当前的世界环境

介绍

由于对化石燃料的能源和升高成本的需求增加，太阳能被认为是一种有吸引力的绿色能源来源，可用于在国内和工业部门中加热水。太阳能水加热系统通常由太阳辐射集电极，工作流体，储罐，泵，管道单元和辅助加热单元组成。^1,2太阳能水加热中最重要的因素是其效率。太阳能水加热系统的效率基于从加热的水到太阳辐照度接收的有用能量的比例。^5，6太阳能集热器的性能对太阳能热水系统的效率起着主要作用。科学家和工程师一直在寻找新的方法来提高太阳能热水系统的性能，以提高其性能和效用，并降低其成本。许多研究已经在世界范围内研究了提高太阳能集热器效率的方法。Kalogirou综述了几种不同类型的太阳能集热器，并提供了每种类型的相关热分析和应用。^8-12

表1 点击此处查看数字

太阳能收集器的效率值主要受吸收表面的影响。^13.颜色、结构因素以及吸收剂和工作流体之间的传热也很重要。^14、15传热量是所使用的工作流体、吸收剂和工作流体之间的接触类型、吸收剂和收集器的面积和几何形状的函数。^16,17.关于吸热剂和工质之间的传热问题已有许多研究，其中一些研究重点是吸热剂和集热器的几何形状。这些研究推荐气体颗粒悬浮，^18.流体薄膜^19.和金属泡沫^20.增加传热。为了最大限度地提高表面的总入射辐射，使用了太阳跟踪机制，与最佳的倾斜太阳能收集器相比，这可以使每年的太阳辐射增益增加1.45倍。^21.由于这种跟踪机制的操作复杂，它们在太阳能加热系统中使用并不划算。采用合适的对称曲面，如在球面或螺旋形收集器可以消除跟踪机构，而没有明显的效率损失。一些研究人员已经对球形太阳能集热器进行了研究。^22、23

在这项研究中，通过实验研究了具有新几何形状的螺旋太阳能收集器的效率。为了获得该收集器的效率，测量水作为工作流体的水的质量流速，测量从收集器到水的热传递和由收集器接收的太阳能。

材料和方法

本文提出了一种新型的固定太阳能集热器，即螺旋太阳能集热器。如图1所示，它由一个锥形体、一个玻璃罩、围绕吸收板的管道、隔离表面和工作流体组成。

螺旋收集器的主要益处是，当入射光束辐射在图2所示的收集器顶部正常时，它在每侧具有对称部分，并且当入射光束辐射正常时具有圆形部分。2。

这种配置使收集器能够在白天收集入射束辐射。这种集热器的其他利润和现有集热器的缺点，如平板太阳能热水器，作为一种常见的固定太阳能集热器，见表1

图1：锥形太阳能收集器的示意图 点击此处查看数字

图2：管道和盖安装在锥形太阳能集热器上 点击此处查看数字

表1:平板和圆锥太阳能集热器的比较

实验的程序

实验的示意图如图4所示。这家螺旋太阳能收藏家在伊朗（Latitude）的Shahid Chamran大学Ahvaz大学进行了实验研究^0.19.^'16.^＇＇n和经度是48^0.40^'16.^＇＇E).相对集电极位置如图3所示。

图3：本实验中使用的锥形太阳能收集器 点击此处查看数字

在该实验测试中使用的螺旋太阳能收集器的规格列于表2中。收集器的倾斜角始终为90^0.，所以它在每个位置都是垂直于地球的。

表2：螺旋太阳能收集器的规格

太阳系是一个带有电泵的力对流系统(图4中6)。从图中可以看出，它没有任何循环，所以系统是开放的。在这个收集器中，水被用作工作流体。在电动泵前，将流量计(图4中4)连接到水管上。用3对K热电偶测量螺旋收集器的空气温度(图4中10)和进口(图4中3)和出口(图4中2)的流体温度。这些热电偶连接到一个通道数据记录器(TES数据记录器模型)。使用TES太阳能计记录太阳辐射。在实验数据采集前、中、后对测量仪器进行了校准。采用独立校准的铂电阻温度计调节热电偶;使用数据记录子程序调整流量计，将水从收集器抽到容器中，并使用准确的刻度测量质量，太阳计使用具有有效校准证书的校准参考太阳计。

