農(nóng)村能源工程

第三節(jié)太陽能集熱器分類：平板型集熱器與聚焦型集熱器兩類。特點：平板型集熱器的采集與吸收太陽輻射能的面積相同，能收集太陽的直射與散射能量，且無需太陽的跟蹤裝置，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，維護管理簡便。原理：聚焦型集熱器是利用光學系統(tǒng)(反射器或折射器)，使入射輻射聚集到吸收表面上，以提高能流密度一、平板型太陽能集熱器（一)構(gòu)造平板型太陽能集熱器的基本構(gòu)造如圖l—13所示。它由透明蓋板、吸熱體、保溫層和外殼等組成。工作過程：當陽光透過透明蓋板進入器內(nèi)被吸熱體吸收，而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑼ㄟ^與吸熱板相連的管道中的水(熱水器)或吸熱板上或下部的空氣(空氣集熱器)進行熱交換，使被加熱的水或空氣達到要求的溫度（40~70度）1．透明蓋板它的作用是盡可能多地透過陽光；阻止低溫紅外輻射，減少熱損失；及防止雨雪、灰塵進入器內(nèi)。因此，對它的要求是：有較高的透過率，應在0．75以上；能阻擋低溫紅外輻射；抗環(huán)境的性能穩(wěn)定性好；機械強度高，不易損壞?？勺魃w板的材料有玻璃、塑料板及塑及塑料薄膜。一般采用5mm厚的玻璃。

2．吸熱體

它用以吸收透過蓋板的太陽輻射能，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱傳熱介質(zhì)(水或空氣)，提高其溫度。要求是：有較高的吸收率，良好的導熱性，低的發(fā)射率，并耐腐蝕，便于加工及價格便宜。常用的材料：銅、鋁合金及薄鋼板，也有用塑料的。一般都在金屬表面上加刷涂層。涂層有選擇性與非選擇性兩種。所謂選擇性涂料一般都在金屬表面上加刷涂層涂層有選擇性與非選擇性兩種。

所謂選擇性涂料對太陽輻射波長來講，它具有很高的吸收率。而對本身溫度下的低溫長波輻射的發(fā)射率。

吸熱體的結(jié)構(gòu)型式很多如圖所示。管板的結(jié)合可采用焊接、鉚接、滾壓、擠壓與用鐵絲捆綁；特點：管板也可作成一體，用型材擠壓或吹脹成型。管板結(jié)合型加工工藝簡單，但管板接觸不易密合，使熱阻大，影響傳熱，集熱效率低。管板一體型，熱阻小，傳熱性能好，集熱效率高。

3．保溫層在吸熱體的背部與側(cè)面都裝有保溫層，用以減少集熱器底部及四周的散熱損失。一般要求保溫材料導熱系數(shù)小，要在0．1W／m·K以下；能耐100℃以上溫度的烘烤，不變形，不變質(zhì)；不吸水，耐腐蝕，安裝方便，價廉。常用的保溫材料有礦渣棉、巖棉、玻璃纖維、膨脹珍珠巖、泡沫塑料等。簡易的集熱器還可用稻草、鋸末、棉絮等，但易腐爛，應防潮。

