第3讲-太阳能热利用-集热器

上一讲思考题河北工业大学北辰校区节能楼（39.238

N，117.066

E）屋顶布置的集热器倾角为25

，方位角为-21，试计算：（1）5月1日和12月1日的日出、日落北京时刻，以及日出、日落太阳方位角；（2）

在5月1日和12月1日该集热器能接收到太阳辐射的北京时间。已知：

=

39.238

，=30

，=-21，L当地=117.0665月1日是第121天，12月1日是第335天。由公式求得赤纬角分别为：14.9

和-22.1.根据太阳时=北京时间+E－4×(120－L当地)

求得距正午前后日出日落时刻分别为6.84h和4.71h对应北京时刻分别为5点19分，18点59分；7点19分，16点44分日出时刻太阳方位角：日落时刻太阳方位角：

109.4

和

60.9

时角为80.8

，107.6当表面太阳方位角小于90度时，太阳光可以直接照射到集热面,按照日出日落时角计算，否则按照以上时角计算gs-g=-88.391130.391-39.92881.9279初始北京时刻终了北京时刻hh5.31（5时19分）17.53（17时32分）7.32（7时19分）16.74（16时44分）时角为70.2

，97.0太阳光能照射到集热器的必要条件是入射角小于90

。也就是说，集热器能接收到太阳辐射的时间分界点为入射角等于90。另外还要考虑两个问题：（1）与日出日落时刻的关系，不可能早于日出时刻或晚于日落时刻；（2）太阳表面方位角的问题，太阳表面方位角小于90度时，太阳光线总是可以照射到集热器表面cos

有两个解，日落时角分别为102.6

和70.6

太阳能热水器的集热器方位角和倾角应该如何设置以适应季节的变化？全年使用时，取集热器倾角等于当地纬度，冬季使用时，取倾角为当地纬度+10度，夏季使用时取当地纬度-10度。方位角在正南

5度。上一讲思考题我们感觉到早晚的太阳辐射强度要比正午时弱，原因是什么？大气质量不同（太阳光在大气中的衰减路程不同）造成的几个基本概念的理解：太阳赤纬角、太阳高度角、太阳天顶角、太阳方位角、时角、真太阳时、太阳入射角上一讲思考题在当地时间正午12点时，太阳正好在我们的头顶正上方，这句话对吗？不对，在正午12时，只有一个地方的太阳高度角为90度，其余地方太阳都不是正好在头顶正上方。而且，当地时间与真太阳时是有偏差的，所以，按照当地时间的正午去评判太阳的位置更是不合适的。正午时第三讲太阳能热利用

——太阳能集热器主要内容太阳能集热器类型，平板集热器（结构、效率），真空管集热器（全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器、其他形式金属吸热体真空管集热器），聚光型集热器（类型（槽式、蝶式）、构造、聚光比、能量分析、效率）集热器定义及分类太阳集热器定义：太阳加热系统中，接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的部件。太阳能集热器是一种特殊换热装置。它是太阳能热利用中的关键设备。不是直接面向消费者的终端产品包含两个过程：a）吸收（收集）太阳能

