無吸熱管球形腔式集熱器的設(shè)計與數(shù)值模擬

無吸熱管球形腔式集熱器的設(shè)計與數(shù)值模擬一、背景與意義

太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，是人類解決能源危機和環(huán)境污染的一個很好方式。太陽能熱利用技術(shù)作為太陽能利用的重要領(lǐng)域之一，受到越來越多的關(guān)注。太陽能熱利用技術(shù)的核心是太陽能集熱，而集熱器是太陽能利用系統(tǒng)中最重要的部分。集熱器的性能直接影響到整個利用系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性。因此，集熱器的設(shè)計和研究是太陽能熱利用技術(shù)研究的重要方向之一。

二、無吸熱管球形腔式集熱器的原理

無吸熱管球形腔式集熱器是一種將太陽能輻射轉(zhuǎn)化為熱能的裝置。其主要由球形外罩、玻璃罩、集熱器管、集熱器頭、導(dǎo)熱油和輸送管等部分組成。

如圖所示，球形外罩由兩個半球組成，其內(nèi)部采用黑色涂層來吸收太陽輻射。玻璃罩則起到遮陽和保溫作用。集熱器管固定在集熱器頭上，連接導(dǎo)熱油循環(huán)管路，將集熱的熱能傳遞到導(dǎo)熱油中。導(dǎo)熱油則通過輸送管將熱能輸送到使用者處，完成太陽能的利用。

三、無吸熱管球形腔式集熱器的設(shè)計

1、球形外罩

球形外罩設(shè)計應(yīng)該考慮以下因素：

（1）材料選擇：球形外罩應(yīng)選擇高溫材料，以保證其在高溫下不變形。

（2）涂層選擇：涂層應(yīng)具有高吸收率、低輻射率和耐高溫等特性，以提高集熱器的熱吸收效率。

（3）設(shè)計尺寸：球形外罩的尺寸應(yīng)根據(jù)集熱器管的數(shù)量和排列來確定。

2、玻璃罩

玻璃罩設(shè)計應(yīng)該考慮以下因素：

（1）材料選擇：玻璃罩可以采用有機玻璃或鋼化玻璃等材料，應(yīng)根據(jù)其透光性、耐高溫性、抗磨損性來選擇。

（2）設(shè)計尺寸：玻璃罩的尺寸應(yīng)根據(jù)集熱器管的數(shù)量和排列來確定。

3、集熱器管和集熱器頭

集熱器管和集熱器頭的設(shè)計應(yīng)該考慮以下因素：

（1）管徑選擇：管徑應(yīng)根據(jù)集熱器的尺寸和使用者的熱負荷來確定。

（2）排列方式：采用不同的排列方式可以提高集熱效率。比如采用密排方式可以提高集熱效率，但會增加管之間的阻力。

（3）材料選擇：集熱器管和集熱器頭應(yīng)選擇耐高溫、耐腐蝕的材料。

4、導(dǎo)熱油循環(huán)管路和輸送管

導(dǎo)熱油循環(huán)管路和輸送管的設(shè)計應(yīng)該考慮以下因素：

（1）材料選擇：導(dǎo)熱油循環(huán)管路和輸送管應(yīng)選擇耐高溫、耐腐蝕的材料。

（2）輸送管路：輸送管路盡量保持直線，避免彎曲過多。

5、防止集熱器過熱的措施

為了防止集熱器過熱而導(dǎo)致的損壞，可以采取以下措施：

（1）設(shè)置出口溫度傳感器，監(jiān)測并控制導(dǎo)熱油的出口溫度。

（2）設(shè)置閥門，將導(dǎo)熱油的循環(huán)速度控制在一定范圍內(nèi)。

（3）采用氣壓或水壓自動控制系統(tǒng)，將導(dǎo)熱油的循環(huán)速度自動調(diào)節(jié)。

四、無吸熱管球形腔式集熱器的數(shù)值模擬

使用熱力學(xué)模擬軟件可以對無吸熱管球形腔式集熱器進行數(shù)值模擬，以評估其集熱性能。數(shù)值模擬可以展示集熱器的溫度分布、熱流等參數(shù)，為集熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1、建立模型

根據(jù)無吸熱管球形腔式集熱器的實際幾何模型建立三維模型。

2、邊值條件

設(shè)定太陽輻射、環(huán)境溫度、導(dǎo)熱油的流速和溫度等邊值條件。

3、計算過程

運用傳熱學(xué)原理，建立有限元計算模型，計算出集熱器的溫度分布、熱流等參數(shù)。

4、結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，對集熱器的溫度分布、熱流等參數(shù)進行分析，優(yōu)化集熱器設(shè)計。

