太陽能利用科學-課件第六章

第6章太陽能集熱利用技術(shù)2太陽能平板型集熱器1太陽能房（溫室大棚）2太陽能真空管集熱器3聚光型太陽能集熱器的類型5拋物面聚光集熱器7太陽能熱水器系統(tǒng)9其他幾種金屬吸熱體真空集熱管4聚光比與集熱溫度6復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）81太陽能平板型集熱器31.1概述太陽能集熱器指的是：吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱介質(zhì)的裝置，是組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。各種太陽能集熱器實際上是相互交叉的：a.傳熱介質(zhì)的類型液體集熱器空氣集熱器b.采光口的太陽輻射是否改變方向聚光集熱器非聚光集熱器c.是否跟蹤太陽跟蹤集熱器非跟蹤集熱器d.是否有真空空間平板集熱器真空管集熱器e.工作溫度范圍低溫集熱器中溫集熱器高溫集熱器平板集熱器空氣集熱器非聚光集熱器非跟蹤集熱器低溫集熱器多種分類方法：真空管集熱器液體集熱器聚光集熱器非跟蹤集熱器中溫集熱器1太陽能平板型集熱器41.2平板換熱器的結(jié)構(gòu)組成平板型集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它是一種特殊的熱交換器。所謂平板型并不一定是平的表面，而是指集熱器采集太陽能的表面積與其吸收太陽能的表面積相等，實際集熱器的吸熱表面并不一定是平板。工作原理：太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收并且轉(zhuǎn)化成熱能，然后將熱能傳遞給吸熱板內(nèi)的傳熱介質(zhì)，使傳熱介質(zhì)的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出；與此同時，溫升后的吸熱板不可避免的對周圍環(huán)境通過傳導、對流換熱、輻射等方式進行散失，成為集熱器的熱量損失。1太陽能平板型集熱器51.2平板換熱器的結(jié)構(gòu)組成1.吸熱板是平板集熱器內(nèi)吸收太陽能輻射能并向傳熱介質(zhì)傳遞熱量的部件，其基本上是平板形狀。為了要是吸熱板最大限度的吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化成熱能，在吸熱板上應(yīng)覆蓋有深色的涂層，這稱為太陽能吸收涂層。作為吸收太陽能輻射的吸熱涂層，應(yīng)盡可能地提高太陽輻射的吸收率，同時減小受熱之后自身長波發(fā)射造成的熱損失。此外，良好的吸熱板涂層應(yīng)對不同角度的太陽輻射都有很高的吸收率，并要具有耐熱性、耐久性以及良好的傳熱性能。吸熱板的結(jié)構(gòu)管板式翼管式扁盒式蛇管式涓流式1太陽能平板型集熱器61.2平板換熱器的結(jié)構(gòu)組成2.透明蓋板的定義是平板集熱器中覆蓋吸熱板、并有透明材料組成的板狀部件。它的功能主要有以下幾個方面：a.透過太陽輻射使其投射在吸熱板上。b.保護吸熱板使其不受灰塵雨雪的侵蝕。c.形成溫室效應(yīng)，阻止吸熱板在溫度升高后通過對流和輻射向周圍環(huán)境散熱。3.隔熱層是集熱器中用來抑制劑熱板通過熱傳導向周圍環(huán)境散熱，減小集熱板底部和四周的熱損失。4.外殼是集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。透明蓋板材料：平板玻璃：紅外透射比低、導熱系數(shù)小、耐候性能好；玻璃鋼板(即玻璃纖維增強塑料板)：太陽透射比高、導熱系數(shù)小、沖擊強度高；隔熱層材料：棉玻璃棉聚氨酯聚苯乙烯外殼材料：鋁合金不銹鋼板碳鋼板塑料玻璃鋼2太陽能房（溫室大棚）7太陽能房又稱溫室、暖房、大棚。能透光、保溫、加溫，用來栽培植物的設(shè)施。在不適宜植物生長的季節(jié)，能提供植物生育期所需溫度并增加產(chǎn)量，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。太陽能房主要是根據(jù)溫室效應(yīng)的原理加以建造的。溫室類型種植溫室養(yǎng)殖溫室展覽溫室實驗溫室餐飲溫室溫室系統(tǒng)增溫系統(tǒng)保溫系統(tǒng)降溫系統(tǒng)通風系統(tǒng)控制系統(tǒng)灌溉系統(tǒng)2太陽能房（溫室大棚）8

