太阳能转化原理与技术课件-第六章太阳能集热器

太阳能转换原理与技术6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器平板型太阳能集热器的工作原理原理：太阳辐射透过透明盖板并照射在表面涂有选择吸收性涂层的吸热体上，吸热体吸收太阳辐射并将其转化为热能后温度升高，吸热体再将热量传递给流经金属流道内的传热介质，从而使传热介质的温度提升。传热介质在平板型太阳能集热器内不断循环升温，从而实现利用太阳能加热的目的。平板型太阳能集热器的几何聚光比为1，即采光面积等于集热面积，不具备聚光的功能，因此，平板型太阳能集热器只能提供低温热源，其集热温度通常为50~70℃。平板型集热器特点采光面等于集热面；集热面可以采集太阳能直接辐射能、散射辐射能和反射辐射能；集热面固定安装，不跟踪太阳位置；热损失系数较大，工作温度通常在80℃以下；结构简单，成本较低。平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。吸热板：集热器吸收太阳辐射并向流提供之传递热量的部件。材料：铜、铝合金平板、不锈钢、铜铝复合材料等。要求：提高吸收率、降低发射率平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。透明盖板：平板集热器中覆盖吸热板并由透明或半透明材料组成的板状部件。作用：透射太阳光、保护吸热板、形成温室效应（尽量让0.3-3μm的太阳总辐射进入，不让3.0μm的长波波长出去）。层数的要求：单层居多；北方地区可以采用双层。极少情况用三层或以上（降低太阳透射比）平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。保温层：平板型集热器中抑制吸热板经传导向周边环境散热的部件要求：导热系数；厚度（30-50mm）。材料：<0.05W/(m℃)，岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。外壳：保护固定吸热板、透明盖板和保温层的部件要求：强度、刚度、密封、耐腐蚀材料：铝合金、不锈钢、碳钢、玻璃钢平板型太阳能集热器的能量平衡方程单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能式中，Is为单位时间单位面积吸热体吸收的太阳辐射能，W/m2；

Ac为集热面积，m2。单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能解：本题需要分别考虑直射辐射、散射辐射和地面反射辐射三种情况。单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失（1）顶部热损失单位时间内集热器的热损失吸热体与玻璃盖板的辐射和对流换热单位时间内集热器的热损失吸热体与玻璃盖板的辐射和对流换热单位时间内集热器的热损失hpg,conv的计算可以采用Hollands提出的实验关联式单位时间内集热器的热损失玻璃盖板与环境之间的传热方程单位时间内集热器的热损失（1）顶部热损失单位时间内集热器的热损失（2）底部和侧面热损失式中，λc为隔热层的导热系数，W/(m·K)；δb为底部隔热层的厚度，m；δe为侧面隔热层的厚度，m。单位时间内集热器的热损失（3）集热器的总散热损失式中，kL为集热器的总传热系数，W/(m2·K)。单位时间内集热器的热损失例题6‑2单层玻璃盖板的集热器，其长、宽、高分别为10m、3m和75mm，玻璃盖板与吸热体的间距为25mm，吸热体的发射率εp=0.95，环境温度ta=10℃，玻璃盖板与环境之间的对流表面传热系数hw=10W/(m2·K)，吸热体的平均温度为tp=100℃，玻璃盖板的发射率εg=0.88，集热器倾角为β=45°。隔热层的导热系数为λ=0.045W/(m2·K)，底部隔热层的厚度为50mm，侧面隔热层的厚度为25mm，求吸热体与环境之间的顶部传热系数、底部传热系数和侧面传热系数，最后求集热器的总传热系数。单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器是以空气为传热介质的平板型太阳能集热器，主要用于太阳能干燥、建筑采暖和海水淡化等。与液体传热介质相比，用空气作为传热介质不存在冬季的结冰问题、液体的渗漏或吸热板的承压等问题，加热后的空气可直接用于干燥或供热，无需设置换热器。由于空气的导热率、密度和比热容都远小于液体传热介质，在相同条件下，太阳能空气集热器效率较低，风机输送消耗功率更大。太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器与平板型太阳能集热器在结构上大体相似，都有壳体、透明盖板、吸热体和隔热体等部件。但是，二者的吸热体结构有较大差异。平板型太阳能集热器的吸热体包含吸热板和金属流道，而太阳能空气集热器的吸热体只有吸热板，空气在吸热板上方或下方的空间流动。此外，根据空气是否能穿过吸热板，太阳能空气集热器又可分为非渗透型空气集热器和渗透型空气集热器两类。太阳能空气集热器的分类

