农村能源工程2

1、第三节第三节 太阳能集热器太阳能集热器分类分类：平板型集热器与聚焦型集热器两类。特点特点：平板型集热器的采集与吸收太阳辐射能的面积相同，能收集太阳的直射与散射能量，且无需太阳的跟踪装置，结构简单，性能可靠，维护管理简便。原理：聚焦型集热器是利用光学系统(反射器或折射器)，使入射辐射聚集到吸收表面上，以提高能流密度一、平板型太阳能集热器一、平板型太阳能集热器（一)构造 平板型太阳能集热器的基本构造如图l13所示。它由透明盖板、吸热体、保温层和外壳等组成。 工作过程： 当阳光透过透明盖板进入器内被吸热体吸收，而转变为热能，并通过与吸热板相连的管道中的水(热水器)或吸热板上或下部的空气(空气集热器)

2、进 行热交换，使被加热的水或空气达到要求的温度（4070度）1透明盖板透明盖板 它的作用是尽可能多地透过阳光；阻止低温红外辐射，减少热损失；及防止雨雪、灰尘进入器内。因此，对它的要求是：有较高的透过率，应在075以上；能阻挡低温红外辐射；抗环境的性能稳定性好；机械强度高，不易损坏。可作盖板的材料有玻璃、塑料板及塑及塑料薄膜。一般采用5mm厚的玻璃。 2吸热体吸热体 它用以吸收透过盖板的太阳辐射能，并转变为热能，加热传热介质(水或空气)，提高其温度。要求是：要求是：有较高的吸收率，良好的导热性，低的发射率，并耐腐蚀，便于加工及价格便宜。常用的材料常用的材料：铜、铝合金及薄钢板，也有用塑料的。一般

3、都在金属表面上加刷涂层。涂层有选择性与非选择性两种。所谓选择性涂料一般都在金属表面上加刷涂层涂层有选择性与非选择性两种。 所谓选择性涂料对太阳辐射波长来讲，它具有很高的吸收率。而对本身温度下的低温长波辐射的发射率。 吸热体的结构型式很多如图所示。管板的结合可采用焊接、铆接、滚压、挤压与用铁丝捆绑；特点：管板也可作成一体，用型材挤压或吹胀成型。管板结合型加工工艺简单， 但管板接触不易密合，使热阻大，影响传热，集热效率低。管板一体型，热阻小，传热性能好，集热效率高。 3保温层保温层 在吸热体的背部与侧面都装有保温层，用以减少集热器底部及四周的散热损失。一般要求保温材料导热系数小，要在01WmK以下

4、；能耐100以上温度的烘烤，不变形，不变质；不吸水，耐腐蚀，安装方便，价廉。常用的保温材料有矿渣棉、岩棉、玻璃纤维、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。简易的集热器还可用稻草、锯末、棉絮等，但易腐烂，应防潮。 4外壳外壳 用以保护吸热体和保温材料，支持透明盖板，形成集热器整体，并保证集热器有一定的刚度，以便安装在支架上。要求外壳的材料有一定的强度与刚度，耐腐蚀，重量轻，加工性好，价廉。常用的外壳材料有木材、钢板、铝合金及塑料。为延长其使用寿命，本材及钢板表面应涂刷防腐漆。铝合金重量轻，耐腐蚀，且有一定强度，美观，但价比木材及钢板贵，是较好的外壳材料。 (二)性能及其分析 对于集热器的设计和使用，都需要了解

5、集热器在一定气象条件下，某一给定时刻的工作状态的性能，即所谓瞬时集热器性能，借以判断和分析集热器的工作状态。表示集热器瞬时集热性能的参数是集热器的瞬时集热效率qo可定义为：在稳定条件下，工质获得的有用热量与集热器获得的太阳能之比，即：影响集热器瞬时集热效率的因素有： 1 透明盖板的透过率。取决于盖板的透光性能、厚度、层数及集热器使用中其表面污染程度。随玻璃盖板的含铁量、厚度及层数增加，表面落尘、油污量增大，都使透过率下降。吸热体的吸收率?随其表面的黑度增加而增加。应尽量使fo的乘积增大。 2总损失系数 它是由集热器顶部热损失系数U2、底部热损失系数U6与侧面热损失系数U三项之和组成，底部热损失

