太阳能热水系统(共22页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上新能源综合报告实验题目：太阳能热水系统的热性能 学 院：物理与能源学院 专 业：新能源科学与工程 学 号： 汇 报 人： 指导老师：黄志平一、 预习部分（课前完成）1. 了解太阳能热水系统的基本知识及应用；2. 了解并掌握太阳能热水系统的特性能测试原理及生产工艺；仪器：(名称、规格或型号) 二、 实验原理1、 太阳能热水系统的分类国际标准 ISO 9459 对太阳能热水系统提出了科学的分类方法，按照太阳能热水系统的7个特征进行分类，其中每个特征又都可分为2 3 种类型，从而构成一个严谨的太阳能热水系统分类体系（如表1所示）。特征类型ABC1有无辅助热源纯太阳能加热式太

2、阳能预热式太阳能加辅助热源式2按储水箱水被加热方式直接系统间接系统3按传热工质与大气相通敞开系统开口系统封闭系统4按集热器内介质状况充满系统回流系统排放系统5按加热工质循环动力自然循环系统强制循环系统6按加热工质流动方式循环系统直流系统7接集热器与储水箱位置分离式系统紧凑式系统闷晒系统表1 太阳能热水系统的分类太阳热水系统在实际应用中是以自然循环系统、强制循环系统、直流系统中某一种基本运行方式或某种方式为主的为主的多种运行方式的组合，根据现场的情况不同和用户的具体要求，在设计中要灵活应用，以实现太阳能热水系统的经济、节能的目的。这三种方式是以工质的流动方式分类。本次调研报告着重研究这三种太阳能

3、热水系统。、自然循环系统自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和贮水箱中水的温差, 形成系统的热虹吸压头, 使水在系统中循环；与此同时，将集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内，如图1所示。取用热水时，有两种方法。一种是有补水箱（顶水法），如图(1-a)所示，由补水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补水箱内的浮球阀控制；顶水法充分利用水箱上层水温高的特点，使用者一开始就可以取到热水。但是，从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混，减少可利用的热水。另一种是无补水箱（落水法），如图(1-b)所示，热水依靠本身重力从贮水箱底部落下使用。其虽然没有冷热水掺杂，但是

4、必须将贮水箱底部及管路中温度较低的热水放掉后才能使取到热水。图1 自然循环太阳能热水系统（直接系统）示意图自然循环系统优点: 结构简单，运行可靠，无需动力,成本较低；缺点: 是为了维持必要的热虹吸压头，储水箱必须置于集热器的上方，这有时会给建筑布置、结构承重和系统安装等带来一些麻烦。 主要适用: 家用太阳能热水器和中小型太阳能热水系统。自然循环系统的循环水箱底必须高于太阳集热器顶0.30m至0.5m；由于系统流体本身的密度差形成的动力很小，因此必须采取多种措施减小系统循环阻力（如：选用较大的管径，管路尽量短，尽量少拐弯）；防止出现反坡，造成气堵等；自然循环系统的规模一般较小，较大规模的自然循环

5、系统常常分解成多个并联的小系统 (2)、强制循环系统强制循环太阳能热水系统是在集热器和储水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；与此同时，集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能。通常有温差控制和光电控制两种控制方法，其中温差控制较为普及，有时还同时应用温差控制和光电控制两种。温差控制是利用集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温差来控制循环泵的运行，如图1-2所示。图1-2 温差控制的强制循环系统示意图早晨日出后，集热器内的水受太阳辐射能加热，温度逐步升高，一旦集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温

6、差达到设定值(一般8 10 )时，温差控制器给出信号,动循环泵，系统开始运行；遇到云遮日或下午日落前，太阳辐照度降低，集热器温度逐步下降，一旦集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温差达到另一设定值 ( 一般 3 4 ) 时，温差控制器给出信号，关闭循环泵，系统停止运行。落水法是依靠热水本身重力从储水箱底部落下使用。在强制循环条件下，由于储水箱内的水得到充分的混合，不出现明显的温度分层，所以顶水法和落水法都一开始就可以取到热水。顶水法与落水法相比，其优点是热水在压力下的喷淋可提高使用者的舒适度，而且不必考虑向储水箱补水的问题；缺点也是从储水箱底部进人的冷水会与储水箱内的热水掺混。落水法优点;

7、没有冷热水的掺混缺点: 是热水靠重力落下而影响使用者的舒适度，而且必须每天考虑向储水箱补水的问题。强制循环太阳能热水系统优点： 系统的动力来自于循环水泵，单个系统可以不受采光面积的限制，可以做到上百甚至上千平方米；储热水箱放置位置不受限制，可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置。缺点： 需要配置循环水泵、电控装置等，工程成本较高；应注意选用可靠的控制系统，以确保系统运行得可靠性；要求较高的施工技术。、直流系统直流式太阳能热水系统是使水一次通过集热器就被加热到所需的温度，被加热的热水陆续进入储水箱中。系统运行过程中，为了得到温度符合用户要求的热水，通常采用定温放水的方法，如图3 所示。集热器进口

