槽式太阳能集热装置最优储热箱匹配研究.pdf

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1、第34卷第2期杭州电子科技大学学报Vo1.34,No.220l4年3月JournalofHangzhouDianziUniversityMal".2Ol4doi:10.3969/j,issn.1001—9146.2014.02—022槽式太阳能集热装置最优储热箱匹配研究徐芬,刘光宇(杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310018)摘要:该文介绍了槽式太阳能集热系统中储热油箱体积的优化过程。通过杭州市实际逐时太阳辐射数据,运用计算机模拟计算,结合40m的槽式太阳能集热装置,固定的热能输出,以及储热箱自身

2、的散热因素,分析在理想晴天和多云天气太阳辐射变化下,槽式太阳能集热装置中储热箱参数的最佳取值范围。为槽式太阳能集热装置中储热系统的设计提供一种积极有效的方法。关键词:槽式太阳能;储热油箱;最佳取值;热能输出;散热中图分类号:TK519文献标识码:A文章编号:1001—9146(2014)02—0088—040引言由于太阳自身存在分散性、不稳定性、难收集性的特点,通过运用太阳能聚光集热装置收集太阳能¨,实现光热转换。对槽式太阳能集热装置中的储热箱的参数进行优化,使得用户最大限度使用热量。文献[4]对集热装

3、置中的参数进行优化设计,仅针对太阳能海水淡化应用领域。槽式太阳能集热器所收集的热能应用范围较广,不仅仅是应用于海水淡化领域,还可应用于太阳能发电、太阳能热水器等领域中。根据用户对热能的需求,可作灵活运用。在太阳辐射度相对较低的情况适用于低温热能利用,相对较高的情况下可用于高温热能利用。本文引用杭州市逐时太阳能辐射强度模型j,对实际40m槽式太阳能集热装置在输出固定的热能前提下,储热箱散热干扰下优化储热箱参数。1槽式太阳能集热装置槽式太阳能集热装置主要由槽式太阳能集热器、真空集热管以及储热油箱组成。槽式太

4、阳能集热系统设计如图1所示。太阳能集热器将其内部的导热油加热,当集热器中的导热油加热到某个设定值时,收集到储热箱上部,储热油箱底部的导热油进入到集热器中循环加热。当储热油箱中的温度达到用户设定的温度下限值200℃时,启动用户使用热能。储热油箱与空气连通,系统设计为闭式系统。当储热油箱的温度达到设定的温度上限值300oC时,关闭集热装置,启动储热箱保护装置。2数学模型与计算根据杭州市逐时太阳直射与散射辐射数据,建立储热油箱中的图1槽式太阳能集热系统收稿日期:2013—06—20基金项目:国家自然科学基金资

5、助项目(61174074),国家重点基础研究发展计划资助项目(2012CB821200)作者简介:徐芬(1987一),女,江西上饶人,在读研究生,控制理论与控制工程.第2期徐芬等:槽式太阳能集热装置最优储热箱匹配研究89导热油温度变化与太阳辐射度,固有热能输出,储热箱容量,以及散热之间的模型,模型建立过程中作如下假设:1)储热油箱的容量按特定的比例关系随热油容量的增加变化,其中保持保温材料以及厚度恒定;2)集热系统中经加热后的高温导热油进入到储热油箱后与储热油箱的导热油充分混合,即储热油箱中的油温是均匀

6、分布的;3)储热油箱的散热只考虑热辐射散热,取热辐射系数为0.5,导热油的比热为恒定值即不随温度的变化而变化;4)环境温度取实际大气气温;5)不考虑设备之间的管道连接,设备散热,风速以及设备磨损对效率的影响。2.1槽式太阳能集热系统收集的热能太阳能集热系统中集热器单位时间内收集的热能Q(kJ/h)可表示为:Q=A。I11。(1)I=3.6Io(2)式中,I、A和11。分别是单位时间垂直到单位面积集热器上的太阳总辐射值(kJ/h)、太阳能集热器总面积(m)和集热器的效率因子。I。可以通过逐时太阳直射和散射

7、辐射值计算,设定太阳辐射值10(W/m),取值范围0~900W/m。2.2储热系统的热分析图l中,当太阳辐射度达到设定的值,启动槽式太阳能集热装置加热导热油,加热后的导热油流回到储热油箱,当导热油的温度达到设定值200oC,启动用户使用。结合上节提出的假设,运用能量守恒,储热油箱中导热油温度随时间t(h)变化的热平衡数学模型为:dTQ一q一Q。=pVsC(3)Q8cA【(4)】㈩式中,Q。一单位时间内用户固定所使用的热能量(kJ/h);Q一单位时间内储热油箱散热量(kJ/h);p一导热工质的密度,为90

8、0kg/m;c。一导热工质的比热容,为0.9kJ/(kg·℃);cb一热辐射常数,为5.67W/(m·k);T一环境温度,为20℃;8一系统发射率,无量纲;A一储热油箱表面积(m);V一储热油箱体积(m)。3分析与讨论根据以上给出的数学模型,通过对杭州市逐时太阳总直射和散射强度数据,根据理想晴天与多云天气太阳辐射的实际情况,针对40In的集热装置,在用户固定使用热能的前提下,调节储热箱的容量既要满足达到用户要求的温度值,又要力求储热箱高于该

