综合收集器存储太阳能热水器：调查和最新发展外文翻译资料

 2022-07-29 17:15:43

英语原文共 24 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

综合收集器存储太阳能热水器：调查和最新发展

M. Souliotis · R. Singh · S. Papaefthimiou · I. J. Lazarus · K. Andriosopoulos

摘要：太阳能直接转换为热能是高效的，更环保的和经济可行的。集成收集器存储太阳能热水器（ICSSWH）以可观的转换速率将太阳辐射直接转换成热，并且在许多情况下使用聚光装置。这些系统结构紧凑，美观有吸引力和合理，并且可以将环境影响降低高达40％。它们还具有高收集效率因子和节能潜力。尽管有许多优点，ICS太阳能热水器在夜间/阴天条件下遭受高的热损失。在本文中，作者讨论了最近开发的新的和改进的ICS设计和策略，用于减少这种设备的热损失，特别是在非收集期。

关键词：集成收集器存储太阳能热水器 相变材料 减少热损耗策略 太阳能聚光器

1 简介

太阳能具有巨大的潜力以满足当前正在由化石燃料燃烧来实现世界能源的需求。太阳能的效能和彻底利用可以减少由化石燃料的更大和更快消耗所产生的全球变暖和气候变化的强度。在最近几年，各种新的、创新的技术和系统已经开发出直接或间接地利用太阳能和保护环境。然而，这些技术很少有突破由常规燃料掌控的技术的局限。如果太阳能通过热路线的转换与其他转换的途径进行比较，太阳能通过热路线的转换效率高，更加环保，经济上是可行的。太阳能热水器是将太阳能以可观的转换率直接转换成集中的热量的热转换技术之一，具有可忽略不计的全球变暖潜能和很短的投资回报周期。

太阳能热水器的不断研究已经在许多不同的新的和改进的系统有了成果。根据其设计和操作原理，这些系统主要分为以下几类：（a）热虹吸或被动太阳能热水器，其中自然（热虹吸）驱动力源于收集器和水箱之间的循环水;（b）强制循环型或主动太阳能热水器，其中施加外力使水循环;（c）集成收集器存储（ICS）系统，其中太阳能收集器和热水存储器的吸收在单个单元中发生; （d）直接循环系统，其中水直接通过太阳能收集器得以循环和（e）间接水加热系统，其中，二次流体在太阳能收集器和加热水箱之间循环; 和（f）混合系统，其中提供电加热作为备用单元以确保系统的连续操作。热虹吸平板和真空管状收集器系统可以在国内部门提供充足的热水。然而，这些系统遭受由于传导、对流和辐射引起大量热量损失，接头泄露、腐蚀，额外的安装空间要求，因为很多组件所产生昂贵的附加费用的问题。

ICS系统也称为内置存储系统和收集兼存储系统; 因此，这些名称在本文中可互换使用。美观的紧凑结构和更便宜的系统设计使它更适合用太阳能热水，特别是在农村地区。该系统还可以将环境影响降低40％。在其中一项研究中，系统的能量和放热效率和节能潜力估计分别为32和23.5和65％。ICS系统使用储罐的表面作为吸收器，而在其他系统中，用于加热和储存水的部件单独分开。尽管包含如此多的优点，但是这些系统在社会上并不能得到足够的人气，因为它们在夜间/阴天造成大量的热量损失。因此，一些研究人员给予相当的关注，并通过开发先进的系统和应用有效的热损失减少策略来改善这些系统的性能。在本文中，作者介绍了ICS系统的最新发展和改进。基于它们的热收集和存储原理，ICS系统还基本上分为非集中式，集中式和相变材料系统。此外，文章讨论了在系统中应用的热损失减少策略。

2 集成收集和存储的太阳能热水器的简史

第一台ICS太阳能热水器在18世纪末展示在美国西南部。ICS罐式系统中的水被放置在几个农场和牧场用于加温。据报道，这些系统在晴天产生足够的热水。1891年，Kemp 将第一个商业制造的系统“Climax”专利化，将其实现为ICS太阳能热水器。在该系统中，将金属箱放置在木箱内，箱的顶部由玻璃盖覆盖。在晴天，系统产生的热水高达38.8℃ 。在1895年，布鲁克斯和康切斯，两个帕萨迪纳商人从克拉伦斯买了权利在加利福尼亚制造和销售它。1902年，Walker 提出将该罐安装在聚光镜的聚焦区。该系统还装备有备用燃气加热器。

