太陽能利用技術論文

1、太陽能利用技術結課論文題 目：太陽集熱器研究院 （部）： 建筑城規(guī)學院專 業(yè)： 建筑學（太陽能建筑一體化）班 級： 建筑106姓 名： 胡越學 號： 2010011276指導教師： 舒海靜完成日期： 2013年6月28日太陽能利用技術結課論文摘 要在太陽能的熱利用中，關鍵是將太陽的輻射能轉換為熱能。由于太陽能比較分散，必須設法把它集中起來，所以，集熱器是各種利用太陽能裝置的關鍵部分。由于用途不同，集熱器及其匹配的系統(tǒng)類型分為許多種，名稱也不同，如用于炊事的太陽灶、用于產生熱水的太陽能熱水器、用于干燥物品的太陽能干燥器、用于熔煉金屬的太陽能熔爐，以及太陽房、太陽能熱電站、太陽能海水淡化器等等。本

2、文主要討論太陽集熱器在建筑中的應用。關鍵詞：太陽集熱器；發(fā)展現狀；工作原理；組成結構；設計方法；前景與革新；建筑一體化III太陽能利用技術結課論文 1前 言1.1 太陽集熱器概述太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。這短短的定義卻包含了豐富的含義：第一：太陽能集熱器是一種裝置；第二：太陽能集熱器可以吸收太陽輻射；第三：太陽能能集熱器可以產生熱能；第四：太陽能集熱器可以將熱能傳遞到傳熱介質。太陽能集熱器雖然不是直接面向消費者的終端產品，但是太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關鍵部件。無論是太陽能熱水器、太陽灶、主動式太陽房、太陽能溫室還是太陽能干燥、太陽能工業(yè)加熱、

3、太陽能熱發(fā)電等都離不開太陽能集熱器，都是以太陽能集熱器作為系統(tǒng)的動力或者核心部件的。2太陽能集熱器發(fā)展現狀2.1我國平板集熱器、真空管集熱器現狀概述 太陽能光熱應用中，平板集熱器也是最早得到應用的產品，而且一度發(fā)展得很快。但由于初期產品技術和結構的缺陷，使得平板集熱器從上世紀80年代的市場統(tǒng)治地位逐步下滑到12%左右的市場份額。首先，作為集熱器核心部件的太陽能吸熱材料的光熱轉換效率低，直接導致了太陽能集熱器效率的低下；其次，由于結構上的特點，這種集熱器組成的熱水器平均熱損系數較大，從而導致熱水器的整體熱效率不高；另外，我國的太陽能熱水器（系統(tǒng)）基本上都采用直接加熱太陽能集熱器中水的方法。如果集

4、熱器中的水一旦凍結將直接影響集熱器的正常運轉，嚴重時還會導致集熱管的漲裂。而隨后發(fā)展起來的真空管太陽能熱水器因冬天管內的水在不排空的情況下基本不結冰或不凍壞而受到了市場的歡迎。同時，由于全玻璃真空管技術的不斷創(chuàng)新，使其成本大幅度降低，生產企業(yè)迅速增加，促進了全玻璃真空管型太陽能熱水器市場的迅速擴大。另外，在商業(yè)運作方面，全玻璃真空管熱水器被生產廠及商家宣傳為熱性能遠高于平板太陽能熱水器的產品。其主要理由是真空絕熱，這一宣傳極易為我國大眾接受。因 此，目前家用熱水器國內市場格局是由于產品的特點和價格等因素形成的，可以預見在家用熱水器中低端市場中全玻璃真空管熱水器仍將占據主流。目前，隨著太陽能光熱

