太阳能热水系统性能改进综述外文翻译资料
2022-08-19 03:08
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太阳能热水系统性能改进综述
摘要
太阳能是自由的、环境清洁的，因此被公认为最有前途的替代能源之一。太阳能的有效利用由于其可利用性的间歇性而受到阻碍，限制了其在家庭和工业应用中的利用和有效性，特别是在水加热方面。将太阳能转化为热能是最简单和最常用的方法。太阳能热转换的效率约为70%，但太阳能直接转换系统的效率仅为17%。太阳能热水系统最适合于操作简单和维护简单。许多研究表明，太阳能热水系统热效率的提高导致了对流换热技术的改进。太阳能热水系统分为被动和主动两大类。被动技术已被用于改善对流换热。缠绕带的插入及其几何结构等技术对提高太阳能热水系统的性能起着至关重要的作用。本文综述了太阳能热水系统在集热器设计、集热器倾角、管道涂层、流体流速、隔热、集热器集成存储、热能存储、相变材料的应用等方面的研究进展，以及插入扭带。本文还讨论了优化和模拟太阳能热水系统的方法，以了解太阳能集热器的流动和热行为，从而提高太阳能集热器的热性能。
关键词：太阳能热水系统 强化传热技术 热性能 综述
目录
1 简介
近年来，太阳能作为一种可行的能源得到了大力推广。这种能量最简单和最直接的应用之一是将太阳辐射转化为热能。太阳能被认为是最有前途的替代能源选择之一。在阳光明媚的日子里，太阳能系统通常收集的能量超过了直接使用所需的能量。因此，太阳能储能系统的设计与开发，是当今太阳能研究的重点和最大努力之一。这些系统是完整太阳能装置的一部分，在热量需求和热量供应之间提供最佳调节。因此，家庭部门减少对环境影响的方法是安装太阳能平板集热器来加热水。
太阳能热水系统（SWHS）是通过加热水，使入射太阳辐射的可用热能用于各种应用的装置。热水在工业和家庭应用中都是必不可少的。城乡居民洗澡、洗衣服、洗用具和其他生活用品。旅馆、医院、旅馆和纺织、造纸、食品加工、乳制品、食用油等行业也需要大量的热水。太阳能热水器由太阳能集热器、水箱、互连管道和在系统中循环的水组成。图1示出了典型的热虹吸太阳能热水系统[1]。太阳辐射照射到集热器上，加热管，从而将热能传递给流经集热器的水。简而言之，入射到地板集热器上的太阳能被黑色镀铬铜板吸收，从而加热因密度差而循环的竖管中的水，即热虹吸管效应。太阳能热水系统分为被动和主动两大类。被动式太阳能热水系统通常通过自然循环来传递热量，这是由于两种模式之间存在温差而产生的浮力；因此，它们不需要泵来运行。它们是最常用的家用太阳能热水系统。主动式太阳能热水系统配有电动泵、阀门和控制器，通过集热器循环水或其他传热流体。
图1
主动式太阳能热水系统通常具有更高的效率，其值比被动式系统高35-80%[1]。它更加复杂和昂贵。一致地，它最适合于负荷要求很高的工业应用。另一方面，无源系统成本较低，易于建造和安装，更适合于需求较低或中等的国内应用。
雨水集热器的热性能受进水温度、太阳辐照度、环境温度、流速、地板集热器倾角、热水箱高度、风速、相对湿度等因素的影响，储热箱对太阳能集热器的能量积累也起着重要的作用。太阳能热水器的性能在很大程度上取决于集热器捕捉入射太阳辐射并将其转移到水中的效率。一般来说，影响热虹吸效应的参数是液体的热物理性质和与液体接触的表面温度。在今天的热水器中，水可以被加热到60摄氏度到80摄氏度。加热的水被收集在一个隔热的水箱中，以防止热量损失。水通过集热器从水箱循环回水箱继续自动循环因为热虹吸原理。
许多行业使用的热水温度在70-90摄氏度之间。这些行业包括乳制品、食品加工、纺织、酒店、食用油，化学品、海洋化学品、散装药品、啤酒厂和酒厂。目前，这些要求主要通过燃烧煤炭、褐煤和燃油等化石燃料来满足。太阳能资源丰富，分布广泛，是最有吸引力的能源之一。开发这种能源不仅有助于缩小电力需求和供应之间的差距，而且从长远来看还将节省资金。根据印度新能源和可再生能源（MNRE）部的报告，一个100升容量的太阳能热水器可以取代一个家用电喷泉，每年可以节省约1500个单位的电力，每年，在印度的条件下[2]。因此，一个典型的家庭可以通过用太阳能热水系统代替传统的热水器来节省70-80%的电费或燃料费。据估计，在一个工业中安装一个每天100升（lpd）的系统（收集面积为2平方米），一年可节省近140升柴油。因此，使用太阳能热水器供应预热锅炉给水可以帮助节省70-80%的燃料费用。