第一个商用ICS太阳能热水器具有四个椭圆形圆柱形容器，其扁平表面面向太阳。容器的尺寸和形状对太阳能收集有显着的影响。此外，Haskell提出了通过扁平容器来替换置于商业化ICS系统的热壳体内的管状容器，以实现罐的每单位体积的更大收集器面积。该罐装有间隔元件和翅片，以实现吸收板更好的传导量。在1936年，在美国加利福尼亚大学的农业实验站详细研究了一个封闭和暴露单一的容器。在20世纪50年代初，封闭管ICS太阳能热水系统在日本商业化并销售。通过引入仍然用于许多商业设计的圆柱形容器（组合收集器和储存器）进一步改进了该概念。后来许多研究人员在这个领域显示出他们的兴趣，并在世界不同地区设计、开发和分析很多改进的ICS系统。基于文献的一些ICS设计已经由Smyth、Frid et al、Devanarayanan、Murugavel 和Muneer等人讨论过 ，还比较了两种不同设计的内置储水式热水器的热性能。

3 集成收集和存储的太阳能热水器的分类

对ICS太阳能热水器的不断研究已经产生许多新的，改进的和创新的设计。这些系统的性能单独取决于它们的能量收集和存储方法。在以下各小节中，对各种ICS太阳能热水器进行了回顾，并根据其能量收集和储存原理进行分类，并对近年来的设计和修改进行了讨论。这些系统可以大致分类为（a）非集中ICS太阳能热水器; （b）集中ICS太阳能热水器; 和（c）具有相变材料的ICS系统。保持第三类别的主要原因是潜热形式的高储热能力，并且甚至在夜晚几乎在恒定温度下产生热水。

3.1非集中式ICSSWH

3.1.1平板集成收集器存储（FPICS）

平板集成收集器存储（FPICS）系统的特征在于将使用平板收集器收集太阳能与热水存储器集成在一个单元中。这些系统是经济实惠，需要更少的安装空间。Gertzos 等人已经研究了直接和间接加热模式下的FPICS系统。在直接加热模式中，水通过储罐中的收集器直接加热。在间接加热模式下，自来水通过浸没在储存水中的蛇形管。Al-Khalifajy 等人分析了具有各种热交换器设计的间接ICS太阳能热水器的性能。

此外，收集器的倾斜对热交换器的设计具有可忽略的影响。Khalifa和Jabbar 已经评估了一个系统的性能，该系统由六根串联连接的外径为80mm的铜管组成，这些铜管用作吸收器和储热器。尺寸为0.90mtimes;1.80m的单一玻璃收集器由铝框架建造并倾斜45°。吸收器放置在盖子下面三厘米处。在瞬时效率，除热系数和收集效率因子方面，系统的性能比常规系统好得多。最近，讨论了一个创新的太阳能热水器由四个圆柱形管组成。在该装置中，面板吸收太阳能并通过对流将热水朝向出口管升高，并且在家用网络中需要用的时候使其可用。Taheri 等人已经构建了一个简单和低成本的紧凑型太阳能热水器（CSWH），其有效集电极面积为0.67 m2。太阳能收集兼储水器，尺寸为1.45 times; 0.56 times; 0.17 m，由0.0015m厚的镀锌板构成。该系统已经在自然和强制对流模式的水流和不同的收集器方向进行了分析。收集器朝南的平均日效率，,10◦东南和10◦西南分别估计为73.45,70.32和76.28％。Garg等人根据Hobson和Norton提出的方法提出了ICS太阳能热水器的列线图。列线图汇总了三个一般的无量纲参数，使设计人员能够以图形方式预测所选参数和环境条件下的系统性能。此外，Commerford等人开发了一个简单的框架，用于确定在不确定性的现场建造的集成收集器存储太阳能热水器（ICSSWH）的关键设计参数。Gertzos，和Caouris 研究了使用三维CFD模型的再循环型平板ICS太阳能热水器中的流场和热传递。此外，它们已经优化了再循环端口的位置和尺寸，互连翅片的布置和尺寸。

Hazami等人 制造的插卡子卡系统具有5m2的集电极表面积搁在在倾斜的钢支撑45◦引发水的温度高达50 ◦C。系统的存储特性提供了必要的热量，来保持排放的水的温度维持在最佳值。设计了一个非金属无釉的太阳能热水器，储水能力为3.29L（见图1）。该系统由玻璃纤维增​​强聚酯（GFRP）制成，使用具有良好导热性和吸收性的特殊树脂组合物。在该加热器中，19个无釉的半椭圆形收集器管的吸收率为0.95，并且已经使用了尺寸为1.4mtimes;1.8m的收集器和3mm厚的吸收器。在夜间排放热水的情况下，系统的性能测试表明，该系统可以实现635W/m2太阳辐射的45％的效率和31◦C环境温度。