非渗透型太阳能空气集热器中，空气流不能穿过吸热板，因此，空气可以在吸热板正面流动，可以在吸热板背面流动，也可以同时在吸热板的正反两面流动。相比而言，当空气在吸热板正面流动时，吸热板与玻璃盖板之间的对流散热损失将增加，因此，空气在吸热板背面流动的设计更为常见。非渗透型太阳能空气集热器的主要优点为结构简单且价格低廉，主要缺点为空气与吸热板之间的换热不够充分。为了增加空气与吸热板之间的换热性能，通常可将吸热板背面加工得粗糙些，以增加气流扰动，提高对流传热系数；同时，可以在吸热板背面增加肋片或者波纹等结构，以增加传热面积或气流扰动，从而达到强化对流传热的目的。太阳能空气集热器的分类

渗透型太阳能空气集热器，又称为多孔吸热板型空气集热器，有金属丝网式、蜂窝结构式、重叠玻璃板式、碎玻璃多孔床式等不同结构，是针对改进非渗透型太阳能空气集热器而设计的。一方面，由于太阳辐射可以更深地透射到多孔吸热板之中，吸热板的太阳吸收率更高，空隙的存在相当于增加了空气与吸热板之间的换热面积，因此，渗透型太阳能空气集热器的传热效果更好；另一方面，由于单位截面上的流通面积更大，在同等空气体积流量下，渗透型太阳能空气集热器的流动阻力更低。太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器是以空气为传热介质的平板型太阳能集热器，主要用于太阳能干燥、建筑采暖和海水淡化等。与液体传热介质相比，用空气作为传热介质不存在冬季的结冰问题、液体的渗漏或吸热板的承压等问题，加热后的空气可直接用于干燥或供热，无需设置换热器。由于空气的导热率、密度和比热容都远小于液体传热介质，在相同条件下，太阳能空气集热器效率较低，风机输送消耗功率更大。太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的阻力分析6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器全玻璃真空集热管的结构全玻璃真空集热管由内玻璃管、外玻璃管、弹簧支架、消气剂等组成。真空管集热器真空管集热器是将吸热体与透明盖层之间抽成真空的太阳能集热器。优点：（1）消除了气体的对流和传导热损（2）采用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低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-消气剂全玻璃型真空管集热器全玻璃真空管集热器由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成。优点：（1）透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小；（2）全年使用时间长；（3）制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低。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-消气剂封接：一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状分接，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。排气嘴：在外玻璃管端尾部一般粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。选择性吸收涂层：内玻璃管吸气剂：维持真空度金属吸热体真空管集热器金属吸热体真空管集热器工作温度高、承压能力大、耐热冲击。热管式真空集热器构成：热管、铝翼、集热管、联集箱等集热过程描述：太阳光透过集热管，照射在集热管内管的选择性吸收膜上，将太阳能转化为热能，热量通过铝翼传递到内置热管上，迅速将热管蒸发段内的工质加热至冷凝段，使冷凝段快速升温，并通过冷凝套管将能量传导、汇集至通过流道管的介质(水、乙二醇等)中；热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体、在重力作用下流回热管蒸发段，接收集热管的热量后，再次上升汽化，然后冷凝回流，循环往复工作。金属吸热体真空管集热器集热过程描述：太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在内层玻璃吸热管上。