太陽能熱風發(fā)電地面集熱器也是一種開放式太陽能房的形式，地面鋪設(shè)石子、沙子或者水包做蓄熱體，可以看作帶蓄熱的開放式空氣集熱器。在太陽能熱風發(fā)電系統(tǒng)中，集熱器把所吸收的太陽能部分轉(zhuǎn)化為集熱器內(nèi)空氣的內(nèi)能增加量。其內(nèi)部受輻射、對流和地面的蓄熱控制。集熱器效率吸熱體特性空氣流量太陽輻射強度幾何尺寸環(huán)境空氣溫度和速度3太陽能真空管集熱器93.1概述太陽能集熱器在吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能后，吸熱板的溫度升高。一方面用以加熱歇班內(nèi)的傳熱工質(zhì)，作為集熱器的有用能量輸出；另一方面有不可避免的要通過傳熱、對流和輻射等方式向周圍環(huán)境散熱，成為集熱器的熱量損失。為了減少平板型太陽能集熱器的傳導、對流和輻射等熱損失，早在20世紀初就有人提出“真空集熱器”的概念。真空集熱器就是將吸熱體與透明蓋板之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。傳導熱損失由底部和側(cè)面的隔熱層通過熱傳導而向環(huán)境散熱的；對流熱損失由吸熱板和透明蓋板之間的空氣通過對流換熱而向環(huán)境散熱的；輻射熱損失由吸熱板與透明蓋板之間以及透明蓋板與天空之間通過輻射換熱而向環(huán)境散熱的。真空管集熱器（按材料種類分類）全玻璃真空管集熱器：吸熱體與內(nèi)玻璃管組成的真空管集熱器。金屬吸熱體真空管集熱器：吸熱體由金屬材料組成的真空管集熱器，也叫做金屬-玻璃真空管集熱器。3太陽能真空管集熱器103.2全玻璃真空管集熱器全玻璃真空管由內(nèi)、外兩根同心圓玻璃管構(gòu)成，具有高吸收率和低發(fā)射率的選擇性吸收涂層沉積在內(nèi)管外表面上構(gòu)成吸熱體，內(nèi)外管夾層之間抽成高真空，其形狀像一個細長的暖水瓶膽。全玻璃真空管一端開口，將內(nèi)玻璃管和外玻璃管的管口進行環(huán)狀熔封；另一端分別封閉成半球形圓頭，內(nèi)玻璃管用彈簧支架支撐于外玻璃管上。在內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘結(jié)一只金屬保護帽。內(nèi)玻璃管的外表面涂有選擇性吸收涂層。彈簧支架上裝有消氣劑，起保持管內(nèi)真空度的作用。3太陽能真空管集熱器113.2全玻璃真空管集熱器1．玻璃管真空集熱管的內(nèi)、外玻璃管所使用的玻璃材料。玻璃管材采用硼硅玻璃3.3制造，太陽透射比高達0.89。圓柱形吸熱面使其在一天中接受的垂直光照較平面更多。采用磁控濺射工藝形成的鋁—氮—鋁涂層的太陽吸收率0.86以上，發(fā)射率小于或等于0.09；悶曬曝輻量達3.8MJ/m2；平均熱損系數(shù)僅為0.90W/m2·K；真空夾層的氣體壓強為5×10-2Pa。上述指標保證了全玻璃真空管集熱器較高的吸熱性能，有效的避免了平板集熱器的傳導和對流熱損失，并且提高了集熱器的抗低溫能力，同時，還具有較高的抗冰雹（擊打）能力。玻璃材料特點太陽透射比高熱穩(wěn)定性好熱膨脹系數(shù)低耐熱沖擊性好機械強度較高抗化學腐蝕性較好適合于加工3太陽能真空管集熱器123.2全玻璃真空管集熱器2．