[发明专利]一种平板型太阳能集热器阵列串并联排布设计方法

权利要求书

1.一种平板型太阳能集热器阵列串并联排布设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于传热学和控制容积平衡法，建立单个平板太阳能集热器的传热数学模型，利用Matlab软件对传热模型进行求解，输入集热介质进口温度、流量，可算出集热介质出口温度和集热效率；

所述单个平板太阳能集热器包括玻璃盖板、空气层、集热板、工质、保温层、外壳；将集热器模型的传热过程划分为以下几个部分：

a.玻璃盖板和集热板两者吸收太阳辐射；

b.玻璃盖板、外壳与环境之间进行辐射换热；

c.玻璃盖板与集热板之间的空气进行自然对流换热，玻璃盖板和外壳与外界环境之间、工质流道与工质之间进行对流换热；

d.玻璃盖板、集热板、工质和外壳沿x方向的导热，集热板与外壳之间进行导热；

e.工质流道内工质对流带走热量；

根据能量平衡原理建立如下稳态热平衡节点方程组，

1)玻璃盖板的热平衡方程

S_c(i)+q_cond,c(i)+q_conv,c-p(i)+q_rad,c-p(i)-q_conv,c-a(i)-q_rad,c-a(i)＝0 (1)

S_c(i)＝α_cI_cWΔx (2)

q_conv,c-a(i)＝h_conv,c-a[T_c(i)-T_a]WΔx (3)

q_conv,c-p(i)＝h_conv,c-p[T_p(i)-T_c(i)]WΔx (4)

q_rad,c-p＝h_rad,c-p[T_p(i)-T_c(i)]WΔx (6)

式中：S_c(i)——玻璃盖板i节点吸收的太阳辐射；q_conv,c-a(i)——玻璃盖板i节点与外界环境间的对流换热量；q_conv,c-p(i)——玻璃盖板i节点与集热板i节点间空气夹层的自然对流换热量；q_rad,c-a(i)——玻璃盖板i节点与外界环境的辐射换热量；q_rad,c-p(i)——玻璃盖板i节点与集热板的辐射换热量；q_cond,c(i)——玻璃盖板i节点与i-1节点和i+1节点的导热量；α_c——玻璃盖板的太阳辐射吸收率；I_c——太阳辐射照度，W/m²；W——集热板单个流道对应的宽度，m；h_conv,c-a——玻璃盖板与外界环境间的对流换热系数，W/(m²·K)；h_conv,c-p——空气夹层的自然对流换热系数，W/(m²·K)；ε_c——玻璃盖板表面发射率；σ_sb——玻尔兹曼常数；T_sky——天空温度，K；h_rad,c-p——玻璃盖板与集热板之间的辐射换热系数，W/(m²·K)；δ_c——玻璃盖板厚度，m；λ_c——玻璃盖板导热系数，W/(m·K)；

2)集热板的热平衡方程

S_p(i)+q_cond,p(i)-q_conv,c-p(i)-q_rad,c-p(i)-q_cond,p-s(i)-q_conv,p-l(i)＝0 (8)

S_p(i)＝τ_cα_pI_cWΔx (9)

q_conv,p-l(i)＝2πRΔxh_p-l[T_p(i)-T_l(i)] (11)

式中：S_p(i)——集热板i节点吸收的太阳辐射；q_cond,p(i)——集热板i节点与i-1节点和i+1节点的导热量；q_conv,c-p(i)——玻璃盖板i节点与集热板i节点间空气夹层的自然对流换热量；q_rad,c-p(i)——玻璃盖板i节点与集热板i节点的辐射换热量；q_cond,p-s(i)——集热板i节点与外壳i节点的导热量；q_conv,p-l(i)——集热板i节点与流体工质i节点的对流换热量；τ_c——玻璃盖板的太阳辐射透过率；α_p——玻璃盖板的太阳辐射吸收率；δ_p——集热板厚度，m；λ_p——集热板导热系数，W/(m·K)；h_p-l——管壁与工质之间的对流换热系数，W/(m²·K)；R——管道内径，m；δ_b——保温层厚度，m；λ_b——保温层导热系数，W/(m·K)；

3)流体工质的热平衡方程

q_conv,l(i)＝q_cond,l(i)+q_conv,p-l(i) (13)

式中：q_conv,l(i)——流体工质i节点热对流带走的热量；q_cond,l(i)——流体工质i节点与i-1节点和i+1节点的导热量；q_conv,p-l(i)——集热板i节点与流体工质i节点的对流换热量；ρ_l——流体工质的密度，kg/m3；c_p,l——流体工质的定压比热，J/(kg·K)；

4)集热器外壳的热平衡方程

q_cond,s(i)+q_cond,p-s(i)-q_conv,s-a(i)-q_rad,s-a(i)＝0 (16)

q_conv,s-a(i)＝h_conv,s-a[T_s(i)-T_a]WΔx (18)

h_conv,s-a＝5.7+3.8V_wind (19)

式中：q_cond，s(i)——外壳i节点与i-1节点和i+1节点的导热量；q_cond，p-s(i)——外壳i节点与集热板i节点之间的导热量；q_conv，s-a(i)——外壳i节点与外界环境间的对流换热量；q_rad，s-a(i)——外壳i节点与外界环境的辐射换热量；δ_s——外壳厚度，m；λ_s——外壳导热系数，W/(m·K)；h_conv，s-a——外壳与外界环境间的对流换热系数；ε_s——外壳表面发射率；

5)集热器集热量与集热效率

Q_u＝mc_p,l(T_out-T_in) (21)

式中：Q_u——集热器集热量，W；m——集热介质质量流量，kg/s；T_in——集热器进口温度，K；T_out——集热器出口温度，K；η——集热器效率。

(2)调用单个平板太阳能集热器传热数学模型，输入环境参数、集热介质进口参数以及集热器串联个数计算得到不同串联数目的平板型太阳能集热器在逐时气象参数下的集热量；

(3)在满足热用户的热需求的条件下，确定不同串联数目的集热器组所需的并联数目；

(4)以集热器阵列的费用年值为目标函数对集热器阵列布置进行优化设计，以费用年值最低的平板型太阳能集热器阵列排列布置方案作为优化方案。