论文总字数：29685字

摘 要

目前，太阳能热利用主要集中在低温利用方面，如太阳能热水器等。随着太阳能热水器走进千家万户，太阳能热利用的现实意义也逐渐清晰。太阳能的热利用主要利用光热转换原理，通过核心部件太阳能集热器传递热能，因此研究太阳能集热器的热性能对于太阳能热利用有着极其重要的影响。热管式太阳能集热管因其热效率高、启动速度快、保温性能好、承压能力高等得到广泛关注。

本文主要是针对玻璃热管式真空集热管的结构以及热性能进行研究分析。通过类比金属热管式真空集热管的传热模型建立玻璃热管的传热模型,对全玻璃热管式真空集热管的热性能进行分析，得出热效率的计算公式。

首先，介绍研究玻璃热管式真空集热管的研究背景；其次介绍玻璃热管式真空集热管的结构组成，了解重力热管、外罩玻璃管、太阳选择性涂层，消气剂、热管工作介质和支撑架等结构组成，再用CAD软件按国家标准的尺寸画出结构图；接着参照热管热性能传热分析的模型建立全玻璃热管式真空集热管的热效率表达式；最后，列举实例计算集热管的热效率，分析管壁温度、太阳辐射照度和环境温度对热性能的影响。

关键词：玻璃热管；集热管；热性能；结构；传热模型

Thermal performance of vacuum glass heat pipe solar collectors

Abstract

Currently, solar thermal utilization is mainly concentrate in the low-temperature, like heating water production. With the heating water production become more popular, the meaning of solar thermal utilization is clear. Heating water production by transfer solar to thermal.So thermal performance are more meaningful.solar collector are becoming more popular in heating water production. between the glass heat pipe and metal heat pipe , different material lead to the different structure . But we can learn the way to research thermal performance from the mature metal heat pipe. There are many advantages of the solar collectors which use vacuum glass heat pipe, such as freeze-resistant, fast start ,good insulation properties, strong bearing capaticity thermal shock, easy installation, and cheap ,etc.

For the research of thermal performance, we should built the calculate model of efficiency, and try to conclusion the factors which effect the thermal performance.

First of all, learning to learn the structure of the vacuum glass heat pipe solar collectors, which including the gravity heat pipe, heat absorbing plate, glass tube, solar selective coatings, better device, etc., using CAD software to draw the structure. Secondly, the reference model of heat pipe heat transfer analysis of thermal performance full glass heat pipe vacuum tube-a thermal efficiency expression; Finally, glass heat pipe thermal properties research analysis, for example, analysis of the thermal efficiency analysis of the influence factors of heat pipe heat.

Key words: vacuum glass heat pipe; solar collectors; thermal performance ; structure ;factors

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1全球能源现状 1

1.1.2太阳能利用方式 1

1.1.3太阳能集热器 2

1.2热管式真空集热管 3

1.2.1技术支持 3

1.2.2分类 3

1.3本文的研究目的和研究内容 4

第二章 结构设计 6

2.1重力热管 6

2.2玻璃管 7

2.3真空夹层 7

2.4太阳选择性吸收涂层 7

2.5工作流体 8

2.6本章小结 8

第三章 热性能分析 9

3.1热性能分析模型 9

3.1.1热管蒸发段传热模型 9

3.1.2热管冷凝段传热模型 12

3.2热性能数学模型 13

3.2.1热管传热系数的计算 13

3.2.2热效率的计算 14

3.2.3总热损失系数的计算 14

3.2.4效率因子的计算 15

3.2.5热转移因子的计算 16

3.3本章小结 17

第四章 计算实例与分析 18

4.1计算实例 18

4.2计算过程分析 21

4.3 本章小结 23

第五章：总结与展望 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1全球能源现状

从远古时代的太阳能变成现在地底下的宝藏，太阳能从远古一直源源不断地给我们提供能量。但随着人类社会文明的大幅进步，社会经济水平的跨越发展，世界人口的迅猛增长，地球可承载能力逐渐下降，生态环境的考验日益严峻。但随着化石能源的大量使用造成的大气污染等环境污染日趋严重，人们对于传统能源避如蛇莽。与此同时，风能，太阳能，潮汐能，水力发电等应势而生。