b）传递热量太阳能集热器工作原理图太阳集热器的分类按集热器的传热工质

液体型集热器和空气型集热器按工作温度范围低温集热器（100℃以下）、中温集热器（100～200℃）、高温集热器（200℃以上）。按是否跟踪太阳能跟踪集热器、非跟踪集热器按是否真空平板型集热器、真空管集热器按太阳辐射是否改变方向非聚光型集热器、聚光型集热器太阳集热器非聚光型集热器聚光型集热器闷晒式集热器平板型集热器真空管集热器全玻璃真空管集热器热管真空管集热器非成像聚光型集热器成像聚光型集热器非成像聚光型集热器：能使太阳辐射在吸热体（或接收器）表面集中，但不形成焦点（或焦斑）或焦线（或焦带）的聚光型集热器。非聚光型集热器：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。聚光型集热器:通常有特殊的镜发射器或折射器（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。一、平板型集热器平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也是世界太阳能市场的主导产品，是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。结构简单，不需要跟踪；工作可靠，成本较低；可同时接收直射辐射和散射辐射；热流密度较低，工质温度较低，运行安全。特点（与聚光型集热器相比）平板型太阳集热器结构吸热体——吸收太阳辐射能，将其转换为热能，并向工质传递热量透明盖板——光学性能好、机械性能好、耐老化性能好隔热层——降低集热器热损失提高其热效率壳体——将吸热体、透明盖板和隔热层装配成一体平板式集热器吸收太阳辐射能的面积与其采光窗口的面积基本相等，外形像一个平板。平板型集热器结构示意图平板型集热器传热示意图太阳吸收比高，以最大限度地吸收太阳辐射能；热传递性能好，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。（1）吸热体吸热体是平板型集热器的关键部件，一般为板状，故又称为吸热板常采用普通钢、不锈钢、铝、铜和玻璃等。普通钢通常镀锌处理，可以提高耐腐蚀性；铝的导热系数比普通钢大，热效率也高，为耐腐蚀起见往往有涂层；铜的导热好、耐腐蚀、易加工，但与普通钢、铝相比价格相对高。对吸热体的技术要求常用吸热体材料平板型集热器吸热体的主要结构型式管板式翼管式扁盒式蛇管式管板式吸热体特征：将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带

结合方式：热碾压成型，高频焊接，超声焊接等

铜铝复合条(热碾压成型)优点：

a.热效率高：热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无结合热阻

b.水质清洁：太阳条接触水的部分是铜材，不会被腐蚀

c.保证质量：生产过程完全机械化

d.耐压能力强：用高压空气吹胀成型主要有铜铝复合吸热板和全铜管板吸热板

翼管式吸热体特征：利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有冀片的吸热条带优点：

a.热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻

b.耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。缺点：

a.水质不易保证，铝合金会被腐蚀b.材料用量大，工艺要求管壁和冀片都有较大的厚度c.动态特性差，吸热板有较大的热容量扁盒式吸热体特征：扁盒式吸热板是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。优点：a．热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻b．不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。缺点：a.焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢b.耐压能力差，焊点不能承受较高的压力c.动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大热容d.有时水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀主要材料有铝合金或不锈钢以及镀锌钢等。蛇管式吸热体特征：蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形。优点：a.不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性b.热效率高，无结合热阻；c.水质清洁，钢管不会被腐蚀；d.保证质量，整个生产过程实现机械化；e.耐压能力强，钢管可以承受较高的压力。缺点：a.流动阻力大，流体通道不是并联而是串联；b.焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。将金属管弯曲成蛇形，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。（2）集热器盖板1.透过太阳辐射（0.3－2μm)让其投射在吸热板上2.保护吸热板，不受灰尘和雨雪的侵蚀3.形成温室效应，使集热器内获得较高的温升，阻止吸热板通过对流和辐射向周围环境散热(长波辐射2.0μm以上）。具有高全光（太阳）透射比；红外透射比低；有较高的耐冲击强度；有良好的耐候性（适应各种气候条件）；导热系数小，隔热性能好；便于加工。盖板的技术要求：盖板的作用：国标（GB/T6424-1997）规定太阳盖板的透射比不应低于0.78透射比又称投射系数，是透过材料或介质的光通量与入射通量之比。透明盖板材料目前常用的透明盖板材料有普通玻璃、钢化玻璃、透明玻璃钢和透明塑料等。普通玻璃的透光率较高，红外反射率低，抗老化能力强；钢化玻璃有优秀的力学性能；透明塑料的透光率较高，但容易老化，目前仅用于内层盖板。普通玻璃、钢化玻璃和透明玻璃钢在用作盖板时，往往都采用涂膜的方法以减少太阳光的反射而造成的热损失。涂层材料往往都是SnO2、TiO2、Ag/TiO2、ZnS/Ag/ZnS等。涂层的制备方法有气体沉积法、热喷涂法和化学热解法。优点：红外透射比低导热系数小耐侯性能好两个主要问题：太阳透射比很低，一般3mm厚均在0.8以下（国外0.91）冲击强度问题，很容易破碎普通玻璃盖板——即玻璃纤维增强塑料板优点太阳透射比高导热系数小冲击强度高缺点红外透射比耐侯性能-紫外线破坏玻璃钢板集热器盖板层数无盖板:适用夏季游泳池加热，成本低廉，加热水温低，流量大单层盖板（普通黑漆）:适用于春夏秋三季生产40-46