4．外殼用以保護吸熱體和保溫材料，支持透明蓋板，形成集熱器整體，并保證集熱器有一定的剛度，以便安裝在支架上。要求外殼的材料有一定的強度與剛度，耐腐蝕，重量輕，加工性好，價廉。常用的外殼材料有木材、鋼板、鋁合金及塑料。為延長其使用壽命，本材及鋼板表面應涂刷防腐漆。鋁合金重量輕，耐腐蝕，且有一定強度，美觀，但價比木材及鋼板貴，是較好的外殼材料。(二)性性能及其其分析對于集熱熱器的設設計和使使用，都都需要了了解集熱熱器在一一定氣象象條件下下，某一一給定時時刻的工工作狀態(tài)態(tài)的性能能，即所所謂瞬時時集熱器器性能，，借以判判斷和分分析集熱熱器的工工作狀態(tài)態(tài)。表示示集熱器器瞬時集集熱性能能的參數(shù)數(shù)是集熱熱器的瞬瞬時集熱熱效率qo可定義為為：在穩(wěn)穩(wěn)定條件件下，工工質(zhì)獲得得的有用用熱量與與集熱器器獲得的的太陽能能之比，，即：影響集熱熱器瞬時時集熱效效率的因因素有：：1．透明蓋板板的透過過率。取取決于蓋蓋板的透透光性能能、厚度度、層數(shù)數(shù)及集熱熱器使用用中其表表面污染染程度。。隨玻璃璃蓋板的的含鐵量量、厚度度及層數(shù)數(shù)增加，，表面落落塵、油油污量增增大，都都使透過過率下降降。吸熱熱體的吸吸收率?隨其表表面的黑黑度增加加而增加加。應盡盡量使fo的乘積增增大。2．總損損失系數(shù)數(shù)它是由集集熱器頂頂部熱損損失系數(shù)數(shù)U2、底部熱損損失系數(shù)數(shù)U6與側(cè)面熱熱損失系系數(shù)U‘三項之和和組成，，底部熱熱損失是是導熱熱熱損失，，主要取取決于底底部保溫溫材料及及外殼的的導熱系系數(shù)與厚厚度。側(cè)側(cè)面熱損損失是通通過側(cè)表表面與外外界空氣氣的對流流散熱，，其損失失大小與與其內(nèi)的的保溫材材料和外外殼的導導熱系數(shù)數(shù)、厚度度，以及及外界空空氣溫度度、風速速有關，，但此項項損失一一般很小小，頂部部熱損失失是由吸吸熱體與與蓋板或或各平行行蓋板之之間(若若有兩層層或多層層蓋板)的對流流與輻射射引起的的，其損損失大小小除與吸吸熱體和和蓋板的的輻射性性能有關關外，還還取決于于外界空空氣溫度度3．I這是集熱熱器收益益高低的的決定性性項。但但它取決決于自然然條件。。4．tp項是表示示集熱器器的工作作溫度。。此溫度度高，散散熱損失失大，使使集熱效效率下降降。因此此，在滿滿足用熱熱要求條條件下，，不要過過份地提提高其工工作溫度度。環(huán)境境溫度的的升高，，將使效效率提高高。幾種不同同集熱器器的效率率曲線2．吸熱熱體平板型集集熱器作作為熱水水器用于于加熱水水，其構(gòu)構(gòu)造特點點是：吸吸熱體是是吸熱板板與水流流通道的的組合，，并有多多種結(jié)構(gòu)構(gòu)型式。。管板組組合型的的結(jié)構(gòu)如如圖1——16所所示。由由上集管管、下集集管、排排管和吸吸熱板組組成。為為保證有有高的集集熱效率率，應使使管板連連接接觸觸嚴密，，減小接接觸熱阻阻。如果果把圓管管壓成扁扁管，排排管間用用薄鋼板板焊接，，或?qū)⒐芄芘c板沖沖壓為一一體成為為管板元元件件平板型集集熱器用用于加熱熱空氣就就稱為空空氣集熱熱器，其其結(jié)構(gòu)與與熱水器器基本相相同，只只是吸熱熱體只有有吸熱板板，空氣氣在吸熱熱板上或或下面流流動。常常見的幾幾種空氣氣集熱器器的型式式如圖1—2l所示。由由于空氣氣的容積積比熱(1．26kJ／m2·K)比水的比比熱(4187KJ／m2·K)小得多；；空氣與與吸熱板板的換熱熱系數(shù)也也比水的的小得多多，故集集熱器的的體積和和傳熱面面積都必必須較大大，以便便能通過過容積流流量大的的空氣。。此外，，在制作作集熱器器時，更更應注意意外殼的的密封，，防止使使用時空空氣滲漏.在結(jié)構(gòu)上上，為增增大吸熱熱體的散散熱面積積，吸熱熱體作成成各種形形狀：波波紋形；；帶散熱熱片；帶帶網(wǎng)紗層層，以及及多層玻玻璃薄板板等等，，以利用用吸熱體體與空氣氣多次反反復接觸觸，吸取取更多的的熱量，，提高集集熱效率率。但這這些結(jié)構(gòu)構(gòu)也增大大了空氣氣的流動動阻力。。考慮到到成本及及減少流流動阻力力，波紋紋板型及及帶散熱熱片型是是可取的的。3．