第2 章 太陽(yáng)能集熱器

1、第2章 太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器是吸收太陽(yáng)輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置，是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的核心設(shè)備。太陽(yáng)能集熱器可以按多種方法進(jìn)行分類。按照傳熱工質(zhì)的類型，可以分為液體集熱器和空氣集熱器；按照進(jìn)入采光口的太陽(yáng)輻射是否改變方向，可以分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器；按照集熱器內(nèi)是否有真空空間，可以分為平板型集熱器和真空管集熱器；按照集熱器的工作溫度范圍，可以分為低溫集熱器、中溫集熱器和高溫集熱器。本章主要介紹平板型集熱器、真空管集熱器和聚光型集熱器。第1節(jié) 平板型集熱器平板型集熱器一般在100以內(nèi)的低溫范圍內(nèi)應(yīng)用，它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格也比較低廉。多用于家庭供暖、供熱水以及工

2、農(nóng)業(yè)的低溫供熱。一、集熱器的結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)，平板型集熱器由下列5個(gè)部件組成，如下圖所示。(1)吸熱體 吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給工質(zhì)。(2)蓋層 允許太陽(yáng)輻射透過(guò)但阻礙吸熱體的長(zhǎng)波輻射以減少吸熱體的熱損。(3)保溫層 減少吸熱體不直接吸收太陽(yáng)輻射部分的熱損。(4)工質(zhì)及流動(dòng)通道 使工質(zhì)能與吸熱體發(fā)生熱接觸。集熱器的工質(zhì)為流體(液體或氣體)。(5)支架及框架 將集熱器的各個(gè)部分連接成一個(gè)整體并支撐其重力。下圖是典型的平板型集熱器的示意圖。液體集熱器用水或者水-防凍劑混合物作為工質(zhì)，有時(shí)也用輕油、硅油、乙烯等作為工質(zhì)。氣體集熱器以空氣為工質(zhì)。大多數(shù)液體集熱器都采用管-平板結(jié)合式吸熱體，管子可以在板

3、的前面、后面或與板焊接成一個(gè)整體，有時(shí)也采用波紋金屬板作為吸熱體氣體集熱器則利用吸熱體與蓋層之間的通道或吸熱體背后的通道，使空氣與吸熱體發(fā)生熱接觸；為了增大傳熱系數(shù)，還采用攪拌器、肋片和波紋狀吸熱體以及多孔吸熱體等。下圖所示為以液體為工質(zhì)的吸熱體的幾種形式。蓋層既可以使用玻璃，也可以采用透明塑料，層數(shù)則由集熱器的用途及其使用地點(diǎn)而定。在低緯度處，通常只需一層，但在中高緯度處，則有時(shí)需要兩層甚至三層，以防止過(guò)多的熱損失。所有蓋層都必須對(duì)太陽(yáng)輻射具有高透射率，而對(duì)于熱輻射則具有低透射率。在集熱器的背面和四周，必須放置足夠的保溫材料以減少熱損，至于具體的數(shù)量則由成本、用途、地點(diǎn)以及設(shè)計(jì)而定。二、光學(xué)

4、特性吸熱體是低溫集熱器的最重要的部件，要求其對(duì)太陽(yáng)輻射具有較高的吸收率，良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)對(duì)于工作溫度下的低溫長(zhǎng)波輻射的發(fā)射率較低。黑體可以吸收所有波長(zhǎng)的輻射，吸收率最大，=1。根據(jù)基爾霍夫定律，黑體也具有最大的發(fā)射率。吸熱體對(duì)輻射的吸收和發(fā)射依賴于波長(zhǎng)。利用這一點(diǎn)，可以對(duì)吸熱體表面覆蓋選擇性涂層。選擇性涂層在可見(jiàn)光區(qū)域具有很高的吸收率，但在紅外區(qū)域具有很小的發(fā)射率。有很多選擇性涂層在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收率與紅外區(qū)域的發(fā)射率之比，即/都很高，如黑鎳、黑鋅、黑鉻等。利用選擇性涂層，平板型集熱器具有較好的性能，但是也有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)選擇性涂層對(duì)高溫和氣候條件比較敏感；(2)成本較高。對(duì)于不透明的吸收

