黄金老师第四讲太阳集热器.ppt

第四讲：太阳能集热器 1、太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的 设备，它是太阳能热利用中的关键设备。 2、集热器是将收集的太阳能转变为热能，并将 它传给工作介质（流体）的一种特殊换热装置 。 定义 其中包含两个过程：a）吸收（收集）太阳能 b）传递热量 太阳热水器的好坏主要取决于集热器的优劣！ 太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足 够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装 置（集热器），对太阳能进行采集。 太阳能集热器工作原理图 太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光 集热器和聚光集热器两大类。按流动工质分为液体集热器 和空气集热器 太阳能集热器的分类 1 2 非聚光集热器：照射到采光面 的太阳辐射不改变方向，也不 集中射到吸热体上的太阳集热 器 聚光集热器聚光集热器通常有特殊的镜发射器或通常有特殊的镜发射器或 折射器（聚光器）折射器（聚光器）能将阳光会聚在面 积较小的吸热面上，以提高吸收器上 的能流密度，从而获得较高温度，但 只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳 （跟踪系统）。主要应用于太阳能热 动力发电。 3 按照集热器的工作温度范围，太阳集热器可分 为三大类型 （1）低温型集热器 低温集热器是工作温度在100以下的太阳集热器 （2）中温集热器 中温集热器是工作温度在100200的太阳集 热器 （3)高温集热器 高温集热器是工作温度在200以上的太阳集热器 平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，是 非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。与聚光 型集热器相比具有下列特点： （1）结构简单，不需要跟踪； （2）工作可靠，成本较低； （3）可同时接收直射辐射和散射辐射； （4）热流密度较低，工质温度较低，运行安全。 平板型太阳集热器的应用范围： （1）为生活及服务业提供热水； （2）用于采暖空调及制冷（目前国内已经有多处利用太阳集 热器加上热泵进行采暖、空调和制冷的示范工程，经济效益十 分明显）； （3）为地下工程除湿、加温； （4）提供工业用热水，如锅炉补水的预热，食品加工业、制 革、缫丝、印染、胶卷冲洗等用热水； （5）为各种养殖业、种植业提供低温热水。 平板型太阳集热器结构 平板型集热器结构示意图 平板型太阳集热器一般由吸热体、盖板、保 温层和外壳 4部分组成。如图所示。 平板型集热器结构示意图 五星家用平板太阳能热水器TPC4.0 （一）吸热板 吸热板是吸收太阳辐射能量并向水传递热量的关 键部件。 （1）对吸热板的技术要求 太阳吸收比高。可以最大限度地吸收太阳辐射能 热传递性能好。可以最大限度地传递给传热工质 与传热工质的相容性好。 具有一定的承压能力。 加工工艺简单，成本合理。便于大批量生产及推 广应用 （2）吸热板的主要结构型式 管板式 将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带 ，主要有铜铝复合吸热板（最先从国外引进）和全铜管板 吸热板（我国） 主要特点： a.热效率高，铜材、无结合热阻 b.水质清洁，水铜（无腐蚀） c.耐压能力强，高压空气吹胀成型 管翼式 即带翅片的管，利用模子挤压拉伸工艺制成金 属管两侧连有翼片的吸热条带。以铝合金吸 热板为多 主要特点： a.热效率高，铝材、无结合热阻 b.耐压能力强，铝合金可以承受高压 c. 水质不易保证，水对铝合金有腐蚀 d.动态特性差，吸热板有较大的热容量 扁盒式 将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一 体构成吸热板 主要材料有铝合金或不锈钢以及镀锌钢等 主要特点： a.热效率高，无结合热阻 b.不需要焊接集管，一次模压成型 c.焊接工艺难度大，焊接穿透和焊接不牢 d.耐压能力差，焊点不能承受高压 e.动态特性差，吸热板有较大的热容量 f. 水质不易保证，水对铝合金有腐蚀 盘管式（蛇管式） 将金属管弯曲成蛇形，然后再与平板焊接构成吸 热板，一般采用铜板（高频焊接和超声焊接）现 在已很少使用 主要特点： a.不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性 b.热效率高 c. 水质清洁 d.流动阻力大，流体通道不是并联而是串联 e.焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线 吸热板的几种结构形式 吸热板上的涂层 吸热板上覆盖一层深色的涂层（太阳能吸收涂层） a.非选择性吸收涂层：光学特性与辐射波长无关的 吸收涂层。（普通黑板漆） b.选择性吸收涂层：光学特性随辐射波长不同有显 著变化。 高的太阳吸收比低的发射率 太阳6000K，0.32um（波长）吸收 a.吸热体400K，230um（波长）发射 吸热涂层的性能直接影响吸热板的热性能。涂层 分为选择性和非选择性2种。普通黑板漆是一种非选 择性涂料，其太阳吸收率 与长波发射率 相等， 它可用于低温集热器。对于中高温集热温度（集热温 度大于环境温度 30以上）的集热器应采用选择性 涂料。