5、利用技術的不斷成熟，以及人們對于太陽能光熱產品的要求不斷提高，特別是太陽能與建筑一體化技術的提出，平板集熱器的優(yōu)勢日漸突出，其市場份額在近兩年中也在逐步上升。2.2 太陽集熱器分類2.2.1按集熱器的傳熱工程類型分類按集熱器的傳熱工程類型，太陽能集熱器可分為兩大類型。（1）液體集熱器。液體集熱器是用液體作為傳熱工質的太陽能集熱器。（2）空氣集熱器?？諝饧療崞魇怯每諝庾鳛閭鳠峁べ|的太陽能集熱器。2.2.2按進入采光口的太陽輻射是否改變方向分類按進入采光口的太陽輻射是否改變方向，太陽能集熱器可分為兩大類型。（1）聚光集熱器。聚光型集熱器是利用反射器，透鏡或其他光學器件將進入采光口的太陽輻射改變方向

6、并會聚到吸熱體上的太陽能集熱器。（2）非聚光型集熱器。非聚光型集熱器是進入采光口的太陽輻射不改變方向也不集中射到吸熱體上的太陽能集熱器。2.2.3按集熱器是否跟蹤太陽分類按集熱器是否跟蹤太陽，太陽能集熱器可分為兩大類型。（1）跟蹤集熱器。跟蹤集熱器是以繞單軸或雙軸旋轉方式全天跟蹤太陽視運動的太陽能集熱器。（2）非跟蹤集熱器。非跟蹤集熱器是全天都不跟蹤太陽視運動的太陽能集熱器。2.2.4按集熱器內是否有真空空間分類（1）平板型集熱器。平板型集熱器是吸熱體表面基本上為平板形狀的非聚光型集熱器。（2）真空管集熱器。真空管集熱器是采用透明管（通常為玻璃管）并在管壁和吸熱體之間有真空空間的太陽集熱器。其

7、中吸熱體可以由一個內玻璃管組成，也可以由另一種用于轉移熱能的元件組成。2.2.5按集熱器的工作溫度范圍分類（1）低溫集熱器。低溫集熱器的工作溫度在100攝氏度以下的太陽集熱器。（2）中溫集熱器。中溫集熱器的工作溫度在100-200攝氏度的太陽集熱器。（3）高溫集熱器。高溫集熱器的工作溫度在200攝氏度以上的太陽集熱器。3太陽能集熱器工作原理3.1平板太陽能集熱器工作原理 能集熱器的基本工作原理十分簡單。概括地說，陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉變?yōu)闊崮?，并傳向流體通道中的工質。這樣，從集熱器底部入口的冷工質，在流體通道中被太陽能所加熱，溫度

8、逐漸升高，加熱后的熱工質，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。與此同時，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構成平板太陽集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽集熱器工作原理。3.2全玻璃真空管集熱器工作原理 理是太陽光透過外玻璃管照射到內管外表面吸熱體上轉換為熱能，然后加熱內玻璃管內的傳熱介質，由于夾層之間被抽成真空，有效降低了向周圍環(huán)境散失的熱損失，使集熱效率得以提高。4太陽能集熱器組成結構4.1平板太陽能集熱器組成結構圖1-1 平板太陽能集熱器的基本結構平板型太陽能一般由吸熱板、玻璃蓋板、保溫層和外殼四部分組成，具體結構如圖1-1所

9、示。4.1.1吸熱板（或吸熱板芯）吸熱板式吸收太陽輻射能量并向集熱器工作介質傳遞熱量的重要部件。具體形狀如圖1-2所示。 圖1-2 吸熱板的斷面形狀目前國內已大量采用銅材作為吸熱板的材料，也有采用鋁合金、鋼材、鍍鋅板和不銹鋼材料作為吸熱板的材料。吸熱板的結構主要有管板式、扁合式、翼管式，目前國內市場上使用的較多是銅鋁復合式。4.1.2吸熱板涂層太陽能吸收涂層可分為兩大類：非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。非選擇性涂料：非選擇性涂料有黑鎳、黑鉻和黑漆等，一般多用于常年環(huán)境溫度較高的華南地區(qū)。選擇性涂料：選擇性吸收涂層可以用多種方法來制備，如噴涂方法、化學方法、電化學方法、真空

