光热转换技术

光热转换技术 1 概述 太阳能必须经过各种转换 才可能方便地服务社会 各种太阳能利用成功的关键在于太阳能 转换技术 现代意义上的太阳能转换技术开发的全部内容可归纳为两个主要方面 1 高效地收集太阳能 主要技术内容有 选择性表面技术 受光面的光学设计 集热体的热结构设计与分析 装置的机械结构设计 2 将收集的太阳能高效地转换为其他形式的有用能 主要技术内容有 尽可能降低能量转换过程中的各种热 电损失 优异的系统设计 太阳能光热转换在太阳能工程中占有重要地位 其基本原理是通过特制的太阳能 采光 面 将投射到该面上的太阳能辐射能作最大限度地采集和吸收 并转换为热能 加热水或 空气 为各种生产过程或人们生活提供所需的热能 2 平板集热 所谓平板集热 就是集热装置的采光面积等于集热面积 若采光面大于集热面积 称为聚 光集热 两者的概念是相对而言的 平板集热具有以下特点 采光面等于集热面 集热面可以采集太阳直射辐射能 散射辐射能和反射辐射能 集热面固定安装 不跟踪太阳视位置 热损失系数较大 工作温度通常均在 80 以下 结构简单 生产成本低廉 2 1 太阳能平板集热器 太阳能平板集热器是典型的平板集热 简称平板集热器 1 平板集热器的分类 按集热工质分类 水集热 普通的太阳能平板热水器 公用热水系统 几乎都采用水作为集热工质 空气集热 太阳能干燥和太阳房采暖的集热装置 通常均以空气作为集热工质 防冻液集热 高寒地区经常采用防冻液和水作为集热工质的双循环太阳能集热 按集热体表面光学特性分类 黑面 一般是在集热体表面涂刷或喷涂一层黑色涂料 简称黑面 目前较少采用 光谱选择性吸收面 这是经过化学 电镀等工艺制成的选择性吸收面 应用广泛 按透明盖板层数分类 单层透明盖板 两层或多层透明盖板 太阳能平板集热器的透明盖板 通常多采用单层 特殊情况用两层 极少情况用三层或不用 2 典型平板集热器的基本组成 平板集热器的典型结构由集热体 透明盖板 隔热层和壳体四部分组成 集热体 它是太阳辐射能 转换为热能并传向集热工质的关键部件 是太阳能平板集热器的关键部件 其特性参数决定了平板集热器的工作性能 一般应具备以下特性 表面光谱选择性能好 集热板面的太阳辐射吸收率高 热反射率低 具有优良的传热结构设计 密封性能好 能承受一定的工作压力 与集热工质具有良好的相容性 对环境具有良好的耐天候性 制作工艺简单 一般集热体多采用金属制作 集热体表面喷涂黑色涂料或制作光谱选择性吸收涂层 透明盖板 在集热体的上方 覆盖一层或多层透明盖板 一方面降低集热体对环境的散热损失 起到 隔热作用 另一方面保护集热板面 免受风霜雨雪和尘埃等的直接侵袭 它具备以下特性 光学性能好 阳光透光率高 而吸收率和反射率低 隔热性好 机械性能好 能承受一定的风压 冰雹等外力和热应力的作用 耐老化性能好 长年暴露在大气环境和阳光下 上述各种特性均无明显恶化 隔热层 隔热层是集热体底部和四侧填充的一定厚度的绝热材料 以降低集热体的热损失 它具备以下 特性 导热系数低 不吸湿 不吸水 具有一定的机械结构强度 壳体 壳体将集热体 透明盖板和隔热层装配成一体 构成一个完整的太阳能集热器 整个壳体要 有一定的整体刚度和机械强度 以便保护集热体和隔热层不受外部环境的各种损伤和影响 且 便于装配 阳光透过透明盖板照射到集热体上 其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收 转变为热能 并传向流体通道中的工质 小部分反射向透明盖板 这样 从集热器底部入口的冷工质 在流 体通道中的热能所加热 温度逐渐升高 加热后的集热工质 带着有用的热能从集热器的出口 端流出 如此循环 将投射的太阳辐射能蓄入储水箱中备用 成为有用能量收益有用能量收益 与此同时 由于吸热体温度升高 通过透明盖板和外壳向环境散失热量 构成平板太阳集热器的热损失 这样的换热循环过程 一直维持到集热温度达到某个平衡点时为止 太阳能平板集热器在 70 年代就已经发明和应用 自从 80 年代发明真空管集热器 在整个 业界太阳能平板集热器就慢慢退出市场 在广东 云南 海南等省至今还有在推广和使用 因为太阳能平板集热器自身的设计特点决定了它的散热损失较大 故温度大多运行在 60 以下 真空管集热器是在平板集热器基础上发展起来的新型集热装置 目前 市场上已开发很多形式 的真空集热管 最常用的有全玻璃真空集热管 热管式真空集热管 U 形管真空集热管等 全玻璃真空管由玻璃外管 玻璃内管 选择性吸收涂层 弹簧支架 固定 卡 吸气剂等部件组成 其形状如一只细长的暖水瓶胆 6 7 12345 图3 全玻璃真空管结构示意图 1 玻璃外管 2 玻璃内管 3 