5、表面，有+=1，其中為反射率。所以有： =1。下圖所示顯示了一個(gè)選擇性吸收器的反射率的變化。在短波區(qū)域，反射率很小，即很大；而在長(zhǎng)波區(qū)域， 很大，即很小，或者很小。吸熱體上面的蓋板應(yīng)該具有很高的短波輻射透射率()和較低的長(zhǎng)波輻射透射率。根據(jù)公式+=1，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率。事實(shí)上，蓋板對(duì)輻射的吸收，不論是在短波區(qū)域還是在長(zhǎng)波區(qū)域都要比較小。如下表所示，玻璃在可見(jiàn)光區(qū)域透射率約為97%，在紅外區(qū)的吸收率約為94%。根據(jù)基爾霍夫定律，紅外區(qū)的高吸收率導(dǎo)致高發(fā)射率，使得輻射熱損失增加。通過(guò)噴涂在紅外區(qū)域透明的涂層(如氧化銦(In2O3)，氧化鋅(ZnO2)，可以大大減少紅外輻射熱

6、損失。下圖顯示了這種選擇性蓋板的光學(xué)特性。與吸熱體的選擇性涂層類似，這些涂層暴露在高溫環(huán)境和不同的氣候條件下，性能會(huì)下降，同時(shí)，成本也比較高。低溫集熱器可以有不同的設(shè)計(jì)，但主要的標(biāo)準(zhǔn)就是能夠向工質(zhì)有效傳熱。三、平板型集熱器的能量分析1、平板型集熱器的能量平衡根據(jù)圖下，可以得到平板型集熱器吸熱體的能量平衡方程如下：其中，QA為吸熱體接收的太陽(yáng)輻射；Qu為工質(zhì)獲得的有效熱；QL為吸熱體的熱損失。熱損失可以表示為其中，Qk為吸熱體的傳導(dǎo)熱損失，W；Qc為吸熱體的對(duì)流熱損失，W；Qr為吸熱體向外的長(zhǎng)波輻射熱損失，W。在實(shí)際工程中，熱損失常用下式表示：其中，Qb為集熱器背面熱損失，W；Qs為集熱器側(cè)面熱

7、損失，W；Qf為集熱器正面熱損失，W。2、能量損失分析平板型集熱器的熱損失QL可以表示為其中，T為吸熱體溫度，K；T 為環(huán)境溫度，K；Ac為集熱器面積，m2；UL為總熱損系數(shù)，W/(m2K)，為正面熱損、背面熱損、側(cè)面熱損之和，即(1)背面熱損背面熱損主要包括傳導(dǎo)熱損和對(duì)流熱損。典型的平板型集熱器在吸熱體的背面裝有保溫層，如下圖所示，其熱導(dǎo)率為k，厚度為t。利用熱阻的概念，可以得背面的熱阻Rb為其中，Ri和Rc分別表示保溫層熱阻和對(duì)流熱阻；hb為對(duì)流傳熱系數(shù)。所以，集熱器通過(guò)背面的熱損速率為式中，Ab表示背面的面積，Tb，為背面的氣溫。上式與前式比較，可得其中大多數(shù)集熱器都采用很厚的保溫層，且