10、蒸鍍方法、磁控濺射方法等。4.1.3 玻璃蓋板玻璃蓋板的作用是減小熱損失。用于透明蓋板的材料主要有兩大類，平板玻璃和玻璃鋼板，目前國內外使用更廣泛的還是平板玻璃。4.1.4 保溫層保溫層的作用是減少集熱器向四周散熱，以提高集熱器的熱效率。這就要求保溫層的材料保溫性能好，即導熱率小，不吸水。一般保溫層的厚度在35cm厚，四周的厚度為保溫層的一半。常用保溫材料有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。目前使用較多的是巖棉。4.1.5外殼外殼是集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。一般材料有鋁合金板、不銹鋼板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。為了提高外殼的密封性，有的產品已采用鋁合金板一次模壓成型工藝。

11、4.2真空管型太陽能集熱器目前市面上全玻璃真空管太陽集熱器主要有三大系列產品，分別是：普通型全玻璃真空管太陽集熱器、熱管式全玻璃真空管太陽集熱器和U型管式全玻璃真空管太陽集熱器三大系列產品。目前仍然以普通型全玻璃真空管太陽集熱器為主。全玻璃真空管由外玻璃管、內玻璃管、選擇性吸收涂層、彈簧支架、消氣劑等部分組成，其形狀如圖2-1。                      

12、60;  圖2-1全玻璃真空管結構示意圖5太陽能集熱器設計方法5.1集熱器的安裝方位和傾角確定太陽集熱器的定位時，需要考了集熱器傾角和方位對太陽輻射能收集的影響。太陽集熱器的安裝位置不應有任何障礙物遮擋陽光，并宜選擇在背風處，以減少熱損失；設計全年運行的系統(tǒng)，宜保證春分/秋分日（此時赤緯角=0）陽光照射到集熱器表面上的時間不少于6小時；主要在春、夏、秋三季運行的系統(tǒng)，宜保證春分/秋分日（此時赤緯角=0）陽光照射到集熱器表面上的時間不低于8小時；主要設計在冬季運行的系統(tǒng)，宜保證在冬至日（此時赤緯角=23°57）陽光照射到集熱器表面上的時間不少于4小時；太陽集熱器與障

13、礙物之間的距離宜大于太陽光不被遮擋的日照距離。太陽集熱器的傾角和方位對太陽輻射能量收集會產生一定的影響，為了更充分地利用太陽能量，希望投射到集熱器采光面上的太陽能越多越好。由于太陽與地球相對位置的不斷變化，集熱器上所收集到的太陽能也是不斷變化的。因而需要討論一年中要得到最大太陽能量時，他們的傾角及方位是多少。根據軟件的模擬結果對于在長時間內，大氣條件不隨季節(jié)性變化的地區(qū)太陽集熱器方位及傾角的影響可根據太陽直接輻射估算。研究表明，當集熱器的方位是正南方向，傾角為S=0.9時，得到的年直射輻射量最大；但如果增加考慮散射輻射的影響因素，則結果會有很大不同。由于散射輻射受大氣條件、云量變化情況影響較大

14、，而過去受條件限制缺乏相關資料，所以，長期以來沿用的太陽集熱器定位原則是基于對太陽直接輻射的估計結果，即集熱器方位朝向正南放置，傾角近似于當地緯度（即S=）時，可得到最大年太陽輻射能量；如果希望在冬季獲得最佳的太陽輻射能量，傾角應加大至約比當地緯度大10°（即S=+10°）；而在夏天，則應比當地緯度小10°（即S=10°）。根據軟件的模擬結果，太陽集熱器宜朝向正南，或南偏東、偏西30的朝向范圍內設置；受條件限制集熱器不能按上述朝向范圍設置時，也可加大偏東、偏西的角度或者完全偏東、偏西設置，但應根據相應的規(guī)定和標準設置。 太陽集熱器的傾角可選擇在當地緯度&