整體體結(jié)構(gòu)與與安裝單單個個集熱器器的采光光面積大大小應以以制造與與安裝方方便為宜宜；蓋板板玻璃的的固定和和密封，，應注意意由于熱熱應力造造成破裂裂，以及及抗風、、雹和雨雨雪的能能力；集集熱器在在無負荷荷輸出情情況下所所造成集集熱器悶悶曬溫度度很高時時，應考考慮系統(tǒng)統(tǒng)的安全全與可靠靠性；為為便于維維修與降降低運行行成本，，各部零零件應標標準化和和規(guī)格化化。二、其他他類型的的太陽能能集熱器器(一)悶悶曬型熱熱水器是是一一類簡易易的家用用熱水器器。它們們的特點點是集熱熱器和水水箱組成成一體，，水不流流動，定定量的水水被曬熱熱后供使使用。因因而結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，，價格低低廉。1．塑料料袋式熱熱水器如圖1——22所所示。一一般由黑黑色塑料料制成。。為了提提高熱水水器的集集熱效率率，也可可在上面面采用透透明塑料料，·下下部采用用黑色塑塑料。為為減少底底部的散散熱損失失，最好好底部放放在保溫溫板上。。這種熱熱水器重重量小，，便于攜攜帶，很很適合于于旅游或或外出使使用。常常作家庭庭洗浴用用。它價價格低廉廉，但保保溫性能能差。2．淺池池式熱水水器它象一個個淺水池池子，既既貯水，，又集熱熱，如圖圖l一23所所示。池池水深一一般為10cm左右，上上面蓋一一層有一一定傾角角的玻璃璃板，池池底和四四周涂防防水層及及黑色涂涂料。池池底和四四周的保保溫層和和外殼可可做成一一體。它它的特點點是結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，，便于制制造和安安置，成成本低。。但在高高緯度地地區(qū)不能能充分利利用太陽陽能，玻玻璃內(nèi)表表面往往往有水蒸蒸汽，降降低了玻玻璃的透透過率，，3．筒式式熱水器器如圖1——24所所示，它它是在淺淺池式熱熱水器基基礎上的的改進。。水池由由敞開式式改為密密封式，，不長青青苔，不不產(chǎn)生水水汽污染染玻璃，，但吸熱熱面相對對有縮小小，為此此，可根根據(jù)需要要做成雙雙筒式多多簡熱水水器。還還可根據(jù)據(jù)與房屋屋結(jié)合的的形式，，做成方方扁簡，，三角形形簡，橢橢圓筒及及(二)玻玻璃真空空管集熱熱器玻玻璃真真空管集集熱器是是把外表表面涂有有選擇性性吸收涂涂層的玻玻璃管封封人同心心的玻璃璃管內(nèi)，，然后將將兩管的的間隔腔腔抽成真真空并密密封好，，流體在在內(nèi)玻璃璃管里面面流動并并收集太太陽能，，其結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖1—25所示。。三、太陽陽輻射聚聚焦與聚聚焦型太太陽灶由于太陽陽輻射的的能流密密度低，，平板型型集熱器器達不到到所需的的溫度，，在高溫溫熱能的的太陽能能利用系系統(tǒng)中，，如需要要高達攝攝氏幾百百度高溫溫熱能的的烹餒、、太陽能能發(fā)電等等，就必必須采用用聚光器器，以反反射或折折射的方方式，將將投射來來的陽光光聚集到到接收器器上，從從而可大大大提高高能流密密度，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成高高溫的熱熱能。這這種聚光光接收裝裝置就是是聚焦型型集熱器器。目前前國內(nèi)較較廣泛推推廣使用用的是聚聚焦型太太陽灶，，可獲得得500℃以上上的高溫溫，適用用于炊事事中的蒸蒸、煮、、炒等作作業(yè)，這這對緩解解一些具具有太陽陽能資源源而燃料料緊缺的的農(nóng)村的的炊事用用能具有有重要意意義。(一)太陽陽能聚聚焦的的理論論基礎礎聚聚焦焦型集集熱器器，如如聚焦焦型太太陽灶灶一般般由聚聚光器器(常常為一一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)拋物物面反反射鏡鏡，也也有為為折射射透鏡鏡的)、接接收器器(如如鍋)、聚聚光器器跟蹤蹤太陽陽的調(diào)調(diào)節(jié)機機構(gòu)及及支架架等主主要部部分組組成，，如圖圖l一26所示示。下下面來來介紹紹有關關太陽陽能聚聚焦的的理論論知識識：1．旋旋轉(zhuǎn)拋拋物面面與太太陽的的影象象旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)拋物物面是是由拋拋物線線繞主主光軸軸(見見圖l一27)旋旋轉(zhuǎn)而而得。。