五、結(jié)論

無吸熱管球形腔式集熱器是一種高效、可靠的太陽能熱利用裝置。通過合理的設(shè)計和數(shù)值模擬可以提高其熱吸收效率，提高太陽能的利用效率，為可持續(xù)發(fā)展提供保障。本文將圍繞太陽能熱利用技術(shù)的數(shù)據(jù)進行分析，具體包括太陽能發(fā)電、太陽能熱水器、太陽能空調(diào)和太陽能集熱器等方面的數(shù)據(jù)。

一、太陽能發(fā)電數(shù)據(jù)分析

太陽能發(fā)電是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其主要通過光伏發(fā)電和集熱發(fā)電實現(xiàn)。以下是太陽能發(fā)電方面的相關(guān)數(shù)據(jù)：

1、全球光伏發(fā)電裝機容量：2021年末，全球累計光伏發(fā)電裝機容量達到了767.4GW，其中中國、美國和歐洲聯(lián)盟分別占據(jù)了30.3%、17.9%和22.6%的市場份額。

2、光伏組件價格：2010年至2021年，全球光伏組件價格持續(xù)下降，其中2020年和2021年的下降幅度最大，分別達到了12%和8%。

3、太陽能發(fā)電成本：太陽能發(fā)電成本逐年下降，其中2020年的全球平均太陽能電力成本為0.093美元/千瓦時，比2010年下降了85%。

以上數(shù)據(jù)表明，全球光伏發(fā)電裝機容量和太陽能發(fā)電成本逐年下降，說明太陽能發(fā)電已經(jīng)逐漸成為一種經(jīng)濟實惠的清潔能源。但是光伏組件價格持續(xù)下降，也意味著太陽能行業(yè)的競爭越來越激烈，需要繼續(xù)創(chuàng)新降低成本。

二、太陽能熱水器數(shù)據(jù)分析

太陽能熱水器是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為熱能來供暖、供熱水的一種設(shè)備，以下是太陽能熱水器方面的數(shù)據(jù)：

1、全球太陽能熱水器容量：截至2020年底，全球太陽能熱水器容量已經(jīng)達到了480GW，其中中國、印度和巴西分別占據(jù)了全球市場份額的73%、5%和3%。

2、太陽能熱水器市場規(guī)模：太陽能熱水器市場規(guī)模不斷擴大，其中2020年全球市場規(guī)模為23.3億美元。

3、太陽能熱水器產(chǎn)量：2019年，中國太陽能熱水器產(chǎn)量已經(jīng)達到了4800萬平方米，占全球總產(chǎn)量的88%。

以上數(shù)據(jù)表明，太陽能熱水器在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，其中中國的市場份額和產(chǎn)量均占據(jù)了絕對優(yōu)勢。太陽能熱水器市場規(guī)模也逐漸擴大，說明人們在環(huán)保、節(jié)能方面的意識逐漸增強。

三、太陽能空調(diào)數(shù)據(jù)分析

太陽能空調(diào)是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為熱能和電能來制冷的一種設(shè)備，以下是太陽能空調(diào)方面的數(shù)據(jù)：

1、全球太陽能空調(diào)市場規(guī)模：太陽能空調(diào)市場規(guī)模不斷擴大，其中2020年全球市場規(guī)模為15.2億美元。

2、太陽能空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域：太陽能空調(diào)主要應(yīng)用于商業(yè)建筑和住宅等領(lǐng)域，其中商業(yè)建筑應(yīng)用占了太陽能空調(diào)市場的大部分。

3、太陽能空調(diào)巨頭企業(yè)：太陽能空調(diào)市場競爭激烈，國內(nèi)外巨頭企業(yè)包括三菱電機、格力、海爾、LG等。

以上數(shù)據(jù)表明，太陽能空調(diào)市場規(guī)模在逐漸擴大，但是應(yīng)用領(lǐng)域還比較有限，主要集中在商業(yè)建筑和高檔住宅等領(lǐng)域。太陽能空調(diào)巨頭企業(yè)較為集中，但是競爭激烈，需要不斷提升技術(shù)和服務(wù)水平。

四、太陽能集熱器數(shù)據(jù)分析

太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的一種設(shè)備，以下是太陽能集熱器方面的數(shù)據(jù)：

1、全球太陽能集熱器市場規(guī)模：太陽能集熱器市場規(guī)模相對較小，其中2020年全球市場規(guī)模為1.6億美元。

2、太陽能集熱器應(yīng)用領(lǐng)域：太陽能集熱器主要應(yīng)用于熱水器、工業(yè)用途和暖氣等領(lǐng)域，其中熱水器應(yīng)用最廣泛。