8、所用材料的熱導(dǎo)率都很低。因此，t/k常遠(yuǎn)大于1/hb，故背面熱損系數(shù)簡(jiǎn)化為對(duì)常用的平板型集熱器，Ab=Ac，且Tb，=T ，此時(shí)背面熱損系數(shù)即簡(jiǎn)化為k/t。(2)側(cè)面熱損側(cè)面熱損主要由熱傳導(dǎo)和對(duì)流造成。平板型集熱器的側(cè)面通常由框架與保溫層構(gòu)成，如下圖所示。由于框架的內(nèi)部面對(duì)幾種不同的溫度，故側(cè)面?zhèn)鳠釕?yīng)是二維的。為了獲得關(guān)于側(cè)面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比較保守的估計(jì)，可以假定框架內(nèi)部的溫度處于最高可能的溫度(即吸熱體溫度T)，這樣傳熱就變?yōu)橐痪S的?？梢缘玫絺?cè)面熱阻Rs為其中，tm和km分別為框架的厚度和熱導(dǎo)率；hs為側(cè)面的對(duì)流傳熱系數(shù)。從而集熱器通過(guò)側(cè)面的熱損速率為式中，As為垂直于傳熱方向的側(cè)面總面積，一般

9、即等于側(cè)面的高度與周長(zhǎng)的乘積。與式比較，可得其中由于通?？蚣苁怯杀〗饘僦瞥傻?，即tm很小，且t/k遠(yuǎn)大于1/hs，如果Ts，=T，則側(cè)面熱損系數(shù)可以簡(jiǎn)化為(3)正面熱損集熱器正面的熱損通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種方式同時(shí)發(fā)生。傳導(dǎo)通過(guò)蓋層發(fā)生，而對(duì)流和熱輻射則在吸熱體和蓋層的空隙之間以及最外層蓋板與周圍空氣之間發(fā)生，如下圖所示。設(shè)所考慮的集熱器具有兩層蓋板，則在等效熱回路中的各種熱阻如下：Rc，1：風(fēng)力造成的對(duì)流熱阻；Rr，1：外層蓋板與天空之間的輻射熱阻；R12：外層蓋板的傳導(dǎo)熱阻；Rc，23：在兩層蓋板之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；Rr，23：兩層蓋板之間的輻射熱阻；R34：內(nèi)層蓋板的傳導(dǎo)熱阻；Rc

10、，45：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；Rr，45：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間的輻射熱阻。整個(gè)正面熱回路的凈有效熱阻Req為正面熱損系數(shù)Uf即為Req的倒數(shù)，且通過(guò)集熱器正面的熱損速率為給定環(huán)境溫度和吸熱體溫度后，可以通過(guò)熱阻回路的分析求得蓋層表面的溫度。例如，內(nèi)蓋層外表面的溫度即為綜上所述，求解Uf的步驟為：(1)預(yù)估T1，T2，T3和T4的值；(2)根據(jù)估計(jì)值求出所有熱阻；(3)利用熱阻求得正面熱損系數(shù)Uf；(4)利用Uf計(jì)算Qf；(5)根據(jù)熱回路圖重新計(jì)算T1，T2，T3和T4的值；(6)利用這些新的溫度值，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到誤差在給定范圍內(nèi)。四、集熱器的效率集熱器獲得的太陽(yáng)輻射為其中，

11、Ig為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；為總透射率；為吸熱體的吸收率；Ac為集熱器面積，m2。因此熱損失可以表示為其中，UL為吸熱體的總熱損系數(shù)，W/(m2K)；T為吸熱體溫度，K； T為環(huán)境溫度，K。由上面兩式可以得到因此，單位集熱器吸熱體面積得到的有效能量就是集熱器的熱效率定義為其中，0=，為吸收率與透射率的乘積，通常稱為光學(xué)效率或轉(zhuǎn)換系數(shù)。1、光學(xué)效率計(jì)算計(jì)算光學(xué)效率，首先要確定蓋板的總透射率。(1)確定反射系數(shù)下圖表示了地面太陽(yáng)輻射的兩個(gè)主要分量直射輻射和散射輻射通過(guò)透明蓋板的情況。通常，反射率和透射率可以用下式表示：其中，下標(biāo)b和s分別表示直射輻射和散射輻射，下標(biāo)R和e分別代表入射輻射的反射和