减少污染和保护环境健康是这项技术的一些共同优点。这可能就是为什么利用太阳能进行水加热已经成为当今太阳能热系统最大的应用之一。根据上述当量（100 lpd系统可节省1500单位（kW h）的电力），估计在燃煤电厂发电量相同的情况下，每年向大气排放1.5 t二氧化碳。因此，在家庭中安装一百万个SWHSs将减少150万吨二氧化碳排放到大气中。显然，SWHS是当今最具成本效益、可行和可持续的热水发电方案之一。印度气候的最大太阳强度/热UX为（塞勒姆，Tamilnadu，印度）702.85 W/m2。
2 太阳能热水系统强化传热技术
由于世界范围内的能源危机，太阳能的研究已成为一个备受关注的课题。与利用太阳辐射发电的间接应用（即光电应用）相比，太阳能的直接应用（即太阳能的热应用）更简单、更可行。平板集热器是太阳能热水系统的核心部件。太阳能热水系统的效率取决于平板集热器的性能。平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射，将其转化为热量，并加热传递介质（通常是空气、水或油）的装置。平板太阳能集热器比用于家庭和工业需要的浓缩集热器简单，平板太阳能集热器由发黑的吸收体构成，将吸收的能量转移到流动介质，透明的覆盖层减少对大气的对流和辐射损失，背面和侧面绝缘以减少传导损耗。因此，大部分的研究工作都集中在提高飞片集热器的性能上。热虹吸管系统的特性取决于吸收板及其设计、选择性涂层、隔热、集热器倾角和工作流体等。研究人员分析了几种太阳能集热器的设计，以提高热虹吸管系统的热性能。
2.1吸收板设计
Shariah等人[3] 利用TRNSYS计算机程序，从理论上研究了热虹吸式太阳能热水器吸热板的导热系数对其特性系数和太阳分率的影响。结果表明，集热器效率因子和散热因子对吸热板的导热系数有很强的依赖性。结果表明，使用铜代替铝几乎没有任何优势，除非腐蚀问题或健康危害等其他因素可能影响吸收板材料的选择。Runsheng等人[4] 建造并测试了两套热虹吸式家用太阳能热水系统，研究了水箱水温对出水温度的影响。实验和理论结果表明，随着家用太阳能热水系统水箱水温的升高，出水温度也随之升高。模拟结果表明，集水箱高度差和吸收体热发射率对集热器出口水温的防冻效果有显著影响。Runsheng等人对不同集热器倾角的玻璃真空管太阳能热水系统的水热性能进行了比较研究。[5]结果表明，太阳能热水系统的日热效率几乎与气候条件无关，因为太阳能管对周围空气的热损失较小。还发现，最大限度地提高每年的太阳能热水系统的热增益，收集器应倾斜的倾斜角度，以最大限度地提高其年度收集的太阳辐射。
Chien等人[6]对两相热虹吸式太阳能热水器进行了实验和理论研究。采用热阻电容法建立了系统的理论模型，得到了整个系统的改进策略。系统参数包括不同的加热功率和加热器的倾斜角度。实验结果表明，两相热虹吸式太阳能热水器的最佳充电效率为82%。当系统倾角小于151时，充电效率下降不超过5%。Yeh等人从理论上研究了长宽比对片式和管式太阳能热水系统集热效率的影响。Yeh等人[7]结果表明，在集电面积和管间距不变的情况下，集电效率随集电长宽比的增大而增大。