吸热管将太阳辐射能转换为热能，通过吸热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质，使工质不断升温。同时，被加热的吸热管也会向周围环境散热。U型管式真空集热器储热式真空集热器构成：玻璃管、储热管、内插管。吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层。集热过程描述：白天太阳辐射能被吸热管转化成热能后直接用于加热管内的水，使用时冷水通过内插管逐渐注入，并将热水从吸热管顶出。夜间由于有真空隔热吸热，管内的热水温度降的很少。特点：（1）不需要附加储水箱，真空管本身既是吸热管，又是储水箱；（2）打开自来水龙头后，热水可立即放出。金属吸热体真空管集热器构成：真空玻璃管、吸热管、翅片等翅片装于吸热管外，吸热管和翅片装有选择吸收性涂层，两端用可伐合金封接直通式真空集热器同心套管式真空集热器太阳光穿过玻璃管，投射在金属吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，传热介质从内管进入真空管，被吸热板加热后，通过外部玻璃管流出。内聚光式真空集热器内聚光真空集热管采用CPC（复合式抛物面）设计，可以令正射光线和斜射光线均反射到吸热管上，无需跟踪。全玻璃真空集热管的热性能分析（1）投射到集热管正面的直射太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（2）投射到集热管正面的散射太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（3）直射辐射经反射板反射到集热管上的太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（4）直射辐射经反射板反射到集热管上的太阳辐照度式中，Fdt为散射光带对集热管的辐射角系数，当W=2d2时，Fdt≈0.34。单位时间内投射到真空集热管的太阳辐射能真空集热管的主要散热途径为先经过内外玻璃管之间的辐射换热，再经过外玻璃管与环境的对流和辐射换热。6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器6.4.1抛物面槽式聚光器（1）反射镜作用：将太阳能反射到抛物面槽式吸热器，因此，需要提升反射镜的加工精度，提高并保持反射镜的镜面反射率反射镜的镜面反射率就是在规定的光源和接收角条件下，样品在镜面反射方向的反射光通量与入射光光通量的比值。反射镜的镜面反射率会随着时间推移逐渐下降。抛物面槽式集热器示意图6.4.1抛物面槽式聚光器（2）支架作用：支架是反射镜和抛物面槽式吸热器的支撑机构，也是反射镜跟踪的传动机构要求：支架应与反射镜紧密贴合，防止镜面变形损坏；支架应有足够的刚度、强度、抗风性、耐候性和抗疲劳能力，以抵御转动时产生的扭矩并满足寿命要求；支架重量还应尽量小，以便于传动并减少跟踪能耗。6.4.1抛物面槽式聚光器（3）跟踪机构作用：太阳入射角越大，余弦损失越大。为了降低抛物面槽式聚光器的余弦损失，跟踪机构需要调整抛物面槽式聚光器开口朝向，以尽可能时时刻刻减少太阳入射角。水平东西轴跟踪条件下的太阳入射角水平南北轴跟踪条件下的太阳入射角（1）玻璃外管（目标：提高透光率）特点：（保护）防风防水防沙→玻璃材料应当硬度高、耐化学腐蚀（热稳定）辐照频繁变化，玻璃外管温度波动性大→玻璃材料应当具有热稳定性（高硼硅玻璃）（安全）金属内管受热弯曲→玻璃管的直径不宜太小（115-120mm，厚度3-5mm）对光热转化的影响：玻璃外管的透射率。硼硅玻璃（92%），使用凝胶-溶胶工艺在玻璃管外沉积减反射膜，可以使得透光率增加到97%以上。6.4.2抛物面槽式吸热器（2）金属内管：金属内管是抛物面槽式吸热管的吸热部件。①直径要求：热学要求+光学要求光学要求：光斑要打在吸热管，直径越大越容易满足要求热学要求：直径越大，散热面积就会增加。通常选取：开口宽度5-6m时，70mm。②涂层要求：外表面应涂有选择性吸收涂层。（提高金属管对可见光区和近红外光区有高吸收率，降低在远红外区的发射率）③材料要求：导热性强、结构强度、耐腐蚀性、焊接方便321H，316L，304L6.4.2抛物面槽式吸热器（3）金属-玻璃封接件方式：在金属管和玻璃管两端焊接可伐合金，可伐合金与金属管之间需要放置金属波纹管，以缓解金属管在高温工作下由于轴向热膨胀产生的热应力。（4）金属管与玻璃管之间的真空夹层作用：金属管与玻璃管之间的夹层需要抽真空，其主要目的在于减少金属管与玻璃管之间的对流散热。在高温工作条件下，各部件及传热介质可能会释放气体并渗透到此夹层并破坏其真空度。为了保持真空度，夹层内会放置吸气剂，用于吸附夹层内的氮气、氧气、氢气和氦气等气体。6.4.2抛物面槽式吸热器6.4.3抛物面槽式聚光器的光学效率聚光器的光学效率（ηopt）是指金属管表面接受的太阳能量与入射在聚光