12、透射部分。蓋板內(nèi)的輻射實(shí)際上是經(jīng)過(guò)了多次反射，如下圖所示。利用菲涅爾(Fresnel)公式，反射率可以表示為其中，1和2分別為入射角和折射角。根據(jù)光的折射定律，有其中，n1，n2分別為空氣和玻璃的絕對(duì)折射率；n21為玻璃相對(duì)于空氣的相對(duì)折射率。將上式帶入前式，可得(2)只考慮反射現(xiàn)象的透射率計(jì)算只考慮入射光在玻璃蓋板上下界面上的多次反射和透射，不考慮玻璃吸收的情況，則總輻射中穿過(guò)玻璃蓋板的透射率r計(jì)算如下。經(jīng)過(guò)1次，2次，3次， ，n次，反射，各次透過(guò)玻璃蓋板的輻射量可以表示為總的透過(guò)輻射是故類似地，可以得到N層蓋板的透射率：(3)只考慮吸收現(xiàn)象的透射率計(jì)算玻璃的入射輻射中，有一部分會(huì)被玻璃吸

13、收。光線經(jīng)過(guò)的路線越長(zhǎng)，被吸收的就越多。與一般傳輸定律類似，有式中，A為僅考慮吸收情況下玻璃蓋板的透射率；K為吸收系數(shù)，1/m；m為光程，m。如果入射光的入射角為1，折射角為2，封蓋為N層，每層的厚度為t并且具有相同的吸收率，則(4)總透射率N層蓋板的系統(tǒng)的總透射率是r，N和A，N的乘積，即或者其中，2=arcsin(n12sin1)。(5)光學(xué)效率總透射率與吸熱體吸收率的乘積即為光學(xué)效率，如下式所示：2、其他形式的效率方程由于吸熱板溫度不容易測(cè)定，而集熱器工質(zhì)的進(jìn)口溫度Ti和出口溫度Te比較容易測(cè)定，所以集熱器效率方程也可以用集熱器平均溫度Tm來(lái)表示：式中，F(xiàn)為集熱器效率因子，其物理意義是：

14、集熱器實(shí)際輸出的能量與假定整個(gè)吸熱板處于工質(zhì)平均溫度時(shí)輸出的能量之比；T是環(huán)境溫度。盡管集熱器平均溫度可以測(cè)定，但由于集熱器出口溫度隨太陽(yáng)輻照度變化，不容易控制，所以集熱器效率方程也可以用集熱器進(jìn)口溫度Ti來(lái)表示：式中，F(xiàn)R為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，其物理意義是：集熱器實(shí)際輸出的能量與假定整個(gè)吸熱板處于工質(zhì)進(jìn)口溫度時(shí)輸出的能量之比。集熱器熱轉(zhuǎn)移因子與集熱器效率因子之間的關(guān)系為式中，F(xiàn)為集熱器流動(dòng)因子。由于F1，所以FRFFFR，所以 FFR。(3)效率曲線的斜率值表示集熱器總熱損系數(shù)的大小斜率值越大，則集熱器總熱損系數(shù)越大；反之，斜率值越小，則總熱損系數(shù)越小。(4)效率曲線在x軸上的交點(diǎn)值表示集熱器

15、可以達(dá)到的最高溫度當(dāng)集熱器的散熱損失達(dá)到最大時(shí)，集熱器效率為零，此時(shí)集熱器達(dá)到最高溫度，也稱為滯止溫度或悶曬溫度，該溫度為第2節(jié) 真空管集熱器為了減少傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等換熱損失，有人提出了將平板型集熱器吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的真空管集熱器。由于密封工藝和受力強(qiáng)度兩方面的原因，平板型真空管集熱器難以制造。將集熱器的基本單元集熱管抽成真空則是可以實(shí)現(xiàn)的。一臺(tái)真空管集熱器通常由若干只真空集熱管組成，真空集熱管的外殼是玻璃圓管，其內(nèi)部的吸熱體可以是圓管狀、平板狀或其他形狀。由于每臺(tái)真空管集熱器是由若干只真空集熱管組成的，因而真空管集熱器的分類，實(shí)際上主要是真空集熱管的分類。按吸熱體的材料種