C低温生活热水单层盖板（选择性涂层）:适用于春夏秋三季生产60-70

C低温生活热水双层盖板（选择性或非选择性涂层）:用于环境寒冷地区，但由于光学效率降低，影响总体效率涂层的性能直接影响吸热板的热性能。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的集热器应采用选择性涂料。满足高的太阳吸收比＋低的发射率要求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。制备方法涂层材料发射率喷涂硫化铅、氧化钴、氧化铁等0.3~0.5化学氧化铜、氧化铁0.18~0.32电化学黒铬、黑镍、黑钴0.08~0.20真空蒸发黑铬/铝、硫化铅/铝0.05~0.12磁控溅射铝-氮/铝、铝-氮-氧/铝0.04~0.09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。盖板与吸热板的距离国内外文献提出不同数值共同点是应大于20mm隔热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。隔热层的技术要求：保温性好，即材料导热系数小，一般要求

0.55W/m2

℃；不易变形或挥发，不产生有毒气体，不吸水。（3）隔热层集热器隔热材料选择绝热性能:决定于导热系数，需考虑温度、湿度等的影响耐热性:其耐热温度应高于集热器的闷晒温度抗腐蚀性:不得对吸热体和其它部件产生腐蚀作用机械强度:为增强集热器机械强度隔热层的材料有：岩棉、矿棉、聚苯乙烯、硅酸铝纤维、聚氨酯发泡塑料等。隔热层的厚度一般控制在15－30mm，也可用下面经验公式来计算：式中

100

——保温材料在100℃时的导热系数，W/(m.K)。（4）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。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。—入射太阳辐射能，W；