选择性吸收涂层 4 真空 5 弹簧支架 固定卡 6 吸气剂 7 保护帽 全玻璃真空管的一端开口 将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封 另一端分别封闭成半球形圆头 内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上 以缓 冲热胀冷缩引起的应力 在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空 在外 玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽 内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层 弹簧支架上装有吸气剂 它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体 起保持管内真空度的作用 真空管太阳能的特点 1 真空管太阳能工作原理是采用内管的吸热涂层对太阳光吸收 加热内管里 的水 在与水箱或連箱进行交换 提高水温 作它在吸热的同时也会进行散热 而热量的传递只有三种方式 辐射 传导 对流 真空管太阳能的三种散热 传热方式均很小 内管的水银涂层防止热量辐射 内外管中间的真空层防止热 量传导 至于热量的对流散发对真空管太阳能而言 几乎为零 2 真空管太阳能的使用寿命长 内外涂层在真空的环境里不受氧化 在不 受外力的情况下寿命超 20 年以上 3 各种环境的影响 散热小 保温效果好 抗冻能力强 在南极都有优良表 现 真空管对风的阻力小 抗风能力强 真空管是圆形的形状 受外来冲击 力小 抗冰雹能力强 4 真空管太阳能管的热效率高 2 2 平板集热设计 3 真空管集热 4 太阳能空气加热 太阳能空气加热集热器为平板型集热器 也称为太阳能空气集热器 它是在寒冷天气中加 热空气以保持舒适环境的最佳选择 目前 不少太阳能采暖多采用热水系统 两者相比各有其优缺点 至于太阳能干燥器 均 采用太阳能空气集热器 太阳能空气集热器由四部分组成 吸热板 透明盖板 隔热层和壳体 为了提升太阳能集热器的有用能量收益的能量品质 扩展更高温度的太阳能利用领域 就 必须提高太阳能集热装置的高温运行特性 唯一的途径就是发展聚光集热 提高集热温度 聚光集热器主要由聚光器 接收器和跟踪系统三大部分组成 按照聚光原理区分 聚光集 热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类 每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种 为 了满足太阳能利用的要求 简化跟踪机构 提高可靠性 降低成本 在本世纪研制开发的聚光 集热器品种很多 但推广应用的数量远比平板集热器少 商业化程度也低 70 年代 国际上出现一种 复合抛物面镜聚光集热器 CPC 它由二片槽形抛物面反射 镜组成 不需要跟踪太阳 最多只需要随季节作稍许调整 便可聚光 获得较高的温度 其聚光比一般在 10 以下 当聚光比在 3 以下时可以固定安装 不作调整 当时 不少人 对 CPC 评价很高 甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破 预言将得到广泛应用 但几十年过去了 CPC 仍只是在少数示范工程中得到应用 并没有象平板集热器和真空管 集热器那样大量使用 我国不少单位在七八十年代曾对 CPC 进行过研制 也有少量应用 但现在基本都已停用 其他反射式聚光器还有圆锥反射镜 球面反射镜 条形反射镜 斗式槽形反射镜 平面 抛物面镜聚光器等 此外 还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜 定日镜 定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成 在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射至 同一吸收器上 吸收器可以达到很高的温度 获得很大的能量 利用光的折射原理可以制成折射式聚光器 历史上曾有人在法国巴黎用二块透镜聚 集阳光进行熔化金属的表演 有人利用一组透镜并辅以平面镜组装成太阳能高温炉 显然 玻璃透镜比较重 制造工艺复杂 造价高 很难做得很大 所以 折射式聚光器长期没 有什么发展 70 年代 国际上有人研制大型菲涅耳透镜 试图用于制作太阳能聚光集热器 菲涅耳透镜是平面化的聚光镜 重量轻 价格比较低 也有点聚焦和线聚焦之分 一般 由有