图4：建立实验 点击此处查看数字

测试方法

用于测试收集器的热效率的ASHRAE标准绝对是最广泛使用的标准，用于测试固定太阳能热水器的性能。^24.通过为接收的辐射，环境空气和入口流体温度的不同组合获得瞬时性能的值来建立太阳能收集器的热性能。^25.必须进行实验测量，以获得入射辐射水平和在稳态或准稳态条件下进入收集器循环的工作流体的能量。

Ashrae标准建议在各种入口流体温度下进行实验。在稳态条件之后，每个测试的结果平均并用于导出单个点，而其他结果被拒绝。随着测量流体的质量流量和输入和输出流体温度，可以通过等式（1）获得有用的能量。还可以基于吸收器所采取的能量和由等式（2）所述的能量来描述有用的能量。

在那里,C_P.是工作流体的热量。

集电极瞬时效率将有用能量与集电极表面的总入射辐射联系起来，公式(3)或(4)。

F_R.（ζα）和f_R.你_L.分别吸收能量和能量损失参数。在测试太阳能收集器的热效率之后_R.（ζα）和f_R.你_L.可以从获得的数据计算。F._R.（ζα）和f_R.你_L.在正常的发病率条件下进行效率测试时保持不变。根据式(4)，将效率测试的数据绘制成一条垂直轴为效率与(T)的直线_一世-T._一种/ G_T.）作为水平轴。当收集器的入口温度接近环境温度时，这条线与垂直轴的交叉点表示峰值收集器效率。而且，在具有水平轴的该线路的交叉点处，停滞点，收集器效率为零，通常在工作流动在系统中停止流动时发生。

结果和讨论

实验结果包括螺旋太阳能集热器的效率和进出口温度的变化。所有数据均在准稳态条件下进行测试。在每次测试中，进口、出口和环境温度的最高差异为0.6、0.6和0.5^0.C，分别为19W/m²对于太阳辐射。收集器倾斜角度为90^0.与地球正常，使用普通的水作为工作流体。试验在夏季后期进行了许多天，时间为白天的8.00至17.00。数据每15分钟记录一次。实验结果以方程和图形的形式表示了集热器的效率。图5显示了一个测试天中工作流体在1.1 Lit/min的典型数据。

图5：实验数据为1天。 （a）太阳辐射。（b）温度曲线 点击此处查看数字

根据实验数据和方程（3），测试区域的室外条件下螺旋太阳能收集器的平均效率约为53％，适用于在房屋中使用太阳能水加热系统。图5显示了入口和出口温度之间的差异足够高，以便将其用作适当的太阳能热水器。

图6：圆锥太阳能集热器的效率 点击此处查看数字

图6显示了收集器效率的变化与降低的温度参数，（t_一世- t_一种）/G_T.在测试。由式(4)可知，螺旋集热器的效率随该参数的增大而减小。用线性方程拟合实验结果，计算出该太阳能集热器的特性参数。捕集器效率参数和分别为25.91和0.585，适应度优度参数R²，为0.937，表明拟合良好。这些结果与Yousefi等人之前的工作相似^{2 - 4}和Goudarzi等人。^9.

图7:圆锥太阳能的效率 收集器与流量相比 点击此处查看数字

图7示出了流速对锥形太阳能收集器的热效率的影响。基于该图，收集器的效率通过增加流速而增加。这种趋势符合Minsta等人的实验工作。^26.和cristofari等。^27.他们研究了质量流量对太阳能集热器的影响。

结论

在本研究中，对一种新型的圆锥几何固定太阳能集热器的效率和性能进行了实验研究。对集热器内的温度变化进行了实验。研究结果表明，1 m的螺旋集热器的平均效率较高²吸收板和0.6米直径约为53％。如图所示，螺旋太阳能收集器的瞬时效率随温度与入射辐射的比率而降低。实验表明，由于其特殊的几何形状，入口和出口温度与锥形太阳能收集器的效率之间的效率令人满意。另外，实验表明，通过增加质量流量，锥形太阳能收集器的效率增加。

承认

作者要感谢Shahid Chamran大学Ahvaz进行支持。

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