真空度確保全玻璃真空集熱管的真空度是提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命的重要指標。真空集熱管內(nèi)的氣體壓強很低，常用來描述真空度，管內(nèi)氣體壓強越低，說明其真空度越高。內(nèi)外管的間隙約為5mm。為了減少傳導和對流損失，間隙抽真空至10-3Pa。要使真空集熱管長期保持較高的真空度，就必須在排氣時先對真空集熱管進行較高溫度、較長時間的保溫烘烤，以消除管內(nèi)的水蒸氣及其他氣體。此外，還應(yīng)在真空集熱管內(nèi)放置一片鋇-鈦消氣劑，將它蒸散在抽真空封口一端的外玻璃管表面上，像鏡面一樣，能在真空管集熱器運行時吸收集熱管內(nèi)釋放的微量氣體，以保持管內(nèi)真空度。一旦銀色的鏡面消失，則說明真空集熱管的真空度已受到破壞。3．選擇性吸收涂層全玻璃真空集熱管的另一個重要特性是采用選擇性吸收涂層作為吸熱體的光熱轉(zhuǎn)換材料。在涂層工作時不影響管內(nèi)真空度，本身的光學性能也不會下降良好的真空性能良好的耐熱性能為最大限度的吸收太陽輻射能，抑制吸熱體的輻射熱損失高的太陽吸收比低的發(fā)射率3太陽能真空管集熱器133.2全玻璃真空管集熱器4．消氣劑玻璃出氣分為兩部分：一是表面出氣；二是內(nèi)部擴散出氣。全玻璃真空集熱管高溫排氣工藝僅能使玻璃表面吸附的氣體和部分內(nèi)部擴散的氣體解析出來，而不能把大部分玻璃內(nèi)的吸附氣體解析出來。在長期使用過程中，全玻璃真空集熱管玻璃會不斷地想真空夾層內(nèi)解析氣體，并且溫度越高解析速率越大，從而影響真空夾層的真空度。因此，為了維護全玻璃真空集熱管的真空度，需要在真空夾層內(nèi)安裝消氣劑，不管吸收由玻璃解析出來的氣體。消氣劑分為蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑。全玻璃真空集熱管主要采用的是鋇鋁鎳合金消氣劑，它是一種蒸散型消氣劑，其主要成分為質(zhì)量分數(shù)為25%的鋇，25%的鋁和48%左右的鎳。鋇鋁鎳合金消氣劑對O2,CO,CO2,N2,H2,H2O,CnHm等氣體具有良好的吸附特性。蒸散性消氣劑主要采用高頻感應(yīng)加熱進行蒸散，在集熱管的圓頭端形成消氣劑膜。普通集熱管消氣劑的得鋇量要求在（25±5）mg。消氣劑膜吸氣性能和消氣劑蒸散工藝密切相關(guān)，主要包括消氣劑蒸散時間、消氣劑的位置及起蒸時形成消氣劑膜的玻璃表面溫度等。鋇鋁鎳合金消氣劑與氣體的作用主要的四種模式：①氫氣和他的同位素，能被吸氣劑吸收，也能釋放，這是一個可逆過程；②能被吸附而不被釋放的氣體，如氧氣；③以上兩種模式的組合，一部分可被消氣劑永遠吸收，另一部分可以重新釋放，如水和碳氫氧化物；④不能被消氣劑吸收的氣體，如氦等惰性氣體。3太陽能真空管集熱器143.2全玻璃真空管集熱器5．金屬吸熱體真空管集熱器金屬吸熱體真空管由于吸熱體采用金屬材料，而且真空管之間也也都有金屬件連接，所以用這些真空管組成的集熱器具有以下共同優(yōu)點：金屬吸熱體真空管的出現(xiàn)擴大了太陽能的應(yīng)用范圍，滿足了不同場合的需求，已成為真空集熱器發(fā)展的重要方向。行溫度高由其組成的集熱器運行溫度可達100℃以上，有的甚至可以高達300

