有相互干擾和混參。紊流又稱湍流，在流體流動時，各質點在不同方向上做復雜的無規則運動，是一種非穩態的相互干擾的帶旋轉的流動，某一質點上的速度隨時間變化。 流動狀態的判別準則為雷諾數，即慣性力和粘性力之比。其定義式為： (3-1)式中：為流體的平均速度（m/s）；為流體的密度（kg/）；為當量直徑（m）；為動力粘度（kg/(m*s)）。 本研究的速度方向如下圖： 集熱板與透明蓋板之間的高度 速度入口 集熱板的長度 集

45、熱板的寬度圖3-1 集熱器的速度方向當量直徑的公式為： (3-2)式中：a為集熱器速度入口的橫截面積（）；p為速度入口的周長（）。計算雷諾數所需參數如表3-1：已知：集熱板長度為l=1.0m，高度為h=0.03m，取空氣溫度為8表3-1 re參數流體kg/ kg/(m*s)m/sap空氣1.25617.52*10-640.032.06將表中各參數帶入式(3-2)和式(3-1)中得re=16704.35當re=8000-12000時，流體流動為湍流，由此可知，集熱器中空氣的流動為湍流。3.2 湍流的數值模擬方法3.2.1 湍流數值模擬方法的分類湍流流動是一種高度非線性的復雜運動現在人們可以通過某

46、些數值方法對其進行模擬。湍流數值模擬可以分為直接數值模擬方法和非直接數值模擬方法。（1）直接數值模擬直接數值模擬方法是直接用瞬時ns方程對湍流進行計算，不需要建立湍流模型。因為湍流運動是不規則運動，所以對時間和空間的分辨率要求很高，目前這種方法只適用于低雷諾數的湍流運動。（2）非直接數值模擬方法非直接數值模擬方法包括大渦模擬和雷諾平均法。大渦模擬：通過濾波處理將小于某尺度的渦從流場中濾掉，用瞬時ns方程直接模擬大尺度渦，對于尺度小于網格尺度的小渦，則采用引入模型的方法來模擬。大渦模擬較直接模擬占計算機內存小，所需時間段，能夠得到比雷諾平均法更多的信息，所以，隨著計算機的發展，大渦模型越來越受關

47、注33。雷諾平均法：雷諾平均法的核心是不直接求解瞬時的ns方程，而是求解時均化的雷諾方程。多方觀點認為，盡管可以用ns方程來描述湍流流動，但是，它的非線性似的精確解析三維時間問題極端困難，所以對解決實際問題意義不大。采用時均化的雷諾方程在實際應用中取得很好的效果34。3.2.2 標準模型標準模型是針對充分發展的湍流流動來建立的，它是一種針對高re數的湍流計算模型，有前面計算雷諾數可知，本研究可用標準模型來模擬。在湍動能的方程的基礎上，引入關于湍動耗散率的方程，形成了方程。表示耗散率的定義為： (3-3)和的函數可用湍流粘度表示 (3-4)式中為經驗常數，=0.09所以，標準方程為34 (3-5

48、) (3-6)式中，是由平均速度梯度引起的湍動能的產生項，是由浮力引起的湍動能的產生項，代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，、和為經驗常數，和分別為和對應的普朗特數，和是用戶定義的源項。本研究的運動流體為空氣，是可壓縮流體，所以，對于中的各項計算公式為：(1) 平均速度梯度引起的湍動能的產生項 (3-7)(2) 浮力引起的湍動能的產生項 (3-8)式中為湍流普朗特數，=0.85，為重力加速度在i方向上的分量，為熱膨脹系數，的定義式為 (3-9)(3) 可壓湍流中脈動擴張的貢獻 (3-10)為湍流馬赫數，；是聲速，。(4) 、的取值34=1.44 =1.92 =1.0 =1.3(5) 在可壓縮流體的計

49、算中，=13.2.3 標準模型的控制方程控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程方程、方程。它們的通用形式為： (3-11)其中， 為流體密度，；為平均速度分量，m/s；u，v，w為流體在x，y，z方向上的時均速度，m/s；t為時間，s；為擴散系數；為源項。數學模型為（因為速度在y、z方向上變化很小，所以忽略y、z方向的速度）：(1)連續性方程空氣的密度為常數且不隨時間變化，所以方程為： (3-12)u為流體在x方向上的時均速度，m/s(2)動量方程 (3-13)式中，為x方向的壓力，pa； 為流體密度，；u為流體在x方向上的時均速度，m/s；為運動粘度，m2/s。(3)能量方程 (3-14)式中，u為流體在x方向上的時均速度，m/s；為時間，s；為溫度，；為傳熱系數，；為比熱容，。3.3數值模擬3.3.1 網格化分在進行flurnt模擬之前，對物理模型進行網格劃分。在gambit軟件中畫出物理模型的二位結構圖，之后進行網格化分，并對物理模型的邊界條件進行初步設定。3.3.2 fluent軟件中的模擬在gambit軟件中將劃分網格之后的圖形用msh文件輸出，導入fluent軟件中進行模擬。3.3.2.1 選擇求解器及計算模型求解器分為兩種，分別為分離式求解器和耦合式求解器。分離式求解器逐一求解各個方程，由于控制方程是非線性的，