图1

a系统的横截面，b系统的照片

3.1.2罐/箱式ICS系统

Garg 在焦特布尔中央干旱区研究所设计和测试了一种改进的内置太阳能热水器的矩形水箱。测试结果表明，该系统实现了足够高的效率高达70％，并在冬天提供大约90L热水，水温在50和60 ◦C之间，夏天供给大约90L热水，水温在60和75 ◦C之间。此外，Chauhan和Kadambi在以下四种运行模式下测试了70L收集器兼储存太阳能热水器的存储容量：（a）使用小型泵循环的水; （b）自然对流条件; （c）水平衡被抽出，当水温大约在50-60 ◦C之间; 和（d）水以38,60和75.9kg / h的流速连续通过吸收器板。最高系统的效率，大约71.8％，已在连续水流中在75.9kg / h的稳定水流速下测量。该系统还在其他三种操作模式下在所需的温度和效率范围内进行。Kumar和Rosen报道了一种具有波纹状吸收体表面（参见图2）的罐式ICS系统，其在较长时间内显示较高的工作温度，但是效率较低。波纹表面导致从吸收器到水的对流热传递的更高特征长度，并且还增加暴露于太阳的表面积。

图2带波纹表面的矩形太阳能热水器截面

此外，他们设计了一个将储罐与扩展存储单元相连接的两段系统（见图3）。第一部分收集进入的太阳辐射，第二绝缘部分存储热水。第一和第二部分之间的体积比为7/3已经以足够的温度产生热水，效率最高。最近，Saleh使用当地可用的廉价建筑材料，制造了一个长方形水箱（1 times; 1 times;0.03 m）。在这个系统中，在四天的测试中，水箱的水温在部分多云、晴天、阳光和阳光明媚的天空条件下达到了60℃ 。然而，该系统产生的热水温度比进口太阳能热水器产生热水温度低。Mohsen和Akash 已经测试了带有单层玻璃的盒式ICS太阳能热水器，并观察到罐内水中的温度升高了30℃ 。此外，Mohsen等人 报道了类似的系统，适合于供应24小时的热水。该系统的热性能已经基于单层和双层玻璃的三个不同的罐深度(即5，10，15cm)被评测。对于10厘米坦克的深度，该系统已经产生比其他深

度更高的温度，高达68 ℃的热水 。此外，双层玻璃系统在夜间表现出较高的保持水温高效的潜力。

图3带波纹表面的矩形太阳能热水器截面；剖面图两节ICS太阳能热水器

Dharuman 等已经建成了ICS系统，吸收面积为1.3米22，储水量为170升，成本降低了30％。 测试结果表明，该系统在清晨在45至50℃之间提供了足够的热水，用于国内部门的洗浴和清洗。 白天收集效率和整体效率分别为60％和40％。 Garnier等人研究了矩形箱式ICS太阳能热水器的温度分层。 此外，Garnier和Currie 已经预测了应用由Currie等人先前开发的宏观模型的矩形ICS盒式太阳能热水器在与底部不同距离处分别的时间和水温。

3.1.3三角ICS系统

Ecevit等人提出了一种三角ICS太阳能热水器。梯形设计增强了吸收体表面和水之间的热传递，并且与矩形设计相比表现出更好的整体性能。三角形横截面也有助于获得更高的太阳能增益和更好的自然对流，最终达到更高的水温。Soponronnarit等人将三角系统的性能与系统的矩形设计相比较。两个系统在相同的操作条件下经过实验测试。三角系统的效率更高，夜间热损失较低。

3.1.4梯形ICS系统

Cruz等人研究了梯形太阳能热水器的性能，最佳收集器倾斜45°，如图4所示。地中海欧洲或纬度相似的地区（北纬40-45）。梯形截面已经在储水中引起热分层，并提供足够的能量存储以满足典型的日常热水需求。该系统产生了30和70％和热水之间的能量节省在31 下的600瓦特/ m的辐射值。最近，Tarhan等已经研究了PCM夹杂物在储罐中对三个梯形系统中温度分布的影响。

图4.梯形ICS太阳能热水器的横截面图

3.2集中ICSSWH

太阳能热水器具有更高的太阳能收集效率和最小的热损失，因此始终是首选。浓缩型太阳能热水器可以收集比非浓缩加热器更高的太阳能。集中器在太阳能集热器中设计的低至中等浓度可以是平面或弯曲的，线轴或线对焦（圆形，抛物面或复合抛物面）反射器，对称或不对称。本节讨论文献中提供的所有集中式ICS太阳能热水器。

3.3具有相变材料的ICS系统

在熔融过程中引入相变材料（PCM）以利用其中存储的潜热是太阳能热水系统中最重要提出的技术之一。 PCM熔化过程中潜热和等温行为形式的较高

全文共9581字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[143333]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章