太陽能技術(shù)課件04太陽能集熱器

第四講：太陽能集熱器太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時(shí)為了獲得足夠的能量，或者為了提高溫度，必須采用一定的技術(shù)和裝置（集熱器），對(duì)太陽能進(jìn)行采集。定義其中包含兩個(gè)過程：a）吸收（收集）太陽能

b）傳遞熱量太陽熱水器的好壞主要取決于集熱器的優(yōu)劣?。?！太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備，是將收集的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并將它傳給工作介質(zhì)（流體）的一種特殊換熱裝置。它是太陽能熱利用中的關(guān)鍵設(shè)備。太陽能集熱器工作原理圖太陽能集熱器的分類太陽能集熱器按是否聚光這一主要特征可以分為非聚光集熱器和聚光集熱器兩大類。非聚光集熱器：照射到采光面的太陽輻射不改變方向，也不集中射到吸熱體上的太陽集熱器。聚光集熱器:通常有特殊的鏡發(fā)射器或折射器（聚光器）能將陽光會(huì)聚在面積較小的吸熱面上，以提高吸收器上的能流密度，從而獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽（跟蹤系統(tǒng)）。主要應(yīng)用于太陽能熱動(dòng)力發(fā)電。按流動(dòng)工質(zhì)分為液體集熱器和空氣集熱器。按照集熱器的工作溫度范圍，太陽集熱器可分為三大類型:低溫集熱器:工作溫度100℃以下。中溫集熱器:工作溫度100～200℃。高溫集熱器:工作溫度200℃以上。平板集熱器

平板集熱器是太陽能低溫?zé)崂玫幕静考?，是非聚光類集熱器中最?jiǎn)單且應(yīng)用最廣的集熱器。與聚光型集熱器相比具有下列特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要跟蹤；工作可靠，成本較低；可同時(shí)接收直射輻射和散射輻射；熱流密度較低，工質(zhì)溫度較低，運(yùn)行安全。

平板型太陽集熱器的應(yīng)用范圍：為生活及服務(wù)業(yè)提供熱水；用于采暖空調(diào)及制冷（目前國內(nèi)已經(jīng)有多處利用太陽集熱器加上熱泵進(jìn)行采暖、空調(diào)和制冷的示范工程，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯）；為地下工程除濕、加溫；提供工業(yè)用熱水，如鍋爐補(bǔ)水的預(yù)熱，食品加工業(yè)、制革、印染、膠卷沖洗等用熱水；為各種養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)提供低溫?zé)崴?。平板型太陽集熱器結(jié)構(gòu)平板型集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

平板型太陽集熱器一般由吸熱體、蓋板、保溫層和外殼

4部分組成。平板型集熱器結(jié)構(gòu)示意圖五星家用平板太陽能熱水器TPC－4.0（一）吸熱板吸熱板是吸收太陽輻射能量并向水傳遞熱量的關(guān)鍵部件。

（1）對(duì)吸熱板的技術(shù)要求太陽吸收比高，以最大限度地吸收太陽輻射能；熱傳遞性能好，以最大限度地傳遞給傳熱工質(zhì)；與傳熱工質(zhì)的相容性好；具有一定的承壓能力；加工工藝簡(jiǎn)單，成本合理，便于大批量生產(chǎn)及推廣應(yīng)用。管板式將排管與平板以一定的結(jié)合方式連接構(gòu)成吸熱條帶，主要有銅鋁復(fù)合吸熱板和全銅管板吸熱板。主要特點(diǎn)：熱效率高，銅材、無結(jié)合熱阻；水質(zhì)清潔，水＋銅（無腐蝕）；耐壓能力強(qiáng)，高壓空氣吹脹成型。（2）吸熱板的主要結(jié)構(gòu)型式管翼式即帶翅片的管，利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側(cè)連有翼片的吸熱條帶，以鋁合金吸熱板為多。主要特點(diǎn)：熱效率高，鋁材、無結(jié)合熱阻；耐壓能力強(qiáng)，鋁合金可以承受高壓；水質(zhì)不易保證，水對(duì)鋁合金有腐蝕；動(dòng)態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量。（2）吸熱板的主要結(jié)構(gòu)型式扁盒式將兩塊金屬板分別模壓成型，再焊接成一體構(gòu)成吸熱板，主要材料有鋁合金或不銹鋼以及鍍鋅鋼等。主要特點(diǎn)：熱效率高，無結(jié)合熱阻；不需要焊接集管，一次模壓成型；焊接工藝難度大，焊接穿透和焊接不牢；耐壓能力差，焊點(diǎn)不能承受高壓；動(dòng)態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量；水質(zhì)不易保證，水對(duì)鋁合金有腐蝕。（2）吸熱板的主要結(jié)構(gòu)型式盤管式（蛇管式）