16、類，真空管集熱器可分為兩大類。(1)全玻璃真空管集熱器，是吸熱體由內(nèi)玻璃管組成的真空管集熱器。(2)金屬吸熱體真空管集熱器，是吸熱體由金屬材料組成的真空管集熱器，有時(shí)也稱為金屬-玻璃真空管集熱器，其中最具有代表性的是熱管式真空管集熱器。目前，真空管集熱器應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水、采暖、制冷空調(diào)、物料干燥、海水淡化、工業(yè)加熱、熱發(fā)電等諸多領(lǐng)域。一、全玻璃真空管集熱器1、基本結(jié)構(gòu)全玻璃真空集熱管由內(nèi)玻璃管、外玻璃管、選擇性吸收涂層、彈簧支架、消氣劑等部件組成，如下圖所示，其形狀猶如一只細(xì)長(zhǎng)的暖水瓶膽。全玻璃真空集熱管采用一端開(kāi)口，并將內(nèi)玻璃管和外玻璃管的一端管口進(jìn)行環(huán)狀熔封，另一端密閉成半球形圓頭；內(nèi)玻璃

17、管用彈簧支架支撐，而且可以自由伸縮；內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空。內(nèi)玻璃管的外表面涂有選擇性吸收涂層，彈簧支架上裝有消氣劑，用于吸收真空集熱管運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體，保持管內(nèi)真空度。2、改進(jìn)形式由于真空集熱管內(nèi)裝水，在運(yùn)行過(guò)程中若有一只管破裂，整個(gè)系統(tǒng)都要停止工作。對(duì)此，可以采用兩種方法進(jìn)行改進(jìn)：一種是將帶有金屬片的熱管插入真空集熱管中，使金屬片緊靠在內(nèi)玻璃管的內(nèi)表面；另一種是將帶有金屬片的U形管插入真空集熱管中，也使金屬片緊靠在內(nèi)玻璃管的內(nèi)表面。這兩種改進(jìn)形式的全玻璃真空集熱管，由于管內(nèi)沒(méi)有水，不會(huì)因一只破損而影響系統(tǒng)的運(yùn)行，因而提高了產(chǎn)品的可靠性。二、熱管式真空管集熱器熱管式真空集熱管

18、是金屬吸熱體真空集熱管的一種，它由熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑等部分構(gòu)成，如下圖所示，其中熱管又包括蒸發(fā)段和冷凝段兩部分。熱管是利用汽化潛熱高效傳遞熱能的強(qiáng)化傳熱元件。蒸散型消氣劑在高頻激活后被蒸散在玻璃管的真空側(cè)表面，像鏡面一樣，其主要作用是提高真空集熱管的初始真空度；非蒸散型消氣劑是一種常溫激活的長(zhǎng)效消氣劑，其主要作用是吸收管內(nèi)各部件工作時(shí)釋放的殘余氣體，保持真空集熱管的長(zhǎng)期真空度。在熱管式真空集熱管工作時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃管后投射在金屬吸熱板上。吸熱板吸收太陽(yáng)輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，再傳導(dǎo)給緊密結(jié)合在吸熱板中間的熱管，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)迅速