15、#177;10°的范圍內；受當地條件限制時，需要超出此范圍的傾角時，也應按照相應的標準和規(guī)定設置，合理的增加集熱面積，以達到對太陽能的充分利用。低緯度地區(qū)設置在墻面、陽臺欄板上或作為陽臺欄板使用的太陽集熱器應以適當傾角安裝，以增大太陽輻射熱量。安裝誤差一般不超過±3%。多塊太陽集熱器在坡屋面等建筑外圍護結構上串、并聯安裝時，集熱器上加上連接管等附件組成的集熱器陣列總尺寸應與構成維護結構的建筑材料的模數相配，不影響建筑物的外觀。5.2貯水箱的設計太陽能熱水系統(tǒng)的貯水箱必須保溫。太陽能熱水系統(tǒng)貯水箱的容積既與太陽集熱器總面積有關，也與熱水系統(tǒng)所服務的建筑物的要求有關，貯水箱的設

16、計對對太陽集熱系統(tǒng)的效率和整個熱水系統(tǒng)的性能都有重要影響。5.2.1貯水箱容積計算一般來說，對于每平方米太陽集熱器總面積，需要的貯熱水箱容積為40100L，推薦采用的比例關系通常為每平方米太陽集熱器總面積對應75L貯熱水箱容積。需要精確計算時，可以通過計算機相關模擬軟件進行長期熱性能分析得到。5.2.2貯水箱管路布置貯熱水箱同時連接太陽能集熱器和熱水供應系統(tǒng)時，為很好的利用由于水箱內的分層效應，熱水供應出水管一般安排在水箱頂部，自來水補水管一般插在水箱下部，出水口距離水箱底部1015cm。集熱系統(tǒng)的水箱出水口應距離水箱底部10cm左右以防將水箱底部的部分沉淀物吸入集熱器，集熱系統(tǒng)的回水接到水

17、箱上部輔助熱源以下。6太陽能集熱器前景與革新6.1平板集熱器的發(fā)展前景平板集熱器在我國已有20多年的生產和應用經驗?，F在，平板集熱器和熱水器在華南大部分地區(qū)仍占據市場的主體地位，即使在北方地區(qū)也有不少用戶。近年來由于使用中出現炸管、凍裂、管內結垢和泥沙沉積、密封膠圈漏水以及熱水工程不能承壓運行等問題，直插式全玻璃真空管集熱器在實際使用中受到了限制。于是，平板集熱器得到了一個新的發(fā)展機會。此外，隨著技術的進步，平板集熱器及熱水器的高效涂層、高透過率蓋板及密封保溫等技術已達到較高的水平，產品的性能大幅提高，市場競爭力也在進一步增強。我國平板太陽能集熱器、熱水器的發(fā)展已呈現出誘人的前景。平板太陽能集

18、熱器的優(yōu)勢是易與建筑有機結合，且十分可靠，同時，平板集熱器還能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)物的屋頂和屋面，顯著降低成本4。這一優(yōu)勢也已逐漸為建筑師、建筑商所認同。我國平板太陽能集熱器、熱水器發(fā)展已顯現新的商機，如能借鑒國外成功經驗，發(fā)揮自己的優(yōu)勢，揚長避短，進行實事求是的宣傳推廣，平板集熱器一定能發(fā)展起來。這對于完成我國的可再生能源規(guī)劃，實現我國節(jié)能減排的階段性目標，有著非常重要的意義。6.2平板集熱器的技術革新方向第一，應針對平板型集熱器研發(fā)新型保溫材料，改進生產工藝,在各個環(huán)節(jié)控制散熱，采用多重保溫處理技術使太陽能系統(tǒng)更加穩(wěn)定，免去客戶在使用其他太陽能熱水產品會產生的系統(tǒng)不穩(wěn)定等后顧之憂。第二，平板太陽能生