—集热器输出的有用能量，W；

—集热器对周围环境的总散热热损失，W；

—集热器本身的储能（热容变化量），W。盖层系统的光学性质透过率与入射光谱的函数关系不同含铁量玻璃的光谱透过率

聚氟乙烯膜的光谱透过率

集热器的的总热损系数集热器总热损系数：集热器中吸热板与周围环境的传热系数。集热器的热损失示意图

集热器的总热损失量QL由顶部、边缘及底部热损失三部分组成，即：式中，Qt、Qb、Qe——顶部、底部、侧面散热损失，W；

Ut、Ub、Ue——顶部、底部、侧面热损系数，W/(m2·K)；

At、Ab、Ae——顶部、底部、侧面面积，m2；

Tp、Ta——吸热体、环境温度，K

UL——吸热板对环境的总热损系数，W/(m2·K)。减少集热器热损失的途径（1）减少吸热板与透明盖板之间的对流热损失（2）减少吸热板与透明盖板之间的辐射热损失（3）增加透明盖板层数。可同时减少吸热板与透明盖板之间的对流及辐射热损二、真空管型太阳集热器真空集热器：将吸热体与透明盖层之间抽成真空的太阳集热器主要特点：减少集热器的传导、对流和辐射热损失从受力情况和密封角度，通常将真空太阳集热器基本单元做为圆管形状，而不是平板将吸热板与透明盖层之间的空间抽成真空，存在两个困难：1m2的透明盖板上将有10000kg左右的压力；气密性达不到要求。真空管集热器分类基本结构——全玻璃真空管集热器，吸热体由玻璃管组成，真空管内装水改进形式：吸热体由金属制成——金属吸热体真空管集热器，或者称为金属-玻璃真空管集热器。带有金属片的热管插入真空集热管——热管式真空管集热器；带有金属片的U形管插入真空集热管——U形管式真空管集热器；此外还有同心套管式、储热式、内聚光式和直通式等（1）全玻璃真空管集热器1、内玻璃管；2、外玻璃管；3、选择性吸收涂层；4、真空夹层；5、弹簧支架；6、消气剂拉长的暖水瓶胆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）选择性吸收涂层真空管选择性吸收涂层采用选择性涂层作为吸热体的光热转换材料，要涂层有高的太阳吸收比，低的发射率，良好的真空性能，耐热性能。采用磁控溅射技术的多层（渐变）铝－氮/铝选择性吸收涂层，光吸收率可达0.93，红外发射率约为0.05（80℃）三高管耐高温、抗高寒、高效吸收的“三高”管，采用干涉吸收型超低发射比镀膜，解决了传统的渐变型选择吸收镀膜的反射曲线不陡峭，发射比随温度升高显著增大的问题。全玻璃真空管集热器排列方式（2）热管真空管集热器热管工作原理管子的一端为蒸发段，吸收热量，另一端为冷凝段释放热量。当管子的蒸发段被加热时，液体在网中气化，蒸发的蒸汽从管心流向冷凝段，蒸汽向外部释放热量，重新凝结为液体，再流回蒸发段。铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠

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热管式真空管的特点热效率高：最高运行温度可达100℃.最高闷晒温度可达250℃.工作温度为70℃-120℃热启动快：在阳光下2分钟即可输出热量。特殊的防冻技术：即使在-50℃的严寒下仍能正常工作而无冻损之忧。高真空度，不结垢，承压能力大全天候运行：天气多变的南方和寒冷的北方全年运行使用寿命长：使用寿命可长达12年主要包括：同心套管式、U形管式、储热式、内聚光式和直通式等。（3）其他型式金属吸热体真空管集热器（1）同心套管式真空管集热器由同心套管、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。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。（2）U形管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。（3）储热式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：运行温度高（100～150℃）；不需要跟踪系统。（4）内聚光真空管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：运行温度高，抛物面聚光镜的开口可以做得很大，使得集热器的聚光比很高，温度可高达300～400℃；比较易于组装。（5）直通式真空集热器运行温度高。所有集热器的运行温度可达70～120℃，有的集热器甚至可达300～400℃；承压能力强。所有真空集热管及其系统都能承受自来水或循环泵的压力，多数集热器还可用于产生106Pa以上的热水甚至高压蒸汽；耐热冲击性能好（抗热震性能）。承受急剧的冷热变化。金属吸热体真空管集热器的特点带反光板的真空管集热器目的：增强光照，提高集热效率CPC聚光板效果好于平板反光板存在问题：易积尘积雪，不通风应结合当地地理气候条件合理选择平板型集热器和真空管集热器的性能比较国外应用现状平板集热器85%～90%耐压系统防冻——双回路二次循环国内应用现状真空管集热器85%多为常压系统防冻-放空我国以简单、实用、价廉为主60三、聚光型集热器利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳集热器称为聚光型集热器。聚光型集热器相当于在平板型集热器或真空管集热器中附加了一个辐射聚光器，提高了辐射热的吸收，同时也附加了聚光器的散热损失和光子损失。注意：带有反射器的平板型集热器或集热管背后有反射器的真空管集热器都为聚光型集热器61聚光镜只能聚焦直射光，所以聚光型集热器通常设置跟踪装置，目的是保持聚光镜的采光面与太阳直射相垂直。提高聚光型集热器的热效率，必须使接收器具有高吸收率和低发射率，解决的办法是在接受器表面制备选择性吸收涂层。跟踪方式连续跟踪型间歇跟踪定时跟踪（程序控制式）：通过程序计算控制太阳检测跟踪（传感器式）：利用传感器检测太阳入射光方向聚光比太阳光并不是完全平行的，其发散角