19、汽化。工質(zhì)蒸汽上升到熱管冷凝段后，在較冷的內(nèi)表面上凝結(jié)，釋放出蒸發(fā)潛熱，將熱量傳遞給集熱器的傳熱工質(zhì)。凝結(jié)后的熱管液態(tài)工質(zhì)依靠其自身的重力流回到蒸發(fā)段，然后重復(fù)上述過(guò)程。若干只真空集熱管連接起來(lái)，構(gòu)成真空管集熱器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。當(dāng)熱管式真空管工作時(shí)，每只真空管將熱量從熱管冷凝端釋放出去，然后再通過(guò)導(dǎo)熱塊將熱量傳導(dǎo)給連接管內(nèi)的傳熱工質(zhì)。其結(jié)果是，若干只真空集熱管連續(xù)不斷地加熱傳熱工質(zhì)，使其溫度不斷上升，直到達(dá)到使用的目的。三、其他形式金屬吸熱體真空管集熱器金屬吸熱體真空管集熱器的吸熱體都采用金屬材料，而且真空集熱管之間也都采用金屬件連接。主要應(yīng)用的形式有：同心套管式、U形管式、儲(chǔ)熱式、內(nèi)聚光

20、式和直通式等。1、同心套管式真空管集熱器同心套管式真空集熱管，又稱為直流式真空集熱管，主要由同心套管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成，如下圖所示。所謂同心套管就是兩根內(nèi)外相套的金屬管，它們位于吸熱板的軸線上，與吸熱板緊密連接。工作時(shí)，太陽(yáng)光穿過(guò)玻璃管，投射在吸熱板上；吸熱板吸收太陽(yáng)輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能；傳熱介質(zhì)從內(nèi)管進(jìn)入，通過(guò)外管時(shí)被吸熱板加熱，然后熱水流出外管。2、U形管式真空管集熱器U形管式真空集熱器主要由U形管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成，如下圖所示。其冷、熱水從U形管的一端流入，從另一端流出。3、儲(chǔ)熱式真空管集熱器儲(chǔ)熱式真空集熱管主要由吸熱管、內(nèi)插管、玻璃管等幾部分組成，如下圖所示。吸熱

21、管內(nèi)儲(chǔ)存水，外表面有選擇性吸收涂層。白天，太陽(yáng)輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換成熱能后，直接用于加熱吸熱管內(nèi)的水；使用時(shí)，冷水通過(guò)內(nèi)插管漸漸注入，同時(shí)將熱水從吸熱管頂出；夜間，由于真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢。4、內(nèi)聚光式真空管集熱器內(nèi)聚光式真空集熱管主要由吸熱體、復(fù)合拋物聚光鏡、玻璃管等部分組成，如下圖所示。吸熱體通常是熱管，也可以是同心套管或U形管，其表面有中溫選擇性吸收涂層。平行的太陽(yáng)光無(wú)論從什么方向穿過(guò)玻璃管，都會(huì)被復(fù)合拋物聚光鏡反射到位于其焦線處的吸熱體上，然后仍按熱管式真空集熱管或直流式真空集熱管的原理運(yùn)行。5、直通式真空管集熱器直通式真空集熱管主要由吸熱管和玻璃管這兩部分組成，如下圖所

22、示。吸熱管表面有高溫選擇性吸收涂層。傳熱介質(zhì)從吸熱管的一端流入，經(jīng)太陽(yáng)輻射加熱后，從吸熱管的另一端流出。直通式真空集熱管通常與拋物柱面聚光鏡配套使用，組成聚光型太陽(yáng)能集熱器。金屬吸熱體真空管集熱器有以下共同優(yōu)點(diǎn)。(1)運(yùn)行溫度高。所有集熱器的運(yùn)行溫度都可達(dá)到70120，有的集熱器甚至可達(dá)300400，使之成為太陽(yáng)能中高溫利用必不可少的集熱部件。(2)承壓能力強(qiáng)。所有真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受自來(lái)水或循環(huán)泵的壓力，多數(shù)集熱器還可用于產(chǎn)生1MPa以上的熱水甚至高壓蒸汽。(3)耐熱沖擊性能好。所有真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受急劇的冷熱變化，即使對(duì)空曬的集熱器系統(tǒng)突然注入冷水，真空集熱管也不會(huì)因此而炸裂