19、產企業(yè)應學習借鑒國內外先進的生產加工工藝，結合自身特點，勇于不斷創(chuàng)新，采用高吸收率低發(fā)射率的太陽能集熱板芯鍍膜技術，從而提高平板集熱器的集熱效率。第三，采用高透過率低反射率的新型玻璃蓋板，使采光效率更高。采用高效低鐵玻璃，可見光直透率高達94，太陽光直透率高達91.5。第四，采用先進防水處理，將集熱器玻璃蓋板與集熱器邊框實現無縫隙緊密結合，有效的防止雨水的滲透對集熱器的影響。第五，采用先進的加工設備并不斷創(chuàng)新生產工藝，在保證集熱產品質量的前提下減少生產運行成本。7太陽能集熱器與建筑一體化7.1我國太陽能建筑一體化的現狀與存在的問題從目前國內使用太陽能的情況來看 ,在建筑中有效地利用太陽能還處于

20、探索階段 。設計人員對太陽能的理解局限在被動式太陽能技術的應用上 。一方面太陽能的產品與建筑物缺少有機的結合 ,另一方面由于建筑師缺乏對太陽能技術及太陽能產品(構件) 的了解 ,也影響了太陽能產品的利用與建筑設計一體化的進程 。過去一段時間內 ,由于安裝太陽能熱水器沒有同建筑設計有機地結合 ,或從建筑的整體造型考慮還不夠 ,特別在住宅建筑的屋頂上 ,太陽能熱水器的安裝形成了規(guī)格各異 、形式多變的屋頂 ,造成雜亂無章的無序狀態(tài) ,破壞了建筑的外觀形象 。如果不改變這種設計思想 ,觀念不更新 ,不強調技術 ,最終將會影響到一個建筑群體的形象 ,甚至使整個城市的建筑風貌都會不同程度地受到破壞 。 如

21、何在建筑上加以合理的布置和充分地利用太陽能資源 ,使太陽能產品能夠規(guī)范地與建筑物相結合 ,使之成為建筑物有機的組成部分 ,是生產廠商與建筑師需要共同探討研究的大課題 。一體化的發(fā)展方向是解決這個問題的關鍵 ,建筑師應做到在建筑設計方案開始就應該把太陽能設備作為建筑的一個不可缺少的構件來考慮 。7.2太陽能集熱器在建筑中的一體化應用太陽能集熱技術 ,通常是通過集熱器把陽光中的熱能儲存到水或者其他介質中 ,在需要的時候釋放出來 ,一定程度上滿足建筑物的能耗要求 。太陽能集熱器可以有多種與建筑相結合的方式 ,例如用太陽能熱水管代替屋面材料 ,可進行嵌入式的鋪設 ,使之成為建筑的有機構件 。而且太陽能

22、集熱器不但可設計在屋頂上 ,也可放置在東西山墻面上 、陽臺上或用作窗戶上的遮陽板 ,屋頂可能是局部設置 ,也可能是成塊的或成條狀地設置 ,整個屋頂的造型可能是圓形的 、拋物線形的 ,也可能是單坡傾斜的 ,等等 。設計的可能性、美觀性 、適用性和經濟性都應綜合考慮 。7.2.1太陽能集熱器與住宅屋頂的一體化設計7.2.1.1太陽能集熱裝置與坡屋頂的結合天窗式:將集熱器鑲嵌在建筑坡屋面上緊貼固定,覆蓋部分屋面,形態(tài)類似坡屋面的天窗,與建筑渾然一體。此種方式與建筑的整合具有極高的靈活性。對于在舊房改造中使用提供了可能。由于平板式集熱器的罩面玻璃比較特別,是透光率95%以上的透明漫反射玻璃,太陽高度較低時也不易產生鏡面反射,仍能透過大部分的太陽光。階梯嵌入式:將集熱器呈階梯狀陣列鑲嵌在建筑坡