~

400℃，是太陽能中高溫利用技術(shù)中必不可少的集熱部件。承壓性能強由于介質(zhì)在金屬流道內(nèi)流動，真空管及其系統(tǒng)都可承壓運行，多數(shù)集熱器還可用于生產(chǎn)106Pa以上的熱水甚至高壓蒸汽。耐熱沖擊性能好真空管及其系統(tǒng)能承受急劇的冷熱變化，即使用戶偶然誤操作，對陽光下空曬的集熱器系統(tǒng)注入冷水，真空管也不會因此而炸裂。3太陽能真空管集熱器153.2全玻璃真空管集熱器6．熱管式真空管集熱器熱管式真空管集熱器是金屬—玻璃真空集熱器的一種主要形式，如今國內(nèi)已有多家企業(yè)涉足該項技術(shù)。熱管式真空管工作原理：表面鍍有選擇性吸收涂層的金屬吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，傳導給與吸熱板焊接在一起的熱管，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的少量工質(zhì)迅速汽化；被汽化的工質(zhì)上升到熱管冷凝段，釋放出蒸發(fā)潛熱使冷凝段快速升溫，從而將熱量傳遞給集熱系統(tǒng)工質(zhì)。熱管工質(zhì)放出汽化潛熱后，迅速冷凝成液體，在重力作用下流回熱管蒸發(fā)段。通過熱管內(nèi)不斷重復(fù)的汽—液相變循環(huán)過程，快速高效的將太陽熱能源源不斷的輸出。3太陽能真空管集熱器163.2全玻璃真空管集熱器6．熱管式真空管集熱器熱管式真空管集熱器工作原理，每只熱管真空管都將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱管反復(fù)的汽—液相變循環(huán)過程將熱量通過熱管冷凝段傳遞給導熱塊（或?qū)崽坠埽?，從而加熱?lián)集管內(nèi)的系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，使集熱系統(tǒng)工質(zhì)的溫度逐步上升，直至達到使用要求的。與此同時，真空集熱管及保溫盒也不可避免地通過輻射或傳導的形式損失一部分熱量。1） 熱管是利用介質(zhì)的汽化潛熱高效傳遞熱能的強化傳熱元件，其傳熱系數(shù)比相同幾何尺寸的金屬棒的導熱系數(shù)大幾個數(shù)量級。2） 玻璃—金屬封接玻璃—金屬封接技術(shù)可分為熔封和熱壓封兩種。3） 真空度與消氣劑在制造過程中，熱管式真空集熱管真空排氣工藝不同于全玻璃真空集熱管，具有以下特點：① 空集熱管內(nèi)空間容積大，金屬部件多，加熱烘烤時出氣量大,必須采用抽氣速率大且極限真空度高的擴散泵機組。② 在集熱管真空排氣前，必須對放氣量較大的金屬部件或材料進行高溫預(yù)除氣。③ 為了使真空集熱管長期保持良好的真空性能,必須在管內(nèi)同時放置兩種消氣劑，即蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑熱管式真空管集熱器真空集熱管導熱塊（或?qū)崽坠埽┻B集管......保溫材料保溫盒尾托架4其他幾種金屬吸熱體真空集熱管171．同心套管時真空管集熱器同心套管式真空熱管又稱為直流式真空集熱管，主要由同心套管、集熱板、玻璃管等幾部分組成。同心套管就是內(nèi)、外同軸的金屬管，位于集熱板的軸線上，跟集熱管緊密連接。工作原理：太陽輻射穿過玻璃管投射在集熱板上，集熱板吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換為熱能，集熱介質(zhì)從內(nèi)管進入真空集熱管，被集熱板加熱后，通過內(nèi)、外管之間的環(huán)形空間流出。熱效率高由于集熱介質(zhì)進入真空集熱管后，被集熱板直接加熱，減少了中間環(huán)節(jié)的傳導熱損?？伤桨惭b根據(jù)需要，可將真空集熱管東西向水平安裝在建筑物的屋頂上或南立面上。通過轉(zhuǎn)動真空集熱管，將集熱板與水平方向的夾角調(diào)整到所需要的數(shù)值，這樣既可簡化太陽能集熱器的安裝支架，又可避免太陽能集熱器影響建筑外觀。4其他幾種金屬吸熱體真空集熱管182．U型管式真空管集熱器U型管式真空管集熱管主要由U型管、吸熱板和玻璃管等組成。U形管式真空管集熱器的主要優(yōu)點：熱效率高由于集熱介質(zhì)進入真空集熱管后，被集熱板直接加熱，減少中間環(huán)節(jié)的傳導熱損失?？伤桨惭b可將真空集熱管東西向水平安裝在建筑物的屋頂上或南立面上，這樣既可簡化太陽能集熱器的安裝支架，又可避免太陽能集熱器影響建筑外觀。安裝簡單真空集熱管與集熱管之間的連接比同心套管式真空管簡單。4其他幾種金屬吸熱體真空集熱管193．儲熱式真空管集熱器工作原理：太陽輻射穿過玻璃管，投射在吸熱管上，吸熱管外表面上的選擇性吸收涂層吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換為熱能，加熱儲存在吸熱管內(nèi)的水。使用時，冷水通過內(nèi)插管注人吸熱管，將熱水頂出。由于真空夾層保溫性能好，因此吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢。儲熱式真空集熱管組成的系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

需要儲水箱真空管本身既是集熱器又是儲水箱，因而由儲熱式真空管組成的熱水器也可稱為真空悶曬式熱水器。

使用方便打開自自來水龍頭后，熱水可立即放出，所以特別適合于家用太陽能熱水器。4其他幾種金屬吸熱體真空集熱管204．內(nèi)聚光真空管集熱器內(nèi)聚光真空管集熱器，內(nèi)聚光真空集熱管主要由吸熱體、復(fù)合拋物聚光鏡、玻璃管等幾部分組成。復(fù)合拋物聚光鏡可簡稱為CPC。由于CPC放置在真空集熱管的內(nèi)部，故稱為內(nèi)聚光真空集熱管。吸熱體可以是熱管、同心套管或U形管，其表面有中溫選擇性吸收涂層。太陽輻射穿過玻璃管投射到CPC的表面，被CPC反射到位于其焦線處的吸熱體上。內(nèi)聚光真空管集熱器的主要特點：

行溫度較高由于CPC的聚光比大于1，所以內(nèi)聚光真空集熱管的運行溫度可達100~150℃。

不需要跟蹤系統(tǒng)CPC的光學特性使得平行的太陽輻射以任意角度投射時，其反射光都可以到達位于焦線的吸熱體上，從而避免了復(fù)雜的自動跟蹤系統(tǒng)。4其他幾種金屬吸熱體真空集熱管215．直通式真空管集熱器直通式真空集熱管吸熱管表面有高溫選擇性吸收涂層，外罩同心玻璃管，吸線熱管和玻璃管的夾層內(nèi)抽高真空，玻璃管的外表面蒸鍍減反射膜，以降低玻璃管外表面對入射太陽輻射的反射損失。由于金屬吸熱管與玻璃管之間的兩端都需大要封接，因而必須借助于波紋管過渡，以補償金屬吸熱管的熱脹冷縮。直通式真空集熱管需要與聚光器配合使用，組成聚光型太陽能集熱器器。工作時，傳熱介質(zhì)從吸熱管的一端流入，經(jīng)太陽輻射能加熱后，從吸熱管的另一端流出，故稱為直帶通式真空集熱管。直通式真空管集熱器的主要特點：