23、。四、各種集熱器的性能的比較與選擇幾種典型太陽(yáng)能集熱器的性能比較如下表所示。第3節(jié) 聚光型集熱器一、聚光型集熱器的構(gòu)造聚光型集熱器主要包括三部分：聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)，如下圖所示。拋物線型的反射鏡可以將平行于其對(duì)稱軸的光線聚集到其焦點(diǎn)處。聚光型集熱器正是利用了這一特點(diǎn)，采用拋物線型的聚光器并將吸熱體放置在焦點(diǎn)上。聚光器的主要材料是反射鏡面，如把鋁或銀蒸鍍?cè)诓Ａ希蛘哒翦冊(cè)诰鬯姆蚁┘熬埘?shù)脂等膜片上。對(duì)于玻璃反射鏡，可蒸鍍?cè)阽R子的正面或反面。鍍?cè)谡?，反射率高，沒(méi)有光透過(guò)玻璃的損失，但不易保護(hù)，壽命較短；鍍?cè)诜疵?，盡管由于陽(yáng)光必須透過(guò)玻璃會(huì)引起一些損失，但鍍層易保護(hù)，使用壽命較長(zhǎng)，因而目

24、前應(yīng)用較多。吸收器的主要構(gòu)成部件是吸熱體，其形狀有平面狀、點(diǎn)狀、線狀，也有空腔結(jié)構(gòu)。在吸熱體表面往往有選擇性吸收面，對(duì)太陽(yáng)光的吸收率很高，而在吸熱體表面溫度下的發(fā)射率很低。還可以在包圍吸熱體的玻璃等表面鍍上一定厚度的鉬、錫、鈦等金屬制成的選擇性透光膜。這種膜使可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)域的光幾乎全部透過(guò)，而對(duì)紅外波長(zhǎng)區(qū)域的光則幾乎完全反射。這樣，吸熱體吸收了太陽(yáng)輻射并變成熱能再以紅外線輻射時(shí)，此膜可將熱損耗控制在最低限度。集熱器工作時(shí)，反射器的軸線要始終指向太陽(yáng)。因此，和平板型集熱器不同，聚光型集熱器對(duì)太陽(yáng)的位置進(jìn)行跟蹤是非常必要的。跟蹤的方式，有反射鏡繞一根軸或兩根軸轉(zhuǎn)動(dòng)的單軸或雙軸跟蹤。實(shí)現(xiàn)跟蹤的方法，

25、有程序控制式和傳感器式。程序控制式，是預(yù)先用計(jì)算機(jī)計(jì)算并存儲(chǔ)設(shè)置地點(diǎn)的太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，然后依據(jù)程序以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，使其跟蹤太陽(yáng)。傳感器式，是用傳感器測(cè)出太陽(yáng)入射光的方向，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整反射鏡的方向，以消除太陽(yáng)方向同反射鏡光軸間的偏差。二、聚光比和最高集熱溫度聚光比定義為太陽(yáng)的輻射光并不是完全平行的，其發(fā)散角D=32。入射的太陽(yáng)輻射經(jīng)拋物形聚光器后形成焦平面。聚光比可以用下式表示：其中R為拋物面邊緣的角度。將D=32=0.0093rad代入上式，可得由此可見(jiàn)，聚光比僅依賴于拋物面邊緣的角度R。因此，最大聚光比可以在R=/2時(shí)達(dá)到，此時(shí)但是，由于加工的精度問(wèn)題，實(shí)際最大可獲得的

26、聚光比一般僅能達(dá)到50008000。利用已經(jīng)得到的聚光比的最大值，可以計(jì)算出吸熱體的最高可能溫度。如下圖所示，太陽(yáng)的表面積為由于D很小，可以有如果太陽(yáng)和吸熱體都看作黑體，則太陽(yáng)表面單位面積的輻射可以用斯蒂芬-玻爾茲曼公式計(jì)算，為忽略輻射在大氣中的損失，則入射到集熱器單位采光雨積的輻射強(qiáng)度為其中，AU為宇宙單位，1AU=1.5108km。吸熱體本身有一定的溫度，也向外輻射能量，其功率為假設(shè)沒(méi)有其他的損失，吸熱體中也沒(méi)有工質(zhì)，則有其中AR為采光面積，m2。穩(wěn)態(tài)情況下，吸熱體吸收的太陽(yáng)輻射又再輻射到大氣中。利用上面幾式，可以得到而將這些數(shù)值代入前式，得到吸熱體可能的最高溫度理論值，即該公式的假設(shè)是吸