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1、第34卷第2期杭州电子科技大学学报Vo1.34,No.220l4年3月JournalofHangzhouDianziUniversityMal".2Ol4doi:10.3969/j,issn.1001—9146.2014.02—022槽式太阳能集热装置最优储热箱匹配研究徐芬,刘光宇(杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310018)摘要:该文介绍了槽式太阳能集热系统中储热油箱体积的优化过程。通过杭州市实际逐时太阳辐射数据,运用计算机模拟计算,结合40m的槽式太阳能集热装置,固定的热能输出,以及储热箱自身

2、的散热因素,分析在理想晴天和多云天气太阳辐射变化下,槽式太阳能集热装置中储热箱参数的最佳取值范围。为槽式太阳能集热装置中储热系统的设计提供一种积极有效的方法。关键词:槽式太阳能;储热油箱;最佳取值;热能输出;散热中图分类号:TK519文献标识码:A文章编号:1001—9146(2014)02—0088—040引言由于太阳自身存在分散性、不稳定性、难收集性的特点,通过运用太阳能聚光集热装置收集太阳能¨,实现光热转换。对槽式太阳能集热装置中的储热箱的参数进行优化,使得用户最大限度使用热量。文献[4]对集热装

3、置中的参数进行优化设计,仅针对太阳能海水淡化应用领域。槽式太阳能集热器所收集的热能应用范围较广,不仅仅是应用于海水淡化领域,还可应用于太阳能发电、太阳能热水器等领域中。根据用户对热能的需求,可作灵活运用。在太阳辐射度相对较低的情况适用于低温热能利用,相对较高的情况下可用于高温热能利用。本文引用杭州市逐时太阳能辐射强度模型j,对实际40m槽式太阳能集热装置在输出固定的热能前提下,储热箱散热干扰下优化储热箱参数。1槽式太阳能集热装置槽式太阳能集热装置主要由槽式太阳能集热器、真空集热管以及储热油箱组成。槽式太

4、阳能集热系统设计如图1所示。太阳能集热器将其内部的导热油加热,当集热器中的导热油加热到某个设定值时,收集到储热箱上部,储热油箱底部的导热油进入到集热器中循环加热。当储热油箱中的温度达到用户设定的温度下限值200℃时,启动用户使用热能。储热油箱与空气连通,系统设计为闭式系统。当储热油箱的温度达到设定的温度上限值300oC时,关闭集热装置,启动储热箱保护装置。2数学模型与计算根据杭州市逐时太阳直射与散射辐射数据,建立储热油箱中的图1槽式太阳能集热系统收稿日期:2013—06—20基金项目:国家自然科学基金资

5、助项目(61174074),国家重点基础研究发展计划资助项目(2012CB821200)作者简介:徐芬(1987一),女,江西上饶人,在读研究生,控制理论与控制工程.第2期徐芬等:槽式太阳能集热装置最优储热箱匹配研究89导热油温度变化与太阳辐射度,固有热能输出,储热箱容量,以及散热之间的模型,模型建立过程中作如下假设:1)储热油箱的容量按特定的比例关系随热油容量的增加变化,其中保持保温材料以及厚度恒定;2)集热系统中经加热后的高温导热油进入到储热油箱后与储热油箱的导热油充分混合,即储热油箱中的油温是均匀

6、分布的;3)储热油箱的散热只考虑热辐射散热,取热辐射系数为0.5,导热油的比热为恒定值即不随温度的变化而变化;4)环境温度取实际大气气温;5)不考虑设备之间的管道连接,设备散热,风速以及设备磨损对效率的影响。2.1槽式太阳能集热系统收集的热能太阳能集热系统中集热器单位时间内收集的热能Q(kJ/h)可表示为:Q=A。I11。(1)I=3.6Io(2)式中,I、A和11。分别是单位时间垂直到单位面积集热器上的太阳总辐射值(kJ/h)、太阳能集热器总面积(m)和集热器的效率因子。I。可以通过逐时太阳直射和散射

7、辐射值计算,设定太阳辐射值10(W/m),取值范围0~900W/m。2.2储热系统的热分析图l中,当太阳辐射度达到设定的值,启动槽式太阳能集热装置加热导热油,加热后的导热油流回到储热油箱,当导热油的温度达到设定值200oC,启动用户使用。结合上节提出的假设,运用能量守恒,储热油箱中导热油温度随时间t(h)变化的热平衡数学模型为:dTQ一q一Q。=pVsC(3)Q8cA【(4)】㈩式中,Q。一单位时间内用户固定所使用的热能量(kJ/h);Q一单位时间内储热油箱散热量(kJ/h);p一导热工质的密度,为90

8、0kg/m;c。一导热工质的比热容,为0.9kJ/(kg·℃);cb一热辐射常数,为5.67W/(m·k);T一环境温度,为20℃;8一系统发射率,无量纲;A一储热油箱表面积(m);V一储热油箱体积(m)。3分析与讨论根据以上给出的数学模型,通过对杭州市逐时太阳总直射和散射强度数据,根据理想晴天与多云天气太阳辐射的实际情况,针对40In的集热装置,在用户固定使用热能的前提下,调节储热箱的容量既要满足达到用户要求的温度值,又要力求储热箱高于该

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