6、是导热热损失，主要取决于底部保温材料及外壳的导热系数与厚度。侧面热损失是通过侧表面与外界空气的对流散热，其损失大小与其内的保温材料和外壳的导热系数、厚度，以及外界空气温度、风速有关，但此项损失一般很小，顶部热损失是由吸热体与盖板或各平行盖板之间(若有两层或多层盖板)的对流与辐射引起的，其损失大小除与吸热体和盖板的辐射性能有关外，还取决于外界空气温度3I 这是集热器收益高低的决定性项。但它取决于自然条件。 4tp项是表示集热器的工作温度。此温度高，散热损失大，使集热效率下降。因此，在满足用热要求条件下，不要过份地提高其工作温度。环境温度的升高，将使效率提高。2吸热体吸热体 平板型集热器作为热水器

7、用于加热水，其构造特点是：吸热体是吸热板与水流通道的组合，并有多种结构型式。管板组合型的结构如图116所示。由上集管、下集管、排管和吸热板组成。为保证有高的集热效率，应使管板连接接触严密，减小接触热阻。如果把圆管压成扁管，排管间用薄钢板焊接，或将管与板冲压为一体成为管板元件件 平板型集热器用于加热空气就称为空气集热器，其结构与热水器基本相同，只是吸热体只有吸热板，空气在吸热板上或下面流动。常见的几种空气集热器的型式如图12l所示。由于空气的容积比热(126kJm2K)比水的比热(4187KJm2K)小得多；空气与吸热板的换热系数也比水的小得多，故集热器的体积和传热面积都必须较大，以便能通过容积

8、流量大的空气。此外，在制作集热器时，更应注意外壳的密封，防止使用时空气渗漏. 在结构上，为增大吸热体的散热面积，吸热体作成各种形状：波纹形；带散热片；带网纱层，以及多层玻璃薄板等等，以利用吸热体与空气多次反复接触，吸取更多的热量，提高集热效率。但这些结构也增大了空气的流动阻力。考虑到成本及减少流动阻力，波纹板型及带散热片型是可取的。 3整体结构与安装 单个集热器的采光面积大小应以制造与安装方便为宜；盖板玻璃的固定和密封，应注意由于热应力造成破裂，以及抗风、雹和雨雪的能力；集热器在无负荷输出情况下所造成集热器闷晒温度很高时，应考虑系统的安全与可靠性；为便于维修与降低运行成本，各部零件应标准化和规

9、格化。二、其他类型的太阳能集热器 (一)闷晒型热水器 是一类简易的家用热水器。它们的特点是集热器和水箱组成一体，水不流动，定量的水被晒热后供使用。因而结构简单，价格低廉。 1塑料袋式热水器 如图122所示。一般由黑色塑料制成。为了提高热水器的集热效率，也可在上面采用透明塑料，下部采用黑色塑料。为减少底部的散热损失，最好底部放在保温板上。这种热水器重量小，便于携带，很适合于旅游或外出使用。常作家庭洗浴用。它价格低廉，但保温性能差。2浅池式热水器 它象一个浅水池子，既贮水，又集热，如图l一23所示。池水深一般为10cm左右，上面盖一层有一定倾角的玻璃板，池底和四周涂防水层及黑色涂料。池底和四周的保

10、温层和外壳可做成一体。它的特点是结构简单，便于制造和安置，成本低。但在高纬度地区不能充分利用太阳能，玻璃内表面往往有水蒸汽，降低了玻璃的透过率，3筒式热水器 如图124所示，它是在浅池式热水器基础上的改进。水池由敞开式改为密封式，不长青苔，不产生水汽污染玻璃，但吸热面相对有缩小，为此，可根据需要做成双筒式多简热水器。还可根据与房屋结合的形式，做成方扁简，三角形简，椭圆筒及(二)玻璃真空管集热器 玻璃真空管集热器是把外表面涂有选择性吸收涂层的玻璃管封人同心的玻璃管内，然后将两管的间隔腔抽成真空并密封好，流体在内玻璃管里面流动并收集太阳能，其结构如图125所示。 三、太阳辐射聚焦与聚焦型太阳灶 由

11、于太阳辐射的能流密度低，平板型集热器达不到所需的温度，在高温热能的太阳能利用系统中，如需要高达摄氏几百度高温热能的烹馁、太阳能发电等，就必须采用聚光器，以反射或折射的方式，将投射来的阳光聚集到接收器上，从而可大大提高能流密度，转变成高温的热能。这种聚光接收装置就是聚焦型集热器。目前国内较广泛推广使用的是聚焦型太阳灶，可获得500以上的高温，适用于炊事中的蒸、煮、炒等作业，这对缓解一些具有太阳能资源而燃料紧缺的农村的炊事用能具有重要意义。(一)太阳能聚焦的理论基础 聚焦型集热器，如聚焦型太阳灶一般由聚光器(常为一旋转抛物面反射镜，也有为折射透镜的)、接收器(如锅)、聚光器跟踪太阳的调节机构及支架