行溫度高由于聚光鏡的開口可以做得很大，使真空管集熱器的聚光比很高，所以直通式真空管集熱器的運行溫度可高達300~400℃。

易于組裝由于傳熱介質(zhì)從真空管的兩端進出，因而便于將直通式真空集熱管之間采用串聯(lián)方式連接。5聚光型太陽能集熱器的類型22為了拓寬太陽能熱利用的應(yīng)用領(lǐng)域，人們并不滿足于非聚光的平板集熱器和真空管集熱器，而努力設(shè)法提高太陽能集熱器的供熱溫度。聚光太陽能集熱器可以看成是由光源、聚光器和接收器組成的光學系統(tǒng)。光源是移動著的太陽，聚光器以反射或折射的方式把到達光孔(亦稱為“開口”)上的太陽輻射集中到接收器的小面積上，接收器內(nèi)的傳熱介質(zhì)則把小面積上由太陽輻射轉(zhuǎn)換成的熱能帶走。因此，聚光太陽能集熱器在接收器上可以獲得比投射到光孔上的太陽輻射大得多的能流密度，在小面積上可以達到比非聚光的平板集熱器和真空管集熱器都高得多的集熱溫度。5.1按聚光是否將太陽成像分類（1）成像聚光集熱器成像集熱器是使太陽輻射聚焦，即在接收器上形成焦點(焦斑)或焦線(焦帶)的聚光集熱器。（2）非成像聚光集熱器是使太陽輻射會聚到一個較小的接收器上而不使太陽輻射聚焦，即不在接收器上形成焦點(焦斑)或焦線(焦帶)的聚光集熱器。5聚光型太陽能集熱器的類型23

5.2對成像集熱器,按聚焦的形式分類（1）線聚焦集熱器是成像集熱器的一種，它是使太陽輻射會聚到一個平面上并形成一條焦線(或焦帶)的聚光集熱器。（2）點聚焦集熱器也是成像集熱器的一種，它是使太陽輻射基本上會聚到一個焦點(或焦斑)的聚光集熱器。5.3對成像集熱器，按反射器的類型分類（1）槽形拋物面聚光集熱器又稱為拋物柱面聚光集熱器或拋物槽聚光集熱器，它是通過一個具有拋物線橫截面的槽形反射器來聚集太陽輻射的一種線聚焦集熱器。（2）旋轉(zhuǎn)拋物面聚光集熱器又稱為拋物盤聚光集熱器，它是通過一個由拋物線旋轉(zhuǎn)而成的盤形反射器來聚集太陽輻射的一種點聚焦集熱器。5聚光型太陽能集熱器的類型24

5.4對非成像集熱器，按反射器的類型分類（1）復(fù)合拋物面聚光集熱器又稱為CPC集熱器，它是利用若干塊拋物面鏡組成的反射器來會聚太陽輻射的一種非成像集熱器。（2）多平面聚光集熱器又稱為塔式集熱器，它是利用由平面反射鏡組成的許多臺反射器(定日鏡)，將太陽輻射反射集中到位于高塔頂部的接收器上的種非成像集熱器。（3）條形面聚光集熱器又稱為FMSC聚光集熱器，它是利用由若干條固定的平面反射鏡組成的反射器,將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱器。（4）球形面聚光集熱器又稱為SRTA集熱器，它是通過一個由半圓旋轉(zhuǎn)而成的球形反射器，將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱器。（5）錐形面聚光集熱器它是通過一個由拋物線旋轉(zhuǎn)而成的盤形反射器，將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱。5.5其他類型聚光集熱器（1）非涅耳反射鏡聚光集熱器它是利用菲涅耳反射鏡，通過反射方式來會聚太陽輻射的一種成像集熱器。（2）非涅耳透鏡聚光集熱器它是利用非涅耳透鏡，通過折射方式來會聚太陽輻射的一種成像集熱器。5聚光型太陽能集熱器的類型25