3、太陽能集熱器產(chǎn)量：2018年，中國太陽能集熱器產(chǎn)量已經(jīng)達到了1550萬平方米，占全球總產(chǎn)量的77%。

以上數(shù)據(jù)表明，太陽能集熱器市場規(guī)模較小，主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在熱水器等家庭領(lǐng)域。但是中國的太陽能集熱器產(chǎn)量占據(jù)了全球絕大部分，說明中國在太陽能集熱器領(lǐng)域具有較強的實力。

綜上所述，太陽能熱利用技術(shù)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，但是從市場規(guī)模和技術(shù)創(chuàng)新上來看還有提升的空間。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護和節(jié)能方面的重視，太陽能熱利用技術(shù)的未來發(fā)展前景將更加廣闊。本文將結(jié)合案例對太陽能熱利用技術(shù)在全球和中國國內(nèi)的發(fā)展、應(yīng)用和優(yōu)勢進行分析和總結(jié)。

一、全球太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽能熱利用技術(shù)是指利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為熱能的一種技術(shù)，其中包括太陽能熱水器、太陽能空調(diào)、太陽能發(fā)電和太陽能集熱器等多種應(yīng)用。太陽能熱利用技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，以下以案例為例進行分析：

1、太陽能熱水器

太陽能熱水器是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為熱能來供暖、供熱水的一種設(shè)備。以全球最大的太陽能熱水器市場中國為例，2018年中國太陽能熱水器產(chǎn)量已經(jīng)達到了4800萬平方米，占全球總產(chǎn)量的88%。太陽能熱水器在中國的應(yīng)用非常廣泛，幾乎每個家庭都有安裝太陽能熱水器的需求。不僅如此，太陽能熱水器也廣泛應(yīng)用于企事業(yè)單位的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，如酒店、醫(yī)院、學(xué)校等。此外，太陽能熱水器還被應(yīng)用于城市燃氣工程中，充分利用太陽能資源，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，降低了對環(huán)境的影響。

2、太陽能空調(diào)

太陽能空調(diào)是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為熱能和電能來制冷的一種設(shè)備。太陽能空調(diào)在全球的應(yīng)用相對較少，但是也有一些重大的項目和案例。例如，2017年中國國家能源局發(fā)布了《太陽能-空調(diào)及超低溫?zé)岜玫阮I(lǐng)域標準》等標準，為太陽能空調(diào)的推廣和應(yīng)用提供了相關(guān)的技術(shù)標準。此外，也有一些國際上的太陽能空調(diào)項目，如迪拜的一個太陽能空調(diào)項目，該項目使用了約28,000太陽能電池板，將能源消耗降低了至少50%。太陽能空調(diào)的應(yīng)用前景非常廣闊，其能源消耗的低碳、清潔等特性為其在未來的應(yīng)用前景提供了很大的機會。

3、太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電是利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，主要包括光伏發(fā)電和集熱發(fā)電。全球太陽能發(fā)電市場依然保持較高的增速，中國、美國和歐洲聯(lián)盟市場份額最大。以中國為例，截至2021年末，中國的光伏發(fā)電裝機容量已經(jīng)達到262.42GW。此外，光伏組件價格下降和太陽能發(fā)電成本的不斷降低，也為太陽能發(fā)電在全球的應(yīng)用提供了條件。

4、太陽能集熱器

太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的一種設(shè)備，主要應(yīng)用于熱水器、工業(yè)用途和暖氣等領(lǐng)域。以中國為例，中國的太陽能集熱器產(chǎn)量已經(jīng)達到了1550萬平方米，占全球總產(chǎn)量的77%。太陽能集熱器在中國的應(yīng)用也很廣泛，除了在房屋中供應(yīng)熱水或供暖外，還用于各類工業(yè)用途，如鍋爐等設(shè)備的升溫階段。

二、中國太陽能熱利用技術(shù)優(yōu)勢分析

作為全球太陽能熱利用技術(shù)的重要推動者，中國在太陽能熱利用技術(shù)方面也有著很大的優(yōu)勢。

1、政策推進

中國政府對太陽能產(chǎn)業(yè)的支持力度非常大，提出了“十三五”規(guī)劃中太陽能容量要達到1056萬千瓦的目標，并且大力推動國內(nèi)太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和市場化應(yīng)用。此外，中國對太陽能產(chǎn)業(yè)的政策和支持措施也越來越完善和具備前瞻性，例如鼓勵技術(shù)創(chuàng)新、加大市場化推廣力度等。

2、技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新

中國在太陽能熱利用技術(shù)方面的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力也很強，尤其是在太陽能熱水器領(lǐng)域。如中國科技部成立了國家重點研發(fā)專項《高效集熱器材料與技術(shù)》項目，推進了太陽能集熱器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。此外，中國在太陽能空調(diào)和太陽能發(fā)電等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力也在不斷提升，能夠有效應(yīng)