太阳能集热器热效率测量方法_电子论文

(太阳能集热器热效率测量方法 69页 33152字包括开题报告文献综述任务书外文翻译程序电路图答辩记录等）

摘要：本文先简介了太阳能热利用的发展情况以及太阳辐射相关知识，然后详述了太阳能集热器的工作原理、内部结构以及太阳能集热器热效率的测量理论，最后设计出一测温电路对太阳能集热器热效率的测量进行了简单的模拟。
本文的理论知识是通过综合查找相关书籍、刊物以及网上的文献资料获得的，文中对太阳能集热器热效率的来源、定义、计算与测量方法以及影响因素都进行了详细的介绍，并提出了自己的一些看法。
本文基于太阳能集热器热效率测量的相关理论知识，并结合现实条件设计出一采用PT100或者PT1K作为温度传感器的简易模拟测温电路。目的是为了充分锻炼自己的动手能力，为以后从事太阳能集热器相关领域打下坚实的基础。

关键词：太阳能、太阳能集热器、热效率

中图分类号：TK513

Measuring Method of the Thermal Efficiency of the Solar Collector
Abstract:This article has introduced the development of solar energy heat utilization as well as the related knowledge of solar radiation first, then has related in detail the solar collector's principle of work, the internal structure as well as the survey theory of the solar collector's thermal efficiency, an ultimate design of a electric circuit of temperature measurement has carried on the simple simulation to the thermal efficiency's survey of solar collector.
The obtains of the theoretical knowledge of this article is through the synthesis search of related books, the publication as well as on-line literature material, This article has carried on the detailed introduction to the thermal efficiency's origin of the solar collector, the definition, the computation and the measuring technique as well as the influencing factors, and proposes some views of the author.
This article is based on the related knowledge of the thermal efficiency survey of the solar collector, and designs a simple analogous electric circuit for temperature measurement using PT100 or PT1K as the temperature sensors after unifing the actual condition. The goal is to exercise own practical ability fully and build the solid foundation for the later engagement in the related domain of the solar collector.
Keywords: solar energy, solar collector, thermal efficiency
Classification number: TK513

目次
摘要.........................................................................Ⅰ
目次.........................................................................Ⅲ
1 引言（绪论）................................................................1
1.1 太阳能热利用概述........................................................1
1.1.1 简介....................................................................1
1.1.2 太阳能量的传送..........................................................2
1.1.3 太阳辐照度及特点........................................................2
1.1.4 太阳辐射的测量..........................................................3
1.2 太阳能热利用状况与意义..................................................4
2 太阳能集热器................................................................6
2.1 简介....................................................................6
2.2 太阳能集热器的分类......................................................6
2.3 平板型太阳能集热器......................................................7
2.3.1 概况与工作原理..........................................................7
2.3.2 平板型太阳能集热器结构及性能分析........................................8
2.3.3 集热器上入射总太阳辐射能的估算..........................................9
3 太阳能集热器的热效率及测量 ...............................................10
3.1 集热器热效率方程 .....................................................10
3.1.1 集热器总热损系数 .....................................................10
3.1.2 集热器热效率方程的三种形式 ...........................................10
3.2 集热器热效率曲线 .....................................................11
3.3 热效率测量条件与仪表...................................................12
3.3.1 热效率测量条件.........................................................12
3.3.2 热效率测量仪表.........................................................13
3.4 改善集热器热效率 .....................................................14
3.4.1 主要措施...............................................................14
3.4.2 吸热板上的涂层.........................................................14
4 热效率测量模拟.............................................................16
4.1 简介...................................................................16
4.2 本次测温电路原理.......................................................16
4.3 本次测温电路的调试.....................................................18
5 结论 ......................................................................19
参考文献.....................................................................20
作者简介.....................................................................21
学位论文数据集 ..............................................................22
1、绪论
1.1、太阳能热利用概述
1.1.1、简介
万物生长靠太阳。没有太阳，便没有白昼；没有太阳，一切生物都将死亡。
太阳具有极其高的温度和亮度，它的表面温度为5497℃，中心温度高达1500万～2000万摄氏度，太阳的总亮度大约为3×1027cd[28-33]（此时修正了大气吸收的影响）。既然太阳具有如此高的温度和亮度，那么它的辐射能量也是极其巨大的，平均来说，在地球大气外面正对着太阳的1m2的面积上，每秒钟接受的太阳能量大约为1367W[28-33]。
太阳的能量是巨大的，它所蕴含的光和热早已引起了人类的研究兴趣。人类利用太阳能虽然已有3000多年的历史，但把太阳能作为一种能源和动力加以利用，却只有不到400年的历史。尤其在过去的100年里，太阳能热利用技术发展迅速。太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室以及太阳能热发电都是太阳能热利用的具体表现。
而迄今为止，把太阳能作为一种能源和动力加以利用的方式主要分为以下四类：光热利用、光电利用、光化利用以及光生物利用。在这四种利用中光热利用是最基本也是最普遍的太阳能利用，它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。
在太阳能光热利用中，我们通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（<200℃)、中温利用（200～800℃）和高温利用（>800℃）。
目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室以及太阳能空调制冷系统等，并且近年来主要研究发展方向是寻找降低太阳能集热器制造成本、提高运行效率和可靠性以及简化设计和安装方法。比如说，用于游泳池加热的极低温（低于45℃）集热器有了特殊的结构设计，家用热水器和采暖用平板集热器的框架采用了特殊的铝挤压器件，在密封技术方面采用人造橡胶垫圈解决了盖板漏水和玻璃因为热应力的作用而破裂的问题[23-27]，这些措施都简化了集热器制造工艺并且改善了集热器的运行效率。
而中温利用主要有太阳灶、太阳能工业热利用，并且中温利用系统所用的集热器都要有一定程度的聚光，还要采用中温传热介质和蓄热方法，这两个特点也是中温利用和低温利用的主要区别。在聚光集热器方面有复合抛物面聚光集热器、线性菲涅尔投射聚光集热器、旋转抛物面聚光集热器等等，但另一个特点即中温蓄热和低温蓄热相比，成本要昂贵得很多，目前已开发出一些有机和无机流体可用于传输和蓄存200～800℃的太阳热能，同时在技术上发展以潜热容量进行蓄热的相变蓄热方法，当然存在的问题主要是蓄热材料的费用、长期的化学稳定性以及对容器装置的腐蚀性。
高温利用主要有高温太阳炉以及高温热发电，一般高温利用系统耗资比较巨大，其主要有两个方面的内容，即旋转抛物面聚光集热器和定日镜场，前者利用小型热机，特别是热气机组成所谓分散式小型太阳能发电装置，用于边远地区和改造沙漠时具有一定的发展前景，后者则是指大型塔式发电装置，目前技术还处于发展阶段。