5.4對非成像集熱器，按反射器的類型分類（1）復(fù)合拋物面聚光集熱器又稱為CPC集熱器，它是利用若干塊拋物面鏡組成的反射器來會聚太陽輻射的一種非成像集熱器。（2）多平面聚光集熱器又稱為塔式集熱器，它是利用由平面反射鏡組成的許多臺反射器(定日鏡)，將太陽輻射反射集中到位于高塔頂部的接收器上的種非成像集熱器。（3）條形面聚光集熱器又稱為FMSC聚光集熱器，它是利用由若干條固定的平面反射鏡組成的反射器,將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱器。（4）球形面聚光集熱器又稱為SRTA集熱器，它是通過一個由半圓旋轉(zhuǎn)而成的球形反射器，將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱器。（5）錐形面聚光集熱器它是通過一個由拋物線旋轉(zhuǎn)而成的盤形反射器，將太陽輻射聚集到跟蹤太陽的接收器上的一種非成像集熱。5.5其他類型聚光集熱器（1）非涅耳反射鏡聚光集熱器它是利用菲涅耳反射鏡，通過反射方式來會聚太陽輻射的一種成像集熱器。（2）非涅耳透鏡聚光集熱器它是利用非涅耳透鏡，通過折射方式來會聚太陽輻射的一種成像集熱器。5聚光型太陽能集熱器的類型26幾種聚光集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖：276聚光比與集熱溫度根據(jù)能量守恒定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，聚光集熱器在規(guī)定時段內(nèi)的有效能量收益，等同于一段時間內(nèi)接收器得到能量減去接收器對周圍環(huán)境散失的能量，即：

（6-1）式中，Qu為聚光集熱器在規(guī)定時段內(nèi)的有效能量收益，W；Qr為同一時段內(nèi)接收器得到的能量，W；QL為同一時段內(nèi)接收器對周圍環(huán)境散失的能量，W。聚光集熱器的效率可以定義為：在穩(wěn)態(tài)條件下，集熱器傳熱工質(zhì)在規(guī)定時段內(nèi)的有效能量收益與聚光器光孔面積和同一時段內(nèi)垂直投射到聚光器光孔上太陽輻照量的乘積之比，即：

（6-2）式中，ηc為聚光集熱器的效率，無因次；Ga為同一時段內(nèi)投射到聚光器光孔上太陽輻照量，W/m2；Aa為聚光器光孔的面積，m2；η0為聚光集熱器的光學效率，無因次；UL為集熱器總熱損失系數(shù)，W/(m2·K)；tr為接收器溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃。聚光器光孔的面積Aa與接收器上接受輻射的表面面積Ar之比，稱為聚光集熱器的“幾何聚光比”，或簡稱“聚光比”，通常以C表示，則有：

（6-3）幾何聚光比C反映出聚光集熱器使能量集中的可能程度，是聚光集熱器的特征參數(shù)。

286聚光比與集熱溫度將6-3代入6-2，可得到聚光集熱器的瞬時效率方程：

（6-4）

聚光集熱管的聚光比C＞1，即接收器向環(huán)境散熱的表面積總是小于聚光器光孔的面積，這樣有利于減小散熱器的散熱損失。

（6-5）光學效率η0表示聚光集熱器的光學性能。由于在集熱太陽輻射的光學過程中，聚光器的性能不可能達到理想化程度而引起的光學損失要比平板集熱器的情況顯著；同時，聚光器一般只能利用太陽輻射的直射分量，只有聚光比很小的聚光集熱器才能利用小部分漫射分量。因此，在聚光集熱器的能量平衡中，必須考慮光學損失及漫射分量的損失。隨著聚光比的增大，集熱器不僅要相應(yīng)的提高跟蹤太陽的定向系統(tǒng)精度的要求，而且也要提高鏡面光學精度的要求。7拋物面聚光集熱器29光孔是聚光器的開口面積或太陽輻射的投影面積，是影響聚光集熱器可收集的總能量的主要因素。光孔通常作為聚光器的特征量，用a表示。槽形拋物面的光孔用寬度表示，旋轉(zhuǎn)拋物面的光孔用直徑表示，焦距f決定了太陽像的大小。因此，在聚光系統(tǒng)的焦面上，像的能量密度應(yīng)是光孔a和焦距f的函數(shù)，定義為：(6-6)式中，n為聚光器的相對光孔，或稱為開口比。拋物面聚光器的聚光比主要取決于相對光孔，并與接收器的形狀有關(guān)?，F(xiàn)以平面接收器和圓形接收器兩種情況為例，分別分析其聚光性能。為便于分析，假定聚光器是理想的反射鏡面，接收器的截面積遠遠小于聚光器的光孔，因此它對反射鏡面的遮光影響可以忽略不計，此外，假設(shè)入射光線平行于反射鏡面的光軸。7.1相對光孔7.2平面接收器

7拋物面聚光集熱器307.2平面接收器對于槽型拋物面集熱器來說，聚光比C與相對光孔n的關(guān)系為：(6-7)

(6-8)

(6-9)根據(jù)圖6-13所示的幾何關(guān)系，有，

,代入式6-9并整理得：

(6-10)7拋物面聚光集熱器317.2平面接收器取拋物面頂點為坐標原點O，設(shè)拋物面線形函數(shù)為x2=4fy，可以得到：

(6-11)

