蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器傳熱性能軟件界面開發(fā)及模擬

王鑫+俞潔+由世俊

摘 要：太陽能作為可再生能源，在建筑節(jié)能中越來越受到人們的重視。蛇形管集熱器的推廣應(yīng)用可以有利于太陽能集熱器的模塊化生產(chǎn)，并且避免了單管式集熱器接收器較大的管徑，占地較大的問題。本文開發(fā)了蛇形管集熱器集熱性能模擬計(jì)算程序的GUI界面，通過軟件模擬了管排數(shù)和日照量對(duì)集熱性能的影響，利用軟件可以對(duì)蛇形管集熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：蛇形復(fù)合拋物面 太陽能集熱器 管排數(shù) GUI界面開發(fā)

中圖分類號(hào)：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）10-0200-02

引言

太陽能是取之不盡的優(yōu)質(zhì)可再生能源，也是人類最值得開發(fā)利用的最大的替代能源[1-3]。接收或聚集太陽能并使之轉(zhuǎn)換為熱能，然后用于生產(chǎn)和生活的一些方面，是光-熱即太陽能熱利用的基本方式。太陽能熱水系統(tǒng)是目前我國(guó)太陽能熱利用的主要形式。按照是否具有聚光性，太陽能集熱器可以分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器。與非聚光型集熱器相比，聚光型的集熱器由于表面能流密度增大，能夠減少熱損失，可以提高集熱器內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)的溫度，為太陽能的熱利用提供了有利的條件[4-5]。由于聚光型太陽能集熱器大多屬于高溫集熱器，不太適合于建筑空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，而復(fù)合拋物面（CPC）集熱器的工作溫度比較適合于建筑的采暖和制冷等方面的應(yīng)用[6]。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的CPC集熱器大多采用的是具有較大接收器管徑的單管形式的集熱器，體積較大，也沒有形成模塊化的產(chǎn)品。本文開發(fā)了對(duì)蛇形管復(fù)合拋物面聚光器的傳熱性能模擬的GUI軟件界面，并對(duì)聚光器的傳熱性能進(jìn)行了模擬研究，為蛇形管復(fù)合拋物面聚光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

一、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蛇形復(fù)合拋物面集熱器主要由復(fù)合拋物面聚光器、圓管接收器、真空玻璃蓋板和邊框支撐結(jié)構(gòu)組成。聚光器和接收器構(gòu)成了集熱器的集熱和吸熱部分，真空玻璃蓋板能夠減小集熱器熱損失，邊框等支撐結(jié)構(gòu)對(duì)集熱器起支撐和保護(hù)作用。

本文中聚光器的基板取不銹鋼鏡面板，厚度1.2mm，反射率0.8，透明蓋板為雙層真空玻璃蓋板。

蛇形復(fù)合拋物面集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

蛇形復(fù)合拋物面集熱器的接收器按照蛇形布置，見圖1，集熱器將直管水平放置，采用兩個(gè)相同管徑的半圓弧將直管進(jìn)行過渡連接，同時(shí)設(shè)置支撐裝置用來固定半圓弧。相鄰聚光器之間采用不銹鋼翻邊處理，并對(duì)翻邊進(jìn)行固定。用絲扣固定進(jìn)出口管段。集熱器除吸熱面以外均采用鐵皮作為保護(hù)層。鐵皮保護(hù)層的內(nèi)部加裝 50mm 的聚氨酯保溫材料。集熱器后部以鋼架作為支撐，承擔(dān)全部重量。

二、MATLAB 及GUI 簡(jiǎn)介

MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言編寫的程序[7]。

本文利用MATLAB 提供的圖形化界面設(shè)計(jì)向?qū)В℅UIDE）開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)用戶界面的創(chuàng)建。采用GUIDE 進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì)，不僅提高了設(shè)計(jì)和分析的效率，而且改變了原先的設(shè)計(jì)模式，可以體現(xiàn)某種新的設(shè)計(jì)分析理念，或者進(jìn)行某種技術(shù)、方法的演示。利用這個(gè)開發(fā)環(huán)境，可在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)GUI[8]。因此，本文開發(fā)了蛇形復(fù)合拋物面集熱器的傳熱過程模擬計(jì)算程序的界面開發(fā)。

三、蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器傳熱性能計(jì)算程序界面開發(fā)

該蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器傳熱性能軟件計(jì)算的主程序[9-11]通過集熱器進(jìn)出口溫升與瞬時(shí)單位面積集熱量關(guān)系，以及日照強(qiáng)度和集熱器排數(shù)對(duì)集熱器集熱性能影響進(jìn)行分析，軟件的輸入及輸出參數(shù)如下圖2、3。

四、模擬研究

和普通的復(fù)合集熱器相比，蛇形管集熱器將集熱單元布置成了蛇形，因此，橫向布置排數(shù)就成了影響蛇形管集熱器的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)蛇形管集熱器而言，在結(jié)構(gòu)上是選擇盡量增大聚光比而減少橫管布置排數(shù)，還是減小聚光比增多橫管布置排數(shù)，是在設(shè)計(jì)蛇形管集熱器時(shí)面臨的一個(gè)問題，本部分針對(duì)管排數(shù)和集熱量對(duì)集熱器的集熱性能進(jìn)行模擬分析，蛇形管集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如下圖4所示。

圖4、5給出了不同管排數(shù)下，蛇形管集熱器的集熱性能變化關(guān)系，從圖4可以看出，隨著管排數(shù)增加，開始時(shí)瞬時(shí)集熱量增加較快，當(dāng)管排數(shù)增加到10 的時(shí)候，基本達(dá)到了最大值，此后，隨著管排數(shù)的增加，瞬時(shí)集熱量曲線的變化較為平坦，當(dāng)太陽輻照度為 200W/m2時(shí)，集熱量出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。圖5描述了瞬時(shí)集熱效率隨管排數(shù)的變化關(guān)系，從圖中可以看到在管排數(shù)為10時(shí)瞬時(shí)效率達(dá)到了最大值，之后隨著管排數(shù)的增加瞬時(shí)集熱效率的變化趨勢(shì)與瞬時(shí)集熱量的變化趨勢(shì)相似，多數(shù)工況的曲線比較平坦，變化不大，而太陽輻照度為 200W/m2的工況，其瞬時(shí)效率曲線逐漸下降，最大下降幅度值達(dá)到了7.5%。

五、結(jié)論

本文對(duì)蛇形管集熱器的集熱性能模擬計(jì)算程序進(jìn)行了GUI界面開發(fā)，利用軟件模擬了管排數(shù)和日照強(qiáng)度對(duì)集熱器集熱性能的影響，利用此模擬軟件可以對(duì)蛇形管集熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告（2008）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008

[2]何梓年，朱敦智.太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]張春陽.太陽能應(yīng)用技術(shù)[M].浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2009，10

[4]羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴.太陽能利用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005，1

[5]方榮生，項(xiàng)立成，李亭寒，等.太陽能應(yīng)用技術(shù)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985，2

[6]王如竹，代彥軍.太陽能制冷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，1

[7]李顯宏.MATLAB 7.0 界面設(shè)計(jì)與編譯技巧[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[8]紀(jì)元法，孫希延，施滸立.MATLAB 的兩種圖形用戶界面參數(shù)輸入方法[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2008，（13）：728-729.

[9]穆振英.SCPC 集熱器及其太陽能熱泵熱水系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010

[10]張曉偉.蛇形復(fù)合拋物面太陽能集熱器的性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2011

[11]陳志煒.太陽能-燃?xì)饣パa(bǔ)供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2015endprint