1.1.2、太阳能量的传送
太阳是地球上的光和热的主要源泉。太阳一刻也不停息地把它巨大地能量源源不断地传送到地球上来供人们生存所利用。那么它是如何传送的呢？
在传热学中，我们知道热量的传播有传导、对流和辐射3种形式。而太阳能量的传送主要是采用辐射的形式。具体来说分为两种：一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫做电磁波辐射，这种辐射由可见光和人眼所看不到的不可见光所组成；另一种是微粒辐射，它是由带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子所组成的粒子流。微粒辐射平时较弱，能量也不稳定，一般来说不等它辐射到地球表面上来，便在漫长的传播路途中逐渐消失了[49-55]。因此，太阳辐射主要是指光辐射。
太阳辐射送往地球，不仅要经过遥远的路程，还要遇到各种阻拦。其中第一道阻拦就是地球的磁层，绝大部分的太阳辐射微粒都会被地球磁层“俘获”；而第二道阻拦就是地球磁层下面的对流层、平流层和电离层，它们都对太阳辐射有吸收、反射和散射作用，其中电离层不仅可以将太阳辐射中的无线电波吸收或反射出去，而且会使有害的紫外线部分和X射线部分受阻；第三道阻拦就是臭氧层，它可以将进入其中的绝大部分紫外线吸收掉。
由于地球设置的“三道防线”把太阳辐射中的有害部分消除了，从而使人类和各种生物得到保护，但是对于太阳能量的传输，地球大气层中的各种物质也具有很大的影响。
大气中的氧、臭氧、水、二氧化碳和尘埃等，对太阳辐射均有不同的吸收作用。其中：氧主要吸收波长小于0.2微米的太阳辐射波段，特别是对于0.155微米的辐射波段的吸收能力最强；臭氧主要吸收紫外线，它所吸收的能量占太阳辐射总能量的21％左右；水汽可以吸收太阳辐射总能量的20％，液态水吸收的太阳辐射能则更多；二氧化碳和尘埃吸收的太阳辐射较少。
大气中的各种物质除了对太阳辐射有吸收作用，还有散射作用。当太阳辐射以平行光束射向地球大气层时，要遇到空气分子、尘埃和云雾等质点的阻挡而产生散射作用。这种散射不同于吸收，它不会将太阳辐射能转变为各个质点的内能，而只能改变太阳辐射的方向，从而使一部分太阳辐射变为大气的逆辐射，射出地球大气层之外，当然这也是太阳辐射能量减弱的一个重要原因。
因此，由于大气的存在和影响，到达地球表面的太阳辐射能可分为两个部分：
直接辐射和散射辐射。一般来说，晴朗的白天直接辐射占总辐射的主要部分，阴雨天散射辐射占总辐射的主要部分，夜晚则完全是散射辐射，而对于大多数太阳能热利用设备来说，直接辐射是主要的利用部分。