(6-12)又有,,代入式6-12，整理得：(6-13)(6-14)當n<<1時，則C≈107.3n。令，可得n=1.65時有最大聚光比Cmax≈107.3。7拋物面聚光集熱器327.2平面接收器對于旋轉(zhuǎn)拋物面集熱器來說，聚光比C與相對光孔n的關(guān)系為：(6-15)

同理，可得：

(6-16)當n<<1時，則C≈11550n2。令；可得n=1.65時有最大聚光比Cmax≈11550。

7拋物面聚光集熱器337.3圓形接收器圓形接收器的幾何關(guān)系，如圖6-14所示。圖中，假設(shè)接收器尺寸恰好為聚光器反射鏡面邊緣光所形成的太陽像尺寸。d表示圓形接收器的直徑，rmax表示圓形接收器中心到反射鏡面邊緣的距離。對于槽形拋物面集熱器來說，接收器為圓管，聚光比C與相對光孔n的關(guān)系為：

(6-17)其中(6-18)若將式（6-13）和式（6-18）代入式（6-17），可得：(6-19)

7拋物面聚光集熱器347.3圓形接收器當n<<1時，則C≈34.2n。令，可得n=4時有最大聚光比Cmax≈68.3。對于旋轉(zhuǎn)拋物面集熱器來說，接收器為圓球，聚光比C與相對光孔n的關(guān)系為：(6-20)同理，可得：(6-21)

當n<<1時，則C≈2890n2。令，可得n=4時有最大聚光比Cmax≈11550。

7拋物面聚光集熱器35

7.4聚光集熱器的光學分析正面反射鏡面在成型的金屬或非金屬表面蒸鍍或涂刷一層具有高反射率的材料，或?qū)⒔饘俦砻鎾伖舛?。這類反射面由于直接與空氣接觸，為防止材料氧化，表面涂以保護膜。優(yōu)點是消除了透射體的吸收損失，缺點是易受磨損或灰塵影響。背面反射鏡面在透射體如玻璃的背面涂上一層反射材料。優(yōu)點是鏡面本身可以擦洗，經(jīng)久耐用，缺點是太陽輻射必須經(jīng)過二次透射，使得聚光系統(tǒng)的光學損失增加。聚光集熱系統(tǒng)中多采用背面反射鏡面。7拋物面聚光集熱器363．聚焦損失由鏡面反射的輻射通常會有一部分不能投到接收器上，特別是當鏡面和接收器配合不適當時。這種光反射損失的大小用采集因子γ表示?！安杉蜃印北硎剧R面反射的輻射落到接收器上的百分數(shù)。接收器表面太陽像的輻射流分布是不均勻的。太陽像斷面上的輻射流如圖6-15所示。分布曲線下的總面積是鏡面反射的總能量，可以由（GbRbAaτρ）確定。如果接收器的寬度為圖6-15中A，B的距離，則陰影面積表示落到接收器上的能量。于是采集因子γ可以表示為：

(6-22)