將金屬管彎曲成蛇形，再與平板焊接構(gòu)成吸熱板，一般采用銅板（高頻焊接和超聲焊接），現(xiàn)在已很少使用。主要特點(diǎn)：不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性；熱效率高；水質(zhì)清潔；流動(dòng)阻力大，流體通道不是并聯(lián)而是串聯(lián)；焊接難度大，焊縫不是直線而是曲線。（2）吸熱板的主要結(jié)構(gòu)型式吸熱板的幾種結(jié)構(gòu)形式吸熱板上的涂層吸熱板上覆蓋一層深色的涂層（太陽能吸收涂層）。非選擇性吸收涂層：光學(xué)特性與輻射波長無關(guān)的吸收涂層（普通黑板漆）。選擇性吸收涂層：光學(xué)特性隨輻射波長不同有顯著變化，高的太陽吸收比＋低的發(fā)射率。太陽6000K，0.3～2um（波長）——吸收；吸熱體400K，2～30um（波長）——發(fā)射。吸熱涂層的性能直接影響吸熱板的熱性能。涂層分為選擇性和非選擇性2種。普通黑板漆是一種非選擇性涂料，其太陽吸收率與長波發(fā)射率相等，它可用于低溫集熱器。對(duì)于中高溫集熱溫度（集熱溫度大于環(huán)境溫度30℃以上）的集熱器應(yīng)采用選擇性涂料。吸熱板上的涂層北京生產(chǎn)的TXT太陽能涂料

對(duì)太陽能涂料的技術(shù)要求：有較高的選擇性能，即；附著力強(qiáng)，不起皮；耐候性好。目前，還沒有一種較理想的太陽能涂料被集熱器生產(chǎn)廠家所接受。吸熱板上的涂層（二）透明面蓋蓋板的作用是讓太陽可見光透過（0.3－3μm)而不讓吸熱板產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外線透過(長波輻射3.0μm以上），使集熱器內(nèi)獲得較高的溫升，這種作用也稱之為溫室效應(yīng)。蓋板的技術(shù)要求：具有高全光（太陽）透過率；紅外透射比低；有較高的耐沖擊強(qiáng)度；有良好的耐候性（適應(yīng)各種氣候條件）；導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱性能好；便于加工。蓋板的材料有玻璃、抗老化透明玻璃鋼、抗老化透明塑料板等。常用的蓋板以普通玻璃為多，出口或高檔產(chǎn)品都使用鋼化玻璃蓋板。在北方使用的集熱器采用雙層蓋板時(shí)，一般采用玻璃加聚碳酸酯薄膜。蓋板的層數(shù)由使用地區(qū)氣候條件和工作溫度而定，一般為單層，只有在氣溫較低或工作溫度較高的工況才采用雙層蓋板。有條件時(shí)使用透明蜂窩材料，效果非常好。蓋板與吸熱板的距離應(yīng)考慮大于25mm，距離太小會(huì)降低集熱效率。（三）保溫層保溫層的作用是減少集熱器向環(huán)境散熱，以提高集熱器的工作效率。保溫層的技術(shù)要求：保溫性好，即材料導(dǎo)熱系數(shù)小，一般要求0.55W/m2.℃；不易變形或揮發(fā)，不產(chǎn)生有毒氣體，不吸水。（三）保溫層保溫層的材料有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、硅酸鋁纖維、聚氨酯發(fā)泡塑料等。保溫層的厚度一般控制在15－30mm，也可用下面經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：式中——保溫材料在100℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.K)。（四）外殼（箱體）外殼的作用是將吸熱板、蓋板、保溫層的材料組成一個(gè)整體，便于安裝。外殼的技術(shù)要求：有一定的強(qiáng)度和剛度，耐候性好，易加工以及外表美觀。外殼的材料有鋼板、彩鋼板、鋁型材、不銹鋼板、塑料和玻璃鋼等。平板集熱器的性能參數(shù)（一）基本能量平衡方程在單位時(shí)間內(nèi)，集熱器吸收的太陽輻射能等于同一時(shí)間內(nèi)集熱器損失的能量、集熱器輸出的有用的能量和集熱器本身熱容變化量之和。平板集熱器能量平衡示意圖該能量平衡關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方程表示：（二）平板型太陽集熱器的瞬時(shí)效率平板集熱器工質(zhì)所獲得的有用能量與入射到集熱器上的太陽總輻射之比稱為該集熱器的瞬時(shí)效率。幾種太陽集熱器的瞬時(shí)效率曲線圖中繪出了6種不同材料、結(jié)構(gòu)的集熱器的效率曲線，可以根據(jù)使用地區(qū)的氣溫、使用季節(jié)和用水溫度等情況來選擇集熱器的狀態(tài)。真空管集熱器就平板型太陽集熱器而言：傳導(dǎo)熱損失是由底部和側(cè)面隔熱層通過導(dǎo)熱換熱向環(huán)境散熱；對(duì)流熱損失是由吸熱板與透明蓋板之間的空氣通過對(duì)流換熱向環(huán)境散失；輻射熱損失是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。將吸熱板與透明蓋層之間的空間抽成真空，存在兩個(gè)困難：1m2的透明蓋板上將有10000Kg左右的壓力；氣密性達(dá)不到要求。人們研制出內(nèi)管與外管間抽真空的全玻璃真空集熱管。吸收真空管運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體，保持管內(nèi)真空度Al-N/Al(鋁氮鋁）選擇性吸收涂層它是將單根真空管裝配在復(fù)合拋物面反射鏡的底面，兼有平板和固定式聚光的特點(diǎn)，它能吸收太陽光的直射和80%的散射。真空管集熱器真空管式太陽能熱水器外觀圖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，有時(shí)也稱為金屬—玻璃真空管集熱器。最具代表性的是熱管式真空管集熱器。