能源危机以及环境污染已然成为影响全球发展的重要因素。首先，传统能源如化石燃料等燃烧发电会产生大量的二氧化碳和硫的氧化物，造成全球变暖和环境酸化。而全球变暖造成南极冰川融化，灾难性气候频发；其次，随着人类的大量使用，化石燃料储量减少；接着，传统能源分布不均匀，受地域影响较大等因素决定了今后发展过程不能完全依靠传统能源的现状。面对生态环境恶化的严峻考验，积极寻找新型可再生清洁能源成为各国研究的首要任务。在这种情况下太阳能利用技术迎来了迅速发展。

太阳能是指来自太阳内氢氦聚变产生的大量热量通过热辐射的方式传递到地球的能量，它的优点有：（1）资源丰富，无需运输；（2）无污染，可再生；（3）太阳能资源的利用不受地域限制。综合上述几点优点，用太阳能替代传统能源指日可待。同时，太阳能利用可以小型化，即将利用成果如太阳能热水器等深入到家家户户，这样既提高了人们对于环境保护、节约资源的意识，也可以帮助国家减轻负担新能源投入使用的支出。然而太阳能利用仍然存在很大的缺点^[1]如：

1. 分散性：太阳能辐射到地球表面的辐射总量很大，但是能流密度（在一定空间范围内，单位面积所能取得的能源所产生的功率）很低。对比来说，天气晴朗时的夏天，太阳辐射的辐射照度最大，1平方米的集热面在垂直于太阳光方向上接收到的太阳辐射能平均有1000W；但是平均到全年来说，每天的太阳辐射能只有200W左右。因此所以在利用太阳能的时候，我们要尽可能的考虑提高它的能流密度，即需要此采用较高即热效率的太阳能原件。在利用太阳能时，只有通过增大集热面积来得到较高的功率，但这样导致了太阳能利用技术的高成本。

（2）不稳定性：由于受到白天夜晚、不同季节、地球不同纬度、不同海拔处太阳辐射强度不同等自然条件的约束以及晴、多云、雨等随机不同天气因素的影响，辐射到地面某一处的太阳辐照度既是间断又不稳定。因此，为了使太阳能成为常规能源的替代能源，它必须成为连续、稳定的能源，因此就必须很好地解决太阳能的蓄能问题，即把白天、晴天来自太阳的辐射能量尽可能地贮存起来，以供夜间或者阴雨天使用。例如家用热水器，每天都需要热水，但有的时候并不会每天都是晴天，所以我们在研究太阳的利用时，一定要考虑到短期需蓄能和长期蓄能。如何利用现有的能量来长期加热热水成了太阳能利用过程中应该解决的主要问题。

（3）利用效率低、成本高：太阳能利用的发展现状为实验室内的理论研究较为可观、利用技术相对成熟。但对于目前市面上有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，并没有得到普遍的利用。目前在实验室内进行的研究中可以发现，太阳能利用效率最高不超过30%。因此从总体上讲，太阳能利用的经济性与常规能源相差甚远。

由于以上缺点还待解决和克服，所以目前太阳能的研究利用还不是特别广泛。

1.1.2太阳能利用方式

当前形势下，太阳能的利用方式^[2]主要有三类，光热转换、光电转换、光化转换。其中光电转换又可以分为光—热—电转换和光电转换。光热转换的本质是利用太阳能集热器将太阳能的辐射热量吸收，接着通过热传递传递到传热工质，最后通过直接利用到如太阳能热水器等设备上或者简接利用到如太阳能发电设备上。其中太阳能发电系统主要包括一下三类，槽式系统、塔式系统、碟式系统。

基于上述情况，光热转换作为太阳能热利用的基础核心部分。太阳能光热转换^[3]可以根据能达到的温度和用途分为三类：低温利用（lt;200℃）如太阳能热水器等；中温利用（200~800℃）如太阳能热发电装置等；高温利用（gt;800℃）高温太阳炉等。在太阳能热利用中，负责吸收太阳辐射能并转换为热能传递到传热工质的装置为太阳能集热器，即太阳能热利用的核心部件。太阳能集热器工作过程可分为三步，一是吸收太阳辐射能；二是利用太阳辐射产生的热量；三是将产生的热量传递到传热工质中。