式中，W為接收器中心線量起的距離。當聚光器的光學性能一定時，增大接收器尺寸可以減小光學損失，但要引起熱損失的增大，反之亦然。因此，接收器的尺寸應(yīng)以熱損失和光學損失總和減至最小為適當。7.4聚光集熱器的光學分析7拋物面聚光集熱器37影響采集因子大小的主要因素是聚光器的精密程度。對光學損失的影響，通常有以下幾個因素：①光器反射表面的光潔度不理想引起的散焦。投射在光潔度不理想的反射表面上的平行光束經(jīng)反射后，反射光束將呈擴散狀，擴散角增大。這這種角分散是表面小尺度不規(guī)則性的函數(shù)，其影響是增大在焦點處太陽像的尺寸，可以認為是減小了鏡反射比ρ而增加了散射，通過鏡反射率ρ值的降低反映出來。②聚光器反射表面的線形誤差產(chǎn)生的太陽像變形。聚光器反射表面的線形誤差將會使太陽輻射產(chǎn)生散射，從而引起太陽像的擴大。線形誤差大小取決于聚光器的制造精度、支撐結(jié)構(gòu)的剛度以及影響聚光器形狀的其他因素。③接收器相對于反射表面的定位誤差引起太陽像的放大和位移。接收器相對于反射表面的定位誤差將引起太陽像的放大和位移，從而使聚焦表面上的能流密度降低。而且，對于同一接收器,安裝偏差愈大，采集因子γ愈小。④集熱器的定向誤差引起太陽像的放大和位移。聚光比較大的集熱器都需要適當?shù)母櫶柕臋C構(gòu)。跟蹤方式的不完善將引起投射到光孔上的太陽輻射射能量的減少。減少的程度可以用入射角的余弦cosi表示,通常將cosi稱為“入射系數(shù)”。不同跟蹤方式的入射系數(shù)cosi如表6-1。7.4聚光集熱器的光學分析7拋物面聚光集熱器387.4聚光集熱器的光學分析跟蹤機構(gòu)不夠精密，將引起定向角誤差θt。定向角誤差將引起大陽像的放大和位移。對于尺寸一定的接收器，由于存在定向角誤差，使一些反射輻射漏掉而不投在接收器上，而使采集因子γ減小，聚焦面上的能流密度降低。如果定向角誤差一定，采集因子γ的變化量是系統(tǒng)焦距和聚光比的正函數(shù)。定向角誤差對采集因子γ的影響，常用采集因子修正系數(shù)F(θt)表示。采集因子修正系數(shù)的物理意義是，表示一個理想的光學系統(tǒng)而非理想的定向系統(tǒng)的程度。槽形拋物面集熱器在定向角誤差θt超過±0.5°時，其采集因子修正系數(shù)急劇減小。8復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）39復(fù)合拋物面聚光集熱器（簡稱CPC）是美國學者Winston根據(jù)最大聚光原理發(fā)明的，其工作原理如圖6-16該聚光器由兩片對稱的反射鏡面組成，鏡面線形是兩條特殊組合的拋物線。左右兩側(cè)拋物線的軸與聚光器主軸構(gòu)成±θi的夾角，稱為采光半角。聚光器可以是由兩個拋物面構(gòu)成的槽形集熱器，也可以是由兩條拋物線繞光軸旋轉(zhuǎn)而成的旋轉(zhuǎn)體，或由兩組槽形拋物面垂直相交而得的“方形體”（三維集熱器）。復(fù)合拋物面聚光器在結(jié)構(gòu)上滿足邊緣光原理，即在最大采光角范圍內(nèi)入射到聚光器光孔上的光線都將匯聚到反射光孔面的邊緣上，因此，對任意給定的接收角，可以得到熱力學上的最大聚光比。復(fù)合拋物面聚光集熱器是一種無影像聚光集熱器。這種聚光集熱器可以只定期調(diào)整安裝傾斜角而不用連續(xù)跟蹤，目前已有CPC真空管、CPC熱管真空管太陽能集熱熱器，分別以全玻璃真空管、熱管真空管作為CPC的吸熱體。8復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）40根據(jù)聚光比的定義，復(fù)合拋物面的聚光集熱器的聚光比定義為入射光孔與反射光孔之比，即(6-23)式中，α為入射光孔寬度，m；α′為反射光孔寬度，m。經(jīng)公式推導，可得(6-24)式中，θi為槽形復(fù)合拋物面集熱器采光半角。因此，將式（6-24）代入式（6-23），有：(6-25)因此，復(fù)合拋物面聚光器的聚光比取決于它的采光半角θi，與二維聚光器的理論聚光比相同。與其他形式的聚光器相比，當采光半角相同時，復(fù)合拋物面聚光器具有最高的聚光能力。對于實際的CPC聚光器，如果反射表面線性的偏斜量Ψ1和太陽光線的偏斜量Ψ2都取它們的標準偏差σΨ1和σΨ2來表示，則按收集一定百分數(shù)光線設(shè)計的槽型復(fù)合拋物面聚光器能夠到達的最大聚光比，將由式（6-25）確定的理論值降低為(6-26)式中，K按指定收集的光線百分數(shù)進行選擇。對于光線按正態(tài)分布及K=2的情況，槽型CPC聚光器約可以收集95%的光線。一方面，當反射表面線形偏差σΨ1的數(shù)值不大時，它對CPC聚光器投射比的影響也很小；另一方面，這種反射表面線行偏差有時反而會使反射光線在反射光孔上分布的比較平均，因此CPC聚光器對反射表面質(zhì)量的要求可以適當降低。8.1CPC的聚光比8復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）41

8.2CPC聚光器的反射損失8.2CPC聚光器的反射損失復(fù)合拋物面聚光集熱器的熱性能分析方法，與槽形聚光集熱器的分析基本相同。圖6-17為CPC槽形聚光集熱器物理模型與熱網(wǎng)絡(luò)圖。假設(shè)接收器為全玻璃真空集熱管，為簡化分析，作如下假設(shè)：真空集熱管溫度Tr和流體溫度Tf在集熱管橫截面上均勻一致。忽略真空集熱管與聚光器反射鏡面之間的對流與輻射換熱。

8復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）42

8.2CPC聚光器的反射損失8復(fù)合拋物面聚光集熱器（CPC集熱器）43同理，引入集熱器效率因子和熱遷移因子，復(fù)合拋物面聚光集熱器的有效能可表示為

(6-33)熱遷移因子FR的表示式為(6-34)效率因子F′可以表示為(6-35)式中，hr為真空管內(nèi)外管之間的輻射換熱系數(shù)，W/m2·K。用聚光系統(tǒng)得到的有效能及投射到CPC集熱器上的總太陽輻射，可以求得CPC集熱器的瞬時效率為

(6-36)