北京生产的TXT太阳能涂料 对太阳能涂料的技术要求：有较高的选择性能， 即 ；附着力强，不起皮；耐候性好 。 目前，还没有一种较理想的太阳能涂料被集热器 生产厂家所接受。 （二）透明面盖 盖板的作用是让太阳可见光透过（0.33m) 而不让吸热板产生的远红外线透过(长波辐射 3.0m以上），使集热器内获得较高的温升，这 种作用也称之为温室效应。 盖板的技术要求： （1）具有高全光（太阳）透过率； （2）红外透射比低； （3）有较高的耐冲击强度； （4）有良好的耐候性；（适应各种气候条件） （5）导热系数小，隔热性能好； （6）便于加工。 盖板的材料 有玻璃、抗老化透明玻璃钢、抗老化透明塑料板 等。 常用的盖板以普通玻璃为多。出口或高档产品都 使用钢化玻璃盖板。 在北方使用的集热器采用双层盖板时，一般采 用玻璃加聚碳酸酯薄膜。盖板的层数由使用地区气 候条件和工作温度而定，一般为单层，只有在气温 较低或工作温度较高的工况才采用双层盖板。有条 件时使用透明蜂窝材料，效果非常好。 盖板与吸热板的距离应考虑大于 25mm。 距离 太小会降低集热效率。 （三）保温层 保温层的作用是减少集热器向环境散热，以提高集热器 的工作效率。 保温层的技术要求是：（1）保温性好， 即材料的导热 系数小， 一般要求 0.55W/m2. ；（2）不易变形或挥 发，不产生有毒气体，不吸水。 保温层的材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、硅酸铝纤维、 聚氨酯发泡塑料等。 保温层的厚度一般控制在 1530mm，也可用下面经验 公式来计算： 式中 保温材料在 100时的导热系数，W/(m.K)。 （四）外壳（箱体） 外壳的作用是将吸热板、盖板、保温层的材 料组成一个整体，便于安装。 外壳的技术要求：有一定的强度和刚度，耐 候性好，易加工以及外表美观。 外壳的材料有钢板、彩钢板、铝型材、不锈 钢板、塑料和玻璃钢等。 平板集热器的性能参数 （一）基本能量平衡方程 在单位时间内，集热器吸收的太阳辐射能等于同一时间内 集热器损失的能量、集热器输出的有用的能量和集热器本身热 容变化量之和。 平板集热器能量平衡示意图 该能量平衡关系可以用数学方程表示： （二）平板型太阳集热器的瞬时效率 平板集热器工质所获得的有用能量与入射到集热 器上的太阳总辐射之比称为该集热器的瞬时效率。 几种太阳集热器的瞬时效率曲线 图中绘出了6种不同材料、结构的集热器的效率曲线， 可以根据使用地区的气温、使用季节和用水温度等情 况来选择集热器的状态。 真空管集热器 就平板型太阳集热器而言：传导热损是由底部和 侧面隔热层通过导热换热向环境散热；对流热损失是 由吸热板与透明盖板之间的空气通过对流换热向环境 散失；辐射热损是由吸热板与透明盖板之间以及透明 盖板与天空之间通过辐射换热而向环境散热。 将吸热板与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳 集热器。 两个困难： （1）1m2的透明盖板上将有100Kg左右的压力； （2）气密性达不到要求 全玻璃真空集热管 人们研制出内管与外管间抽真空的全玻璃真空管 吸收真空管 运行时产生 的气体，保 持管内真空 度 Al-N/Al(铝氮 铝）选择性 吸收涂层 它是将单根真空管装配在复合抛物面反射镜的底 面，兼有平板和固定式聚光的特点，它能吸收太阳 光的直射和80%的散射。 真空管集热器 真空管式太阳能热水器外观图 金属吸热体真空管集热器 吸热体由金属材料组成的真空管集热器，有时也称为 金属玻璃真空管集热器。 最具代表性的是热管式真空管集热器。 一般说来，热管真空管集热器主要分为 单玻璃集热管 双玻璃集热管 蒸发段冷凝段 蒸发段：工质吸热蒸发 冷凝段：工质冷凝放热 毛细作用力自身重力 蒸汽压力 热管单玻璃集热器是带有平板镀膜肋片的热 管。热管的蒸发端封接在单层真空玻璃管内， 其冷凝端插入导热块或直接插入水箱里，冷凝 端将所获得的热能传给水箱中的水。 热管单玻璃集热器结构示意图 热管双玻璃真空集热器是由清华大学索兰环能 技术研究所研制的。该集热管的蒸发端以紧配合 方式插入双玻璃真空集热管内的弹性金属肋片 中，冷凝端通过硅胶圈插入水箱中。 热管双玻璃集热器结构示意图 其他型式金属吸热体真空管集热器 主要包括：同心套管式、U形管式、储热式、内聚 光式和直通式等。 （1）同心套管式真空管集热器 同心套管、金属吸热 板、玻璃管等组成 太阳光穿过玻璃管，投射在 吸热板上，吸热板吸收太阳 辐射能并将其转换为热能， 传热介质（通常是水）从内 管进入真空管，被吸热板加 热后，通过外管流出 （2） U形管式真空管集热器 主要由U型管、金属吸热板、玻璃管等组成 工作原理类似于同心套管 （3）储热式真空管集热器 主要由吸热管、内插管、玻璃管等几部分组成， 吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层，白天， 太阳辐射能被吸热管转换为热能，直接用于加热吸热 管内的水，使用时，冷水通过内插管渐渐注入，同时 将热水从吸热管顶出，晚上，由于真空夹层隔热，吸 热管内的热水降温很慢。 最大特点：不需 要另设水箱 （4）内聚光真空管集热器 主要由吸热体、复合抛物聚光镜（CPC）、玻璃 管等组成。 吸热体通常是热管平行的太阳光无论从什么方向 穿过玻璃管，都会被CPC反射到位于其焦线处 的吸热体上 特点： a.运行温度高（100150） b.不需要跟踪系统 （5）直通式真空集热器 直通式通常跟抛物柱面聚光镜配套使用，组成聚光 型太阳集热器。 特点： a.运行温度高，