27、熱體為理想的黑體，所吸收的太陽(yáng)能全部再輻射到周圍空間。下圖所示為該公式的幾何圖形。對(duì)于聚光型集熱器，通過(guò)提高聚光比就可以達(dá)到更高的溫度。由圖可見(jiàn)，當(dāng)C=Cmax時(shí)，吸熱體的溫度達(dá)到了太陽(yáng)外表面的溫度5762K。從熱力學(xué)的角度講，更高的溫度是不可能的。下圖給出了不同反射體的理論聚光比和吸熱體溫度與邊緣角度的關(guān)系。拋物形聚光器具有最高的聚光比。三、聚光型集熱器的能量損失對(duì)于聚光型集熱器，其能量損失可以來(lái)自以下幾個(gè)方面。(1)鏡面的不完全反射。(2)由于加工技術(shù)的局限性產(chǎn)生的鏡面光學(xué)誤差。(3)方位誤差：鏡面不能精確地跟蹤太陽(yáng)光軸定位，或者吸熱體不是精確地位于焦點(diǎn)上。(4)吸熱體表面的反射。(5)吸

28、熱體的長(zhǎng)波輻射。(6)吸熱體的對(duì)流損失。1、鏡面的不完全反射太陽(yáng)能利用中的各種反射鏡，反射率一般為0.760.93。這就是說(shuō)，有7%24%的入射輻射沒(méi)有反射給吸熱體。下表示出幾種鏡面的反射率。由于鏡面的不完全反射導(dǎo)致的能量損失為式中，為鏡面反射率；IbT為鏡面的直射輻射，W/m2；AR為鏡面的采光面積，m2。2、鏡面誤差鏡面的形狀不是很精確，并且表面可能有波紋(肉眼無(wú)法看見(jiàn))，這會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)的像進(jìn)一步模糊。由于模糊的效果，一部分反射的輻射不能到達(dá)吸熱體。下圖顯示了這種偏差。如果鏡面的切線的偏差為w，則反射光線的偏差為2w。由此可見(jiàn)，反射面的不精確性會(huì)導(dǎo)致反射光線不精確性的擴(kuò)大，因此，像的不精確性

29、也擴(kuò)大。3、定位誤差集熱器系統(tǒng)定位不準(zhǔn)的原因可能是跟蹤系統(tǒng)的公差，或者是跟蹤不穩(wěn)定和不精確。錯(cuò)誤的定位導(dǎo)致焦平面的位置變化和變形，因此產(chǎn)生能量損失。下圖顯示出定位偏差0對(duì)成像的影響。聚光比越大，吸熱體就越小，所以要求定位越精確。對(duì)于不同形式的反射體，誤差限是不同的。對(duì)于簡(jiǎn)單的拋物面鏡，聚光比大約為310，定位誤差在13范圍是允許的；對(duì)于高聚光比的拋物線型槽、拋物線型盤(pán)以及聚光比在10500范圍內(nèi)的聚光鏡，允許的定位誤差為0.11。4、吸收體的反射和再輻射對(duì)于吸熱體溫度在500以內(nèi)的聚焦型集熱器，吸熱體可以鍍選擇性吸收涂層。好的選擇性吸收涂層的吸收率和發(fā)射率比值大約為10。下表給出了一些基體材料及其選擇性吸收涂層的例子。吸熱體的反射率為從表可見(jiàn)，各種選擇性吸收涂層的反射率一般在0.020.14。因此，鏡