太陽能集熱器的選型

1、太陽能集熱器的選型Abstract: An Introduction of the advantages and disadvantages of the flat plate solar concentrator, the glass vacuum tube solar concentrator and the heat pipe solar concentrator, comprehensively evaluating the different kinds of the solar concentrator.Key words: solar concentrator, type sel

2、ection and comparison, comprehensive evaluation摘要：對目前常用的平板型、玻璃真空管型及熱管型等太陽能集熱器的優(yōu)缺點進(jìn)行了介紹，并對各種太陽 能集熱器進(jìn)行了綜合比較。關(guān)鍵詞：太陽能集熱器，選型比較，綜合評價1各種太陽能集熱器的特點和應(yīng)用范圍太陽能集熱器的類型主要有：平板型太陽能集熱器、真空管型太陽能集熱器兩大類。每一大類太陽能 集熱器又分多種品種，每一種的太陽能集熱器各有其特點和應(yīng)用范圍。1.1平板型太陽能集熱器類平板型太陽能集熱器俗稱平板集熱器，其基本結(jié)構(gòu)由透明蓋板、吸熱板、保溫層和外殼組成。其工作原理為：當(dāng)太陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收涂

3、層的吸熱板上時，吸熱板吸收太陽的輻 射能，將其轉(zhuǎn)換成熱能，并將熱能傳給吸熱板流道內(nèi)的工質(zhì)，使流道內(nèi)的工質(zhì)溫度升高；從集熱器進(jìn)口進(jìn) 入吸熱板的較低溫度的工質(zhì)，在吸熱體流道內(nèi)被加熱升溫后，從集熱器出口流走，并將有用的熱能帶走； 與此同時，吸熱板溫度升高，透過透明板和外殼向周圍環(huán)境散失熱能，為減少散熱，在平板太陽集熱器底 部和邊框四周填充保溫材料。平板集熱器的主要熱損失是吸熱板和透明蓋板之間的空間存在空氣對流換熱損失。減少這部分熱損失 的最有效措施是將其間的空氣抽去，形成真空。但由于平板集熱器的結(jié)構(gòu)和形狀等原因，這一措施一時還 難于實現(xiàn)，因此，平板集熱器只能運行在60C以下的工作溫度，若運行溫度較高

4、時，集熱效率明顯降低。在冬季，環(huán)境溫度較低，平板集熱器的熱損失很大，還面臨被凍壞的危險。所以，在寒冷地區(qū)，平板集熱 器不能全年運行，從而使平板集熱器的應(yīng)用范圍受到了許多限制。1.2真空管型太陽能集熱器類由若干支真空管按一定規(guī)則排成陣列，與聯(lián)集管、尾架和反射器等組裝成的太陽集熱器模塊稱為真空管太陽集熱器。由于真空管采用真空保溫，因此，散熱損失比平板集熱器顯著減小，在60 C以下的工作溫度下，仍具有較高的熱效率，在寒冷的冬季，仍能集熱，并有較高的熱效率。近十幾年來，真空管集熱器得到了廣泛的應(yīng)用，并分化出許多類型的產(chǎn)品，不同類型的真空管集熱器，其性能差別很大，應(yīng)用范圍也不同?，F(xiàn)分述如下1.2.1全玻

5、璃真空管太陽能集熱器1) 普通型全玻璃真空管集熱器全玻璃真空管由玻璃管、太陽能吸收膜、真空夾層、外玻璃管、支撐卡子、吸氣劑組成。當(dāng)太陽光透過外管，照射到內(nèi)管外壁時，鍍有選擇性涂層的內(nèi)管外壁將太陽能轉(zhuǎn)變成熱能，并傳給內(nèi) 管中的工質(zhì)。由于內(nèi)、外管之間被抽成了真空，再加上選擇性涂層對太陽光的高吸收率、低紅外發(fā)射率， 從而最大限度的減小了散熱損失。普通平板集熱器的熱損系數(shù)為 6W/(m2，C)8W/(m2 P),采用選擇性涂層的平板集熱器，其熱損系數(shù)只能降到4w/(m2 C) 5W/(m2 -C)，而全玻璃真空管的熱損系數(shù)都在0.9W/(m2 P)以下，遠(yuǎn)小于平板集熱器。因此全玻璃真空管的空曬溫度可以

6、達(dá)到200 C以上，能輕松的將冷水燒開。全玻璃真空管在中、高溫區(qū)域具有較高的集熱效率，同時在一18C的溫度下，仍能正常產(chǎn)生熱水。普通型全玻璃真空管的優(yōu)缺點主要如下：優(yōu)點：太陽能集熱效率高、成本低，因此在家庭太陽能熱水器上被廣泛采用。缺點：真空管破碎后管內(nèi)介質(zhì)泄漏；真空管與聯(lián)集管采用橡膠密封，不能承壓運行。2) 改進(jìn)型全玻璃真空管集熱器。為解決全玻璃真空管集熱器易破碎和不能承壓的缺點，太陽能生產(chǎn)廠家對其做了改進(jìn)，推出了改進(jìn)型 的全玻璃真空管集熱器。比較成熟的主要有U形管全玻璃真空管集熱器和熱管全玻璃真空管集熱器。U形管全玻璃真空管集熱器工作原理是：在太陽光照射下，全玻璃真空管內(nèi)管吸收太陽輻射能，