作為為太陽陽能聚聚焦器器，其其主要要的結(jié)結(jié)構(gòu)參參數(shù)有有：拋拋物面面的口口徑或或光孔孔直徑徑朋，，光扎扎面積積AC(拋物面面的投投影面面積)，焦焦點F，焦距f＝OF。。拋物面面的光光孔面面積也也就是是太陽陽光的的入射射面積積，可可表征征收集集太陽陽能的的多少少。直直接影影響集集熱器器的功功率大大小。。。由于太太陽不不是一一個點點光源源，它它向地地球上上某一一點投投射的的光線線，精精確地地說，，就不不是平平行而而有一一定夾夾角(見圖圖l一28)，，其最最大角角為Y，稱為太太陽視視角。。其大大小由由日地地距離離和太太陽直直徑所所決定定，約約為320，因此此，太太陽光光投射射到拋拋物面面上任任一點點A的反射射光就就不會會聚焦焦在焦焦點F一點上上，而而形成成一定定寬度度CD(見圖1—27)．這這便是是太陽陽的影影象。。整個個拋物物面的的太陽陽影象象就是是在焦焦點處處的一一小塊塊面積積，常常稱焦焦斑或或焦面面，是是接收收器(如鍋鍋底)的被被加熱熱面積積。實實際上上，根根據(jù)烹烹調(diào)要要求，，焦面面應有有一定定大小小，故故接收收器底底面并并不放放在焦焦點上上，而而是放放在焦焦點下下面附附近光光柱所所形成成的截截錐面面上。。由圖圖l一27上的的三角角關系系推得得：2．聚聚光比比聚光器器把太太陽能能量的的低密密度變變?yōu)楦吒呙芏榷?，這這種增增大能能量密密度的的倍率率，稱稱為聚聚光比比。若若反射射鏡接接受的的太陽陽能為為Qc，，且光孔孔面積積為Ac；；接受器器受熱熱表面面積為為Af，，接受的的能量量為Qr，，按能量量不滅滅原理理，如如忽略略散熱熱損失失，二二者的的能量量相等等，即即Qf＝＝Qf，，，并改寫寫為：：(二)聚焦焦型太太陽灶灶它它是是緩解解我國國廣大大農(nóng)村村生活活用能能不足足的重重要工工具，，在太太陽能能資源源較豐豐富的的農(nóng)村村地區(qū)區(qū)皆可可推廣廣使用用。但但它一一般在在室外外操作作，受受自然然氣候候條件件，風風、雨雨、雪雪及陰陰天影影響很很大，，造成成使用用有一一定局局限性性。為滿足足炊事事需要要對聚聚焦型型太陽陽灶提提出如如下要要求：：①聚光光性能能好，功率率與集集熱溫溫度應應能進進行蒸蒸、煮煮、炒炒等各各種炊炊事作作業(yè)，，一般般功率率應不不小于于1000w，溫度在在500℃℃以上上，且且集熱熱效率率高，，應不不低于于50％；；⑦操作作簡便便，機機構(gòu)簡簡單，，靈活活，重重量輕輕，便于于調(diào)整整與搬搬運，，操作作高度度應不不高于于1．．25m，操作的的橫向向距離離不大大于0．7m；③機架穩(wěn)穩(wěn)定，，抗風風性能能好，不擺擺動；；④壽命命長。。榮光光材料料抗環(huán)環(huán)境性性能好好，不不易老老化變變質(zhì)，，造價價低。。1．聚聚焦型型太陽陽灶的的類型型按聚焦焦的工工作原原理可可分為為兩類類：一是反反射聚聚焦太太陽灶灶；另另一是是折射射聚焦焦太陽陽灶。目前前使用用的太太陽灶灶基本本是反反射聚聚焦型型。下下面主主要講講這種種類型型。圖圖l一30是非非涅耳耳透鏡鏡折射射聚焦焦型太太陽灶灶。陽陽光透透過若若干個個平行行的菲菲涅耳耳透鏡鏡并折折射聚聚光射射到箱箱式太太陽灶灶受熱熱面上上，得得到高高溫熱熱能即即可進進行炊炊事作作業(yè)。。反射射聚焦焦型太太陽灶灶按反反射面面的曲曲面分分：正正焦拋拋物面面型，，偏焦焦拋物物面型型。而而截取取的拋拋物面面形狀狀可以以是矩矩形、、橢圓圓形、、扁圓圓形或或異形形。正正拋物物面型型的特特點是是：拋拋物面面的焦焦點恰恰在所所選拋拋物面面的正正中心心。正正焦型型灶結(jié)結(jié)構(gòu)簡簡單，，容易易加工工制造造，但但只有有在太太陽高高度角角較大大的季季節(jié)及及中午午使用用時，，才具具有較較高的的效率率；其其鍋具具功率率小，，如增增大光光孔面面積以以增大大功率率就使使操作作不便便。當當太陽陽高度度角較較低時時2．聚聚焦型型太陽陽灶的的結(jié)構(gòu)構(gòu)(1)底座座它是承承受整整個灶灶殼、、鍋和和支架架重量量的機機座，，要求求穩(wěn)定定性好好。圖圖l一33所示示的是是一種種由水水泥澆澆成整整體的的底座座。圖圖1——34所示示的是是由角角鑰等等材料料制成成的三三角底底座。。它重重量輕輕，便便于搬搬運。。圖l一35是一一種帶帶輪的的支架架底座座，便便于移移動。。(2)灶殼殼是是聚聚光太太陽灶灶的重重要部