8、管与自来水管连接。集热器内的水受太阳辐射能加热后，温度逐步升高。图3 定温放水直流式系统示意图这种定温放水的方法虽然比较简单，但由于电动阀关闭有滞后现象，所以得到的热水温度会比设定值低一些。其优点：该系统可随时将达到设定温度的热水顶入储水箱储存。水箱内储存的是达到温度的热水。可以实现随时使用热水；储热水箱可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置；容易实现冬季夜间系统排空防冻的设计。缺点有：定温放水系统需要解决储热水箱水满溢流的问题；同时也需要配置控温装置等。工程成本较高；应注意选用可靠的控制装置，以确保系统运行的可靠性；要求较高的施工技术。2、太阳能热水系统设计(1)、系统日耗热量：全天供应生活

9、热水的日耗热量、热水量计算公式：日耗热量： Qd=qrc(tr-tL)m/86400设计日热水量: qrd=86400Qd/c(tr-tL) （ qrd= qrm）其中： Qd日耗热量,W ； qr热水用水定额L/（人或床d）; c水的热容比4187J/(kg) ； 水的密度，kg/L ； tr、tL 热、冷水温度； m用水计算单位数（人数或床位） ；qr 热水用水定额。(2)、太阳集热器选型与摆放方位1、集热器朝向与倾角的确定主要使集热器得到最大的太阳辐射能。当采光面与太阳光线垂直时，就能得到最大的太阳辐射能；2、对于跟踪式太阳集热器，通过自动跟踪使集热器的采光面与太阳的入射光线垂直就可以。

10、但跟踪装置复杂，成本太高，一般采用固定朝向与倾角。3、对于固定式集热器，为了得到最大的太阳辐射量，应尽可能使当地正午的太阳光线与集热器的采光面垂直。因此，对于在北半球使用的集热器，应正南、南偏西、南偏东放置。4、考虑到早上气温低，易有雾，光照度差，而下午气温高，一般光照较好，因此尽可能将集热器南偏西放置，使集热器在下午能得到更多的太阳辐射能。 平板型真空管型流道式平板集热器热管式平板集热器玻璃真空管集热器热管真空管集热器金属流道真空管集热器抗冻性板芯易冻抗冻零下20以上抗冻抗冻防冻液介质抗冻承压性能承压承压不能承压承压承压热水温度60以下热水60以下热水90以下热水80以下热水80以下热水热性

11、能中低温区热性能好比流道式平板差比全玻璃管稍差比全玻璃管稍差比全玻璃管稍差质量稳定性好取决于热管取决于真空管取决于真空管和热管取决于真空管经济性造价低比流道式平板高造价较高比全玻璃式高比全玻璃式高表2-1太阳集热器选型与摆放方位（太阳集热器选型） (3)、贮水箱设计-贮水箱的容积确定储热水箱的容量V应根据其蓄热容量VX、热水膨胀量VP和循环回流水量VH等因素确定。 V = VX + VP + VH1、储热水箱的蓄热容量VX 应根据晴天时太阳集热器的产热水量来确定 2、储热水箱的热水膨胀量VP 当水温大于4时，体积会随水温升高而膨胀。因此应考虑水的体积膨胀量对储热水箱容量的影响 。(一般在5%以

12、内)3、储热水箱的循环回流水量VH 对于常压系统，当循环水泵停止后，回水管道内的水要回流到水箱里；对于回流防冻的系统，当循环水泵停止后，集热器和管道内的水都要回流到水箱里来。因此必须考虑系统的回流水量。以确保停泵后不发生储热水箱溢流的问题。在满足以上要求的前提下，水箱的开口位置还应尽量注意消除死水区，或者尽量减少死水区。但为了防止顶水使用时冷水供应不上，造成热水断流的问题，有意在水箱出热水口上部留出一部分热水高度，当冷水供应不上时，起缓冲作用。(4)系统整体布局阳集热器阵列如下并联连接串联连接并串联连三、实验内容1） 学会平板集热器、水泵、流量计、电磁阀、阀门、连接管、管材管件等元件的连接和调

13、节。2） 掌握三种太阳能热水系统的安装结构自然循环系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统四、思考问题1） 市场上太阳能集热器的适用范围、价格 海宁广泰 相变储热太阳能集热器适合大型热水，适合宾馆、学校、职工宿舍、洗浴中心等3599Suntask/神太热水工程、别墅排屋分体太阳能、高层楼阳台挂壁式1090（0.8*2.6）天尚 TSP-G/0.6-TL/CK-2.0735德州邦特 阳台壁挂U型管太阳能集热器1140桑高太阳能集热器工程制造的前期节能项目、农业、渔业的供热项目、建筑业节能热水项目11902） 对于直流式太阳能集热器如何设置温度参数来控制电池阀太阳能集热器的电池阀好比是一个开关，当传