随着当前社会太阳能热水器的广泛使用，可以发现现实生活中应用最为广泛的太阳能的热利用主要集中在低温热利用方面。太阳能热水器是一种利用太阳辐射能量加热热水的设备，它的工作原理^[4]是首先通过太阳能集热装置将来自太阳辐射的能量转换为工质的热能即将储水箱中的水加热到高温，用来满足人们对热水的使用需求。太阳能热水器按照结构形式不同可分为真空管式和平板式。目前国内的热水器主要为真空管式太阳能热水器。太阳能热水器主要依靠太阳能集热器将太阳辐射能转换为水的热能，然后利用冷热水之间存在的温差使得热水向上方移动，冷水向下方运动的原理，使得水循环源源不断地产生热水。图1-1是真空管式太阳能热水器的原理示意图：

图1-1 真空管式太阳能热水器的工作原理图

1.1.3太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能热利用的核心部件，根据集热部分结构的不同，将太阳能集热器分为平板型和真空管式。

平板型太阳能集热器由吸热板，隔热层，透明盖板和外壳等几部分组成。 工作原理是^[5]太阳光线穿透平板型集热器的透明盖板后，照射到吸热板上，此时的太阳辐射能被吸热板吸收使得吸热板内的传热工质温度升高获得热能，将传热工质获得的热能作为集热器的有用能量输出；此时，温度升高后的吸热板与环境之间存在散热，故不可避免地要通过传导、对流和辐射等传热方式向四周散热，散失的热量成为集热器的热量损失。平板型集热器是太阳能利用中一种最基本的集热器，它具有结构简单，运行可靠，适宜的成本，较强的承压能力，较大的吸热面积等特点。但平板型太阳能集热器内部非真空，保温性能差，当环境温度较低时，热损失较大，采用辅助加热则耗电，故平板型太阳能热水器不适用于 冬天寒冷的北方。

真空管集热器^[6]是一种吸热体与透明外罩之间存在真空的太阳能集热器。真空管式集热器根据组成材料结构不同分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型真空管式等。全玻璃真空集热管由外罩玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、内玻璃管、消气剂等部分组成，它的形状好像是一根被拉长的暖水瓶胆。全玻璃真空集热管具有较高的集热效率和较好的保温性能。但由于其内所储存的水较多，管内水温上升较慢，故整个系统热水利用率较低。热管式真空集是一种非聚光集热管，在热管外部套有同心的玻璃外管，使得它具有全玻璃真空管的良好的保温性能和集热性能。太阳能透过集热管的外罩玻璃层照射到热管外表面的吸热体上，将太阳的辐射能转换为热能，然后通过工作介质的蒸发吸热和凝结放热来加热与热管相连的连通管外的传热流体。由于热管与外罩玻璃管之间的夹层空间被抽成了真空状态，有效地减少了对流和导热散失的热量，减少了热管对周围环境热量损失，提高了集热管的集热效率。热管内工作工质具有很大的热容量，所以热管启动速度快，并且热管内的工作流体与传热工质互相不接触，减少了冲刷损失，提高了热管热效率。真空管式太阳能集热器因为它的耐冻性能优良，启动快，不结垢，保温性能好，承压高，耐热冲击性高，安装方便等优点，越来越受到各国的重视。

根据IEA报告^[7]，截止到2004年底，平板型集热器的市场份额为总份额的0.35，真空管集热器为总份额的0.41。由于优越的环境优势，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占它们国家太阳能装置90%的市场份额；而在国内市场则以真空管式太阳能集热器为主，据统计，2005年它约占太阳能市场份额的87%，而与它相对的平板型集热器只占12%。针对国内市场而言，真空管式太阳能集热器具有较好的发展前景。

1.2热管式真空集热管

1.2.1技术支持

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29685字

相关图片展示：