7、內(nèi)管 內(nèi)壁及內(nèi)管內(nèi)的空氣被加熱達(dá)到較高的溫度，鋁翼片將熱能傳遞給U形銅管外壁，再傳給 U形銅管內(nèi)的液體介質(zhì)(一般為防凍液)，通過聯(lián)集管內(nèi)液體介質(zhì)的循環(huán)流動，將熱能帶走。U形管集熱器的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：1 .真空管內(nèi)不走水，不存在炸管泄漏問題；2.可以承壓運行；3.可以任意擺放。缺點：1 .熱效率顯著下降；2.成本顯著增加；3.系統(tǒng)阻力大，循環(huán)介質(zhì)容易過熱汽化。小熱管集熱器是一種在全玻璃真空管內(nèi)插入一根金屬熱管，熱管受熱端與真空管內(nèi)壁通過翅片緊密結(jié) 合，熱管冷凝端插入聯(lián)集管內(nèi)，聯(lián)集管外用保溫材料保溫，聯(lián)集管左右留有介質(zhì)進(jìn)出管口。其工作原理是：在太陽光照射下，全玻璃真空管內(nèi)管吸收太陽輻射能，內(nèi)管內(nèi)

8、壁內(nèi)的翅片被加熱，翅 片將熱能傳遞給熱管吸熱端，再通過熱管傳到熱管的冷凝端，熱管冷凝端再將熱能傳給聯(lián)集管中的介質(zhì)。小熱管集熱器同樣解決了玻璃管破碎，介質(zhì)泄漏等問題。小熱管集熱器的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：1 .真空管內(nèi)不走水，不存在炸管泄漏問題；2.可以承壓運行。缺點：1 .熱效率顯著下降，冬季效果更差；2.成本顯著增加。1.2.2玻璃一金屬封接真空管太陽能集熱器#1）玻璃一金屬封接式真空管玻璃一金屬封接式真空管的結(jié)構(gòu)與全玻璃真空管相似，所不同的是全玻璃真空管的吸熱體是玻璃管，而玻璃一金屬封接式真空管的吸熱體是金屬吸熱片；全玻璃真空管的吸熱體（內(nèi)管）與外管是靠玻璃與玻璃熔封在一起，而玻璃一金屬封接式真

9、空管的吸熱體與外玻璃管是靠玻璃與金屬封接在一起的。由此可見，全 玻璃真空管采用玻璃與玻璃熔封，其加工技術(shù)和工藝相對比較簡單，成本低，但玻璃吸熱體易破碎，可靠 性差。玻璃一金屬真空管采用玻璃與金屬封接，由于金屬與玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，在封接技術(shù)方面較為 困難，因而工藝復(fù)雜，成本高，但金屬傳熱體具有穩(wěn)定、可靠、承壓、耐冷熱沖擊等優(yōu)點。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的玻璃一金屬封接式真空管主要有熱管式和直流式兩種。2）玻璃一金屬封接式熱管真空管集熱器此種集熱器也被稱為大熱管集熱器，其工作原理是：太陽光透過玻璃管照射到金屬吸熱板上，涂有選 擇性涂層的吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，吸熱板上的熱管吸熱端吸收熱能后，熱管介

10、質(zhì)汽化并上升到 熱管冷凝端，熱管冷凝端將熱能傳給鋁傳熱塊，鋁傳熱塊再傳給銅管聯(lián)集管內(nèi)的介質(zhì)（一般為水）。大熱管集熱器的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：80 C左右的工作溫度段仍具有較高的熱效率；系統(tǒng)可以直接用水作為傳熱工質(zhì)，且大熱管與聯(lián)集管拆卸方便，因此安裝和管理維護(hù)簡單方便；系統(tǒng)傳熱工質(zhì)僅在集熱器聯(lián)集管內(nèi)流動，系統(tǒng)阻力小，不 易過熱，運行可靠；系統(tǒng)可承壓運行，且不存在炸管泄漏問題。缺點：大熱管制造工藝復(fù)雜，技術(shù)含量高，成本較高。1.2.3 CPC熱管式真空集熱器CPC熱管式真空管集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置。它由非跟蹤聚焦型的復(fù)合拋物面聚光器CPC和熱管式真空管（接收器）組成。CPC是一種非成像低聚焦

11、的聚光器。它根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計，可將給定接收角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比收集到接收器上。熱管式真空管將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再由介質(zhì)帶 走。CPC熱管式真空管集熱器同時運用了真空技術(shù)和熱管技術(shù)，具有熱損失少、熱容量小、熱二極管特性、 寬工作范圍等優(yōu)點，是一種性能良好的中溫集熱器。2對太陽能集熱器的要求和綜合比較2.1太陽能系統(tǒng)對太陽能集熱器的要求主要應(yīng)包括如下幾點：1）集熱器在70C80C的工作期間具有較高的熱效率，以達(dá)到充分利用太陽能源的效果；2）集熱器能夠承壓運行，以確保系統(tǒng)工作可靠；3）集熱器能夠水平放置，以方便樓面太陽能布局和整體美觀協(xié)調(diào)等；4）太陽能系統(tǒng)后期使用管理的方便性；5）系統(tǒng)運行的可靠性；6）太陽能系統(tǒng)的存在不會給機(jī)場、人流多的公共場所帶來任何可能的安全隱患。根據(jù)各種太陽能集熱器的熱效率、承壓性能、布置方式、可靠性、后期管理及成本等方面綜合評價,結(jié)果見下表。類型平板太陽能集熱器全玻璃真空管太陽能集熱器U形管全玻璃真空管集熱器小熱管集熱器大熱管集熱器CPC熱管式真空管集熱器效率15%60%30%37%60%60%承壓性能承壓不承壓承壓承壓承壓承壓可靠性易結(jié)冰易破碎泄漏易過熱可靠可靠可靠管理方便性需配備專用設(shè)備補充泄漏的防凍液需更換需配備專用設(shè)備補充泄漏的防凍 液方便方便易于安裝、維修防凍液需花較大成本