12、等主要部分组成，如图l一26所示。下面来介绍有关太阳能聚焦的理论知识：1旋转抛物面与太阳的影象 旋转抛物面是由抛物线绕主光轴(见图l一27)旋转而得。作为太阳能聚焦器，其主要的结构参数有：抛物面的口径或光孔直径朋，光扎面积AC(抛物面的投影面积)，焦点F，焦距fOF。抛物面的光孔面积也就是太阳光的入射面积，可表征收集太阳能的多少。直接影响集热器的功率大小。由于太阳不是一个点光源，它向地球上某一点投射的光线，精确地说，就不是平行 而有一定夹角(见图l一28)，其最大角为Y，称为太阳视角。其大小由日地距离和太阳直径所决定，约为320 ，因此，太阳光投射到抛物面上任一点A的反射光就不会聚焦在焦点F一

13、点上，而形成一定宽度CD(见图127)这便是太阳的影象。整个抛物面的太阳影象就是在焦点处的一小块面积，常称焦斑或焦面，是接收器(如锅底)的被加热面积。实际上，根据烹调要求，焦面应有一定大小，故接收器底面并不放在焦点上，而是放在焦点下面附近光柱所形成的截锥面上。由图l一27上的三角关系推得：2聚光比聚光比 聚光器把太阳能量的低密度变为高密度，这种增大能量密度的倍率，称为聚光比。若反射镜接受的太阳能为Qc，且光孔面积为Ac；接受器受热表面积为Af，接受的能量为Qr，按能量不灭原理，如忽略散热损失，二者的能量相等，即QfQf，并改写为： (二)聚焦型太阳灶 它是缓解我国广大农村生活用能不足的重要工具

14、，在太阳能资源较丰富的农村地区皆可推广使用。但它一般在室外操作，受自然气候条件，风、雨、雪及阴天影响很大，造成使用有一定局限性。 为满足炊事需要对聚焦型太阳灶提出如下要求：聚光性能好，功率与集热温度应能进行蒸、煮、炒等各种炊事作业，一般功率应不小于1000w，温度在500以上，且集热效率高，应不低于50；操作简便，机构简单，灵活，重量轻，便于调整与搬运，操作高度应不高于125m，操作的横向距离不大于07m；机架稳定，抗风性能好，不摆动；寿命长。荣光材料抗环境性能好，不易老化变质，造价低。 1聚焦型太阳灶的类型聚焦型太阳灶的类型 按聚焦的工作原理可分为两类：一是反射聚焦太阳灶；另一是折射聚焦太阳

15、灶。目前使用的太阳灶基本是反射聚焦型。下面主要讲这种类型。图l一30是非涅耳透镜折射聚焦型太阳灶。阳光透过若干个平行的菲涅耳透镜并折射聚光射到箱式太阳灶受热面上，得到高温热能即可进行炊事作业。反射聚焦型太阳灶按反射面的曲面分：正焦抛物面型，偏焦抛物面型。而截取的抛物面形状可以是矩形、椭圆形、扁圆形或异形。正抛物面型的特点是：抛物面的焦点恰在所选抛物面的正中心。正焦型灶结构简单，容易加工制造，但只有在太阳高度角较大的季节及中午使用时，才具有较高的效率；其锅具功率小，如增大光孔面积以增大功率就使操作不便。当太阳高度角较低时2聚焦型太阳灶的结构 (1)底座 它是承受整个灶壳、锅和支架重量的机座，要求稳定性好。图l一33所示的是一种由水泥浇成整体的底座。图134所示的是由角钥等材料制成的三角底座。它重量轻，便于搬运。图l一35是一种带轮的支架底座，便于移动。(2)灶壳 是聚光太阳灶的重要部件 它必须保证抛物面的曲率才能达到好的反光 效果。它也是影响整个太阳灶重量和成本的关键。因此，灶壳的材料应能满足以下要求：抗环境性能好，能经受风雨侵蚀，不变形不老化；重量轻，灶壳重量以不超过20kg/m2为宜；强度高，能承受一定的撞击而不损3)灶面灶面 是灶壳用于反射太阳辐射能给锅具的反光表面。除光亮的铝板灶壳可直接反光外，其他灶壳表面都