Alirez等人[8]研究了热增强装置对平板太阳能集热器热性能的影响。研究了扭带、螺旋弹簧丝和锥形脊等不同的被动式热增强装置。结论表明，由于浮力对剪切产生的湍流具有显著的阻尼作用，所采用的基于被动方法的平板太阳能集热器在增强集热器流体传热方面是无效的。Ho等人[9]研究了具有外循环的双程板管式太阳能热水器的性能理论预测，并与传统的集热器进行了比较。结果表明，与相同流量的单通装置相比，循环效应能有效地提高集热器的效率。Ho等人[10]进一步研究了在不同排列密度下，带内置管的双通片式太阳能热水器对集热器效率的影响。理论预测表明，在适当的设计和操作条件下，集热器效率较高。在不同的阵列密度下，通过使用带有固定的过滤器的循环操作，而不是使用单通道平板装置，集热器的性能得到了显著的改善。Taherian等人。[11] 实验验证了在一定的气候条件下，水平罩式蓄热罐封闭式热虹吸式太阳能热水器的平板集热器的动态模拟。通过模拟得到平均效率为68%。已经发现，储槽的设计使得流入集热器的液体温度接近周围的温度。Morrison等人开发了许多从全玻璃真空管中提取热量的方法。[12] 玻璃水概念由于其简单和低制造成本而被认为是最成功的。讨论了影响玻璃集热管中水运行的因素，并对长单端热虹吸管中水循环进行了数值研究。初步数值模拟表明，在管的密封端附近存在非活性区，这可能与捕集器的性能有关。
2.2管道涂层
太阳能集热器用新型太阳能选择性涂料的研究和制备在许多发展中国家引起了广泛的关注。Santamouri等人评估了使用电沉积铬选择性表面和太阳能热水系统其他性能的优点。[13]结果表明，采用铬系选择性涂料是经济合理的。Arif[14]在太阳能中心和德里印度理工学院联合进行了一项测试。结果表明，即使在50℃及以上的低温应用中，与使用黑色涂料或任何其他涂料相比，Solchrome太阳能选择性涂料和Solchrome太阳能选择性涂料和管可将太阳能集热器的热效率提高30%以上。Tharamani等人报道了铜镍合金涂层作为太阳能选择性表面的研究进展。[15]研究了电解液浓度和操作参数对涂层外观和光学性能的影响。结果表明，涂层表面具有较高的吸收率和较低的发射率。与普通太阳能热水系统中使用的商用黑色涂料相比，新型且价格合理的太阳能选择性涂料具有更高的太阳能吸收效率。Ehab[16]开发了带涂层的SWHS。该涂层是通过将镍-铝（NiAl）合金组成的金属颗粒嵌入黑色油漆中制成的。全年对该涂料在实际热虹吸太阳能热水系统中的适用性进行了评价。结果表明，与未经处理的黑色涂料相比，该涂料在一年的时间内平均表现出51c的优异性能。Tae June等人。[17] 发现了一种透明的玻璃加热器材料，涂有单壁碳纳米管薄膜。加热系统在可见光下具有95%以上的光学透明度。通过测量其加热/冷却特性和热阻，对其性能进行了研究。对加热器的稳定性和可靠性进行了研究。结果表明，与普通涂料相比，热能的利用效率更高。
2.3太阳能热水系统的流量分析
Chuawittayawuth等人[18]介绍了自然循环太阳能热水系统温度和流量分布的实验观测结果，并与理论模型进行了比较。实验测得的立管附近吸收塔温度与理论模型吻合较好。在晴天，集热器入口附近立管的温度值通常远高于其他立管，而在阴天，这些温度是均匀的。立管中的水温取决于其流速。Arvind等人[19]得到了恒流量热水抽放条件下集成光伏热太阳能热水器水温的解析表达式。从设计参数和气候参数方面，分别基于混合地板集热器和储罐的基本能量平衡进行分析。此外，还研究了恒温热水提取的分析。结果表明，光伏太阳能热水器系统的日总热效率随恒流量的增大而增大，随集热温度的升高而减小。这种类型的热分析用于根据流速和收集器数量设计热水系统。
莫里森等人[20]评估了玻璃管真空管太阳能热水系统的特性，包括单端管循环速率的评估。假设集热器阵列中相邻管之间没有相互作用，建立了单端真空管内部传热和流动的数值模型。对于特殊的集热器配置，通过管道的循环流速受两个因素的影响，即落在吸收表面的辐射强度和储罐的温度。采用粒子图像测速技术（PIV）进行了流场测量，验证了数值模型的正确性。研究发现，周向热分布是影响管道内流体结构和循环速率的重要参数。另据报道，如果集热器中包含一个集中反射镜，则需要建立单独的相关性。
2.4使用热泵的太阳能热水器
Wongee等人[21]研究了不同工作温度下使用热管制造的太阳能家用热水系统的性能。据报道，系统性
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