1.1.3、太阳辐照度及特点
上述太阳辐射能够产生巨大的能量，为了度量辐射能量的大小，我们通常采用太阳辐照度这一定义。辐照度是指投射到单位面积上的辐射通量，单位为W/m2。
太阳辐照度，可根据不同波长范围的能量的大小及其稳定程度，划分为常定辐射和异常辐射两类。常定辐射是指可见光部分、近紫外部分和近红外部分3个波段的辐射，它的特点是能量大而且稳定，其辐射能占太阳辐射能90％左右，是太阳光辐射的主要部分；而异常辐射则是指远红外部分、紫外线部分和微粒流部分等波段的辐射，它的特点是随太阳活动的强弱而发生剧烈变化，在太阳活动极大期时能量很大，在极小期时能量很小。
与太阳辐射度紧紧关联的一个术语就是太阳常数了，它是指在平均日地距离时，在地球大气层的上界，在垂直于太阳光线的平面上，单位时间内在单位面积上所获得的太阳辐射能的数值，单位为W/m2,根据1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第八届会议通过的数值，太阳常数取值为（1367＋7）W/m2。。
在实际应用中，太阳辐照度是要受多种因素所影响的，具体来说太阳高度、大气质量、大气透明度、地理纬度、日照时间及海拔高度是影响的主要因素。
太阳高度指太阳光线和地平线的夹角，对于某一地平面来说，太阳高度低时光线穿过大气的路程较长，则能量被衰减得较多，而又由于光线以较小的角度投射到该地平面上，所以到达地面的能量就较少即太阳辐照度较低；反之，则较多。
我们将当太阳垂直照射地面时光线所穿过的大气的路程称为1个大气质量，而太阳在其他位置时，大气质量都大于1，从而我们把大气质量定义为太阳光线通过大气路程与太阳的天顶时太阳光线通过大气路程之比。
至于其他的几个因素就比较简单了，大气透明度高、地理纬度低、日照时间长以及海拔高度高都会导致太阳辐射度较大；反之，则较低。当然，我们在考虑某一具体地区的太阳辐照度时，是要综合考虑以上所述因素的。

1.1.4、太阳辐射的测量
从太阳能的利用角度来看，主要需要测定的是太阳辐射的直射强度和总辐射强度。直射强度是指与太阳光垂直的表面上单位面积单位时间内所接收到的太阳辐射能。测定直射强度的仪器称为“太阳直射仪”；总辐射强度指水平面上单位面积单位时间内所接收到的来自整个半球形天空的太阳辐射能。显然，它包括直射和散射，测定总辐射强度的仪器称为“太阳总辐射仪”。
根据能量转换形式的不同，太阳辐射仪可分为卡计型（太阳辐射能转换成热能）、热电型（太阳辐射能转换成热能再转换成电能）、光电型（太阳辐射能转换成电能）以及机械型（太阳辐射能转换成热能再转换成机械能）。
卡计型辐射仪又分为水卡计、金属片卡计、电加热补偿型卡计等。其感受器件通常用水或银、铜等金属片，水或金属片的质量和比热很容易事先测定，只要测出感受器件受照后的温升，便可确定太阳辐照度的大小。由于感受器件存在辐射、对流和传导热损，所以在制作过程中应充分注意尽力减少这些热损失，并通过专门的实验引入一个修正系数来保证测量精度。
热电辐射仪主要是指热电偶或热电堆。其基本原理是当任何两种不同金属连接成一个闭合回路，若金属两个接点的温度不同，就会产生电动势，回路里就有电流产生。反之，如果上述回路中没有电流，则两个接点处的温度相同，电动势的大小与两个接点的温差有关。若知道一个接点的温度，通过测量电动势，便可测得另一点的温度。如果以热敏电阻作为感受器件，那么应将其接入一个桥式电路，由于热敏电阻受热引起的阻力变化与所吸收的太阳辐射能成正比，所以同样用电桥测出热敏电阻阻值变化便可确定太阳辐射强度。
光电型辐射仪的基本原理是利用硅太阳电池的短路电流与投射在电池上的太阳辐射强度呈线性关系可以测定太阳辐射强度。为了使太阳电池在短路状态下工作，可在其两端跨接一个阻值很小的电阻，而且它所配套的毫安表是用来指示太阳辐射强度的，其量程范围与电池的受照面积相匹配。
至于机械型辐射仪，它通常是用铁和合金制成的双金属片作为感受器件，其中合金一般在相当大的温度范围内不会变形。当感受器件接受太阳辐射能后，铁受热膨胀，而合金则几乎不变形，因此引起了双金属片的弯曲，致使与双金属片自由端相连接的指针发生偏移，从而由指针偏移的刻度即可得出太阳辐射强度。
而上述几种辐射仪均不能用于绝对测量，需要用标准仪器加以标定。作为标定用的直射仪有埃氏电补偿式直射仪，自1957年以来，它被规定为世界通用的太阳辐射标准。

太阳能集热器热效率测量方法

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