一般說來，熱管真空管集熱器主要分為單玻璃集熱管；雙玻璃集熱管。蒸發(fā)段＋冷凝段蒸發(fā)段：工質(zhì)吸熱蒸發(fā)冷凝段：工質(zhì)冷凝放熱毛細(xì)作用力＋自身重力蒸汽壓力熱管單玻璃集熱器是帶有平板鍍膜肋片的熱管。熱管的蒸發(fā)端封接在單層真空玻璃管內(nèi)，其冷凝端插入導(dǎo)熱塊或直接插入水箱里，冷凝端將所獲得的熱能傳給水箱中的水。熱管單玻璃集熱器結(jié)構(gòu)示意圖熱管雙玻璃真空集熱器是由清華大學(xué)索蘭環(huán)能技術(shù)研究所研制的。該集熱管的蒸發(fā)端以緊配合方式插入雙玻璃真空集熱管內(nèi)的彈性金屬肋片中，冷凝端通過硅膠圈插入水箱中。熱管雙玻璃集熱器結(jié)構(gòu)示意圖其他型式金屬吸熱體真空管集熱器主要包括：同心套管式、U形管式、儲(chǔ)熱式、內(nèi)聚光式和直通式等。（1）同心套管式真空管集熱器由同心套管、金屬吸熱板、玻璃管等組成。太陽光穿過玻璃管，投射在吸熱板上，吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，傳熱介質(zhì)（通常是水）從內(nèi)管進(jìn)入真空管，被吸熱板加熱后，通過外管流出。（2）U形管式真空管集熱器主要由U型管、金屬吸熱板、玻璃管等組成。工作原理類似于同心套管。（3）儲(chǔ)熱式真空管集熱器主要由吸熱管、內(nèi)插管、玻璃管等幾部分組成，吸熱管內(nèi)儲(chǔ)存水，外表面有選擇性吸收涂層。白天，太陽輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換為熱能，直接用于加熱吸熱管內(nèi)的水，使用時(shí)，冷水通過內(nèi)插管漸漸注入，同時(shí)將熱水從吸熱管頂出；晚上，由于真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢。最大特點(diǎn)：不需要另設(shè)水箱。（4）內(nèi)聚光真空管集熱器主要由吸熱體、復(fù)合拋物聚光鏡（CPC）、玻璃管等組成。吸熱體通常是熱管平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會(huì)被CPC反射到位于其焦線處的吸熱體上。特點(diǎn)：運(yùn)行溫度高（100～150℃）；不需要跟蹤系統(tǒng)。（5）直通式真空集熱器直通式通常跟拋物柱面聚光鏡配套使用，組成聚光型太陽集熱器。特點(diǎn)：運(yùn)行溫度高，拋