D=32。入射的太阳辐射经聚光器后形成焦平面。聚光比仅依赖于抛物面边缘的角度R。当R=/2时达到最大聚光比。实际可达5000～8000最高集热温度当聚光比最大时，集热温度达到最高。吸热体可能达到的最高温度理论值为：最大吸热体温度与聚光比的关系聚光比和吸热体理论温度与聚光器边缘角度的关系聚光型集热器的能量损失镜面的不完全反射由于加工技术的局限性产生的镜面光学误差方位误差吸热体表面的反射吸热体的长波辐射吸热体的对流损失产生原因聚光型集热器的能量损失由于加工技术的局限性产生的镜面光学误差聚光型集热器的能量损失方位误差：镜面不能精确地跟踪太阳光轴定位，或者吸热体不是精确地位于焦点上聚光比允许定位误差3～10

1

～

3

10～500

0.1

～

1

聚光型集热器的能量损失镜面的不完全反射即，有7%～24%的太阳入射辐射没有反射给吸热体聚光型集热器的能量损失吸热体表面的反射即，镜面反射到吸热体的辐射有2%～14%又被吸热体反射聚光型集热器的能量损失吸热体的长波辐射波尔兹曼常数聚光型集热器的能量损失吸热体的对流损失吸热体能量平衡方程（不考虑反射面的几何误差和跟踪系统的定位误差）四、集热器效率

在稳态(或准稳态)条件下，集热器传热工质在规定时段(通常为5～15min)内输出的能量与同一时段内入射在集热器所规定的集热面积（总面积、吸热体面积或采光面积）上的太阳辐射能量之比集热器面积四种定义：吸热体面积、采光面积、轮廓采光面积、总面积。瞬时效率测试时间段集热器平面平均太阳辐照度集热器面积吸热体面积AAN（absorberarea）采光面积Aa（aperturearea）注：采光面积不包括那些当太阳辐射从垂直于采光平面方向入射时太阳辐射被遮挡的透明部分集热器总面积AG（grosscollectorarea）轮廓采光面积Ac（contouraperturearea）对于非聚光型集热器，是指吸热体的最大投影面积。不包括那些当太阳辐射从垂直于采光平面方向入射时太阳辐射不能到达的部分对于聚光型集热器，是指用于吸收太阳辐射的吸热体表面积。非会聚太阳辐射进入集热器的最大投影面积太阳光投射到集热器的最大有效面积整个集热器的最大投影面积。不包括那些固定和连接传热工质管道的组成部分（集热器采光平面上包括外壳边框在内接收太阳辐射的最大投影面积）Aa＝L2×W2

无反射板的平板型集热器采光面积无反射板的真空管集热器采光面积在《太阳能集热器热性能试验方法GB/T4271-2007》中，取罩玻璃管外径Do。有反射板的平板型集热器采光面积Aa＝L2×W2

Aa＝L2×W2

有反射器的真空管集热器采光面积中国太阳能热水器的日有用得热量、贮水温度等热性能监测都是基于轮廓采光面积得到的数据轮廓采光面积Ac非聚光型集热器的吸热体面积非聚光型集热器的吸热体面积当为聚光型集热器时，真空管集热器的吸热体面积为管表面积集热器总面积式中:η——以T*为参考的集热器集热效率，%；η0——T*=0时的集热器集热效率，%；U——以T*为参考的集热器总损失系数，W/(m2

K)；T*——归一化温度，，(m2

K)/W；tin——集热器工质进口温度，℃；ta——当地集热时平均室外环境温度，℃；a1、a2——以T*为参考的常数；G——计算期平均太阳辐照度，W/m2；式中：Hy为当地集热器采光面上的太阳总辐照量，kJ