太阳集热器的分析与选用.doc

太阳集热器的分析与选用北京市新能源与可再生能源协会 2008-07-28 罗运俊太阳集热器是太阳热水器吸收和获得太阳能量的关键部件，其制造成本约占太阳热水器的一半，因此太阳集热器技术的发展，在很大程度上决定着太阳热水器的未来走向和应用前景。国内外集热器技术应用现状1、国际上太阳集热器技术的应用现状由于平板太阳集热器在获得生活热水时，具有较好的热性能，同时具有长寿命和较少的维修工作量，因此平板太阳集热器产品一直占有85-90%的市场份额；由于平板集热器耐压性能的优异，绝大多数太阳热水系统工程采用耐压系统，这种系统给用户提供了淋浴的舒适感；在天气寒冷的北欧等地区，为了防冻和抗冻，大多数热水工程采用了防冻介质进行双回路二次（间接）循环。2、我国太阳集热器技术的应用现状由于全玻璃真空管的规模化生产，基本形成了产品的标准化、社会化、系列化和营销体系的渠道化，使真空管集热器占有85%以上的市场份额。由于我国属发展中国家，而非承压（常压）太阳热水系统价位要比承压系统低得多，以它为主推广应用比较适合国情。为了防冻抗冻我国北方大多数太阳热水工程采用比较低的排空回流系统，而不采用双回路二次循环。集热器效率曲线的分析根据国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）提供的检测结果，平板集热器的平均效率曲线截距0=0.78-0.81，热损UL=3.54-4.03w/m2k，真空管集热器的平均效率曲线截距0=0.53-0.61，热损UL=0.53-0.61w/m2k，如果将这两种集热器的效率曲线检测结果画成曲线，如图1所示。图1 集热器效率曲线从两条效率曲线可以看出，如果热水温度（目前绝大多数适用领域均为洗浴，其水温要求40-60已足够）不高，此时平板集热器可获得较高的效率，若热水温度大于60，则真空管集热器可以获得较高的效率，这也是说明真空管集热器在中温100-200应用和高温（200以上）应用具有广阔的发展前景。集热器接受阳光的有效面积集热器在总面积相同的情况下接受阳光的有效面积大小，直接影响太阳热水系统获得热量的多少。（1）平板集热器总外框面积为2m2，外形尺寸为10002000mm，集热器厚度一般为70-120mm，高A=2000mm、宽B=1000mm、压条宽C=25mm、集管d1=25mm/23m、集管d2=10mm/9mm、管间距（T管）H=118mm，其集热器的有效吸热面积：S1=（1000-50）（2000-50）=1.825106mm2=1.825m2占集热器总面积的91.25%。（2）真空管集热器总面积同样为2m2（外形尺寸为2430823mm），其横向（东西向）集热器结构。高B=823mm、宽A=2430mm、管（22根）间距H=75mm、联箱尺寸为C=120120mm、尾座尺寸为d=6060mm、真空管尺寸为47/37mm，其横向真空管集热器的有效吸热面积：S2=（1/22430-120）内管d管数22=1.0950.03722=0.891m20.9m2约占总面积的45%。（3）竖向（南北向）集热器，集热器总面积为2m2（外形尺寸为13001540mm）高B=1540mm、宽A=1300mm、管（17根）间距H=75mm、联箱尺寸为C=120120mm尾座尺寸为d=6060mm、真空管尺寸为47/37mm。将上述三种集热器计算结果，如表1所示。表1 三种集热器有效吸热面积比较类型总面积结构外形有效吸热面积有效吸热面积占总面积的%平板集热器22000 10001.82591.25横向真空管集热器22430 8230.89145.0竖向真空管集热器21300 15400.85543.0集热器内存无效热水量的计算太阳集热器所获得的热水一般通过循环系统存入水箱之中。根据国家有关标准。经过一天运行，水箱中放出来的热水量为有效热水量，而存于集热器内的热水量为无效热水量，不计入热水系统的效率。因此集热器内所存的热水量越多，则影响系统效率就越大。上述三种集热器内存热水量的计算结果，如表2所示。表2 三种集热器内存热水量比较类型总面积结构外形有效吸热面积有效吸热面积占总面积的%平板集热器22000 10001.681.2横向真空管集热器22430 82323.5616.8竖向真空管集热器21300 154024.7043.0假定2m2集热器在北京地区按日产热水量为2m270kg/m2日=140kg为热水器的热水量。集热器的承压性能1、平板集热器其承压性能主要取决于集管、排管的管路连接件的耐压能力。平板集热器集管和排管均为紫铜管或不锈钢管。集管管径20mm、25mm、32mm；排管管径有8、10mm等，壁厚有0.51.0mm，不锈钢管路连接件用ZGCr18NiqTi，铜管件用ZCuZn40Pbz，适用公称压力PN分系列和系列，系列PN3.4Mpa，系列PN1.6Mpa。自来水压力国内工作压力为4kg/cm2左右，国外为6kg/cm2，因此平板集热器只要焊接按标准执行，其承压性能很好，完全能满足热水工程的需要。2、真空管集热器的承压性能分析。真空管单管内耐压，国标规定为0.6Mpa，它是指管内通入具有0.6Mpa压力的自来水时，不会造成管子的损坏，而真空管集热器，国标规定最小工作压力为0.3Mpa。我国真空管太阳热水器或真空管太阳热水系统绝大多数是常压（非承压）系统，所以对承压性能要求不高。但是如果是承压系统，最大的担心还不是真空管内承受多大，而是集热联箱内的水压力会沿着管子方向产生一个很大的轴向力，将集热器尾座顶坏。该轴向顶力可进行以下计算：假定以47/37mm的管子为例，联箱内水压分别为1kg/ cm2、3kg/cm2、6kg/cm2三种状态，计算图6、图7两种集热器联箱内水压对尾座的轴向顶力多大？当联箱内水的压力为1kg/cm2时，单管轴向顶力F=d2/41kg/cm2=（4.7）21kg/cm2=17.3kg同样水的压力为3kg/cm2时，单管轴向顶力F=51.9kg：水的压力为6kg/cm2时，单管轴向顶力F=103.8kg。计算出单管轴向顶力F，其集热器联箱尾座所受到的顶力总和为单管顶力F管子根数，这样计算结果如下表3所示表3 不同水压尾座所承受的顶力类型联箱水压(kg/cm2)单管轴向力F(kg/cm2)尾座顶力(kg)横向集热器（22根）117.3385.0横向集热器（22根）351.91141.8横向集热器（22根）6103.82283.6竖向集热器（17根）117.3294.1竖向集热器（17根）351.9882.3竖向集热器（17根）6103.81764.6集热器其他性能的分析1、固体悬浮颗粒物（沉淀）排除分析。平板集热器内水的固体悬浮粒一般会随着水流循环进入贮水箱中，然后可通过泄污阀进行排污。真空管集热器分两种情况；横排集热器和平板集热器一样悬浮颗粒物可随水流带入贮水箱。而竖排集热器则固体悬浮颗粒物无法带入贮水箱，只有沉入管子下部，如果水质不好，二、三年或三、四年就会使管子空间被沉淀物塞满，这样会严重影响管子的吸热性能。太阳能热水系统一般要求使用寿命大于10-15年，若经常因沉淀堵塞维修，会给用户对工程使用可靠性带来极坏的影响。2、关于集热器的使用寿命和维修工作。平板集热器的使用寿命一般容易实现与建筑同步，15年或20年均没有什么问题。但如果集热器的玻璃是普通玻璃则因冷热