14、感器检测到箱内水位低于设定水位时，主板就会为电池阀提供电压，当电池阀线圈圈得到此电压时，电池阀打开，为太阳能上水，当传感器检测到水箱内的水位到达设定水位时，主板就会停止给电池阀供电，电池阀关闭，上水停止。在家用条件下，将产水温度设定为50C，可用于沐浴、洗涤用，完全可满足用户对水温的要求，初始冷水温度为10C，当集热器内温度低于50C是，冷水停留在集热器中吸收太阳能，被加热至指定温度，此时集热器处于闷晒状态，当水温达到50C时，阀门打开，热水流入储水箱。3） 如果要最大化的利用太阳能，如何对直流式太阳能集热器进行改装？根据调研，可以将直流式太阳能集热器改装成直流式太阳热水工程，示意图如下：目前

15、国内直流式太阳能热水工程集热器采用直立型全玻管及下侧插管水平联箱组成的集热器，上图，新型直流式却采用水平型全玻管及中置联箱型集热器，中置联箱倾角取值不变（045，一般去2）。其空腔结构改变成内设两侧面有热水导流管插孔的热水室脸型，每根全玻管腔内都深插一根热水导流管，直流式才热原理不变。优点：1） 插入热水导流管使全玻管内腔给水量减少30%，使才热初期热启动变快。当天采热结束，自控程序设置延长冷水输入时间，可把积存热水全部输入保温水箱，全玻管内无静止过夜的热水，热损减小。2） 平面请教常取值0，迎风面积大，无阴影区。3） 各全玻管腔内插入长度几乎触底的导流管，直流式采热是的水流能带出些水沟，积垢

16、后采用酸洗除垢，免除繁重体力劳动，除垢完毕通过下端的低温进水口，可排尽酸液。4） 电子水表工作原理-怎么自动读取水流量以世界上使用的最多的水表-旋翼式水表进行说明。在国家标准中，速度式水表定义为：“安装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流通过水表时，驱动叶轮（旋翼或螺翼）旋转，而水流的流速与叶轮的转速成正比，因水流驱动叶落出喷口的截面积为常数，故叶轮的转速与流量也成正比，荣国叶轮轴上得联动部件与计数机构相连接，使计数机构积累叶轮（旋翼或螺翼）的转数，从而记下通过水表的水量。水管水源平板集热 器储水箱5）直流式安装示意图水表逆止阀 进水口温度传感器 出

17、水口温度传感器6) 浴霸和太阳的区别光谱：浴霸的蓝色光谱较强，太阳光有紫外线而浴霸的灯没有。均匀性：浴霸的光均匀，长时间也不会有什么变化，倾角固定，而太阳光在不同时段的温度、强度和倾角都不同。五、 实验过程1）测试步骤1、测量平板集热器集热面积记做Ac；2、按照强迫循环热水系统的连接方式连接热水系统；3、打开自来水开关，向热水器里面加水，检验各接口是否漏水；4、打开循环泵，调节阀门改变管路中的水流量，读取流量计的读数；5、打开电脑上控制软件，然后打开光源，将照度计放在太阳能板上，记录0、30、45倾角太阳能板九宫格辐照度；6、将集热器倾角调为0，打开自来水开关向集热器里面注水，等水箱的水达到集

18、热器流向水箱入口的位置，关闭自来水开关；7、打开水泵，调节流速为0.01L/S；8、打开光源，设置软件每隔20S采集一次热水系统的环境温度、板1入水口温度、板1出水口温度、产热水箱温度，并记录；9、当水箱温度增长趋于平缓时（一般要2小时左右），停止记录，关闭器；10、将流速分别调到0.005L/S、0.02L/S进行8、9步骤；8、分别将倾角调节至30度、45度进行8-10步骤。2）实验数据及处理经过测量及查表得：集热器采光面积Ac=0.5m2传热介质（水）比热容：Cp=4.2KJ/（kg）=4.23J/（kg）传热介质（水）流量：m1=0.01kg/(s*m2)，m2=0.02kg/(s*m

19、2)，m3=0.04kg/(s*m2)太阳辐照：G0=887W/(Ms),G30=640W/(Ms),G45=485W/(Ms)A:光照B:入口出口温度差和时间关系图C:有用功率及时间常数倾斜角为0，水流量为0.01时=0.01*4.2*J/(Kg.C)*5=210W= 210/(0.5*887)*100%=47.4%倾斜角为30，水流量为0.01时=0.01*4.2*J/(Kg.C)*4=168W= 168/(0.5*640)*100%=52.5%倾斜角为45，水流量为0.01时=0.01*4.2*J/(Kg.C)*3=252W= 252/(0.5*485)*100%=，9）实验分析与讨论（1）0倾角的平均辐照度最大，30的次之，45的最小。这是由于热水器的倾角与太阳高度角互余时，光照强度最大。实验时灯光是在板的正上方，高度角是90度，所以倾斜角是0度时的光照度最大。（2）由上面的数据处理，我们可以看出在流速为0.01L/s的时候效率最高的是45的时候，30次之，0最小。会产生这样的结果，应该是由于测量的不是在同一天，受外界的影响比较大，导致我们测量的结果出现了与理论相反的情况。专心-专注-专业