光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)

1、光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)1 概述太陽能必須經(jīng)過各種轉(zhuǎn)換 , 才可能方便地服務(wù)社會(huì)。各種太陽能利用成功的關(guān)鍵在于太陽能 轉(zhuǎn)換技術(shù)。現(xiàn)代意義上的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)的全部?jī)?nèi)容可歸納為兩個(gè)主要方面： （1）高效地收集太陽能，主要技術(shù)內(nèi)容有： 選擇性表面技術(shù)； 受光面的光學(xué)設(shè)計(jì)； 集熱體的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（2）將收集的太陽能高效地轉(zhuǎn)換為其他形式的有用能，主要技術(shù)內(nèi)容有： 盡可能降低能量轉(zhuǎn)換過程中的各種熱、電損失； 優(yōu)異的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。太陽能光熱轉(zhuǎn)換在太陽能工程中占有重要地位，其基本原理是通過特制的太陽能采光面，將投射到該面上的太陽能輻射能作最大限度地采集和吸收， 并轉(zhuǎn)換為熱能， 加熱水或空 氣，為

2、各種生產(chǎn)過程或人們生活提供所需的熱能。2 平板集熱 所謂平板集熱，就是集熱裝置的采光面積等于集熱面積；若采光面大于集熱面積，稱為聚 光集熱。兩者的概念是相對(duì)而言的。平板集熱具有以下特點(diǎn)： 采光面等于集熱面； 集熱面可以采集太陽直射輻射能、散射輻射能和反射輻射能； 集熱面固定安裝，不跟蹤太陽視位置； 熱損失系數(shù)較大，工作溫度通常均在80 C以下； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。21 太陽能平板集熱器 太陽能平板集熱器是典型的平板集熱，簡(jiǎn)稱平板集熱器。1. 平板集熱器的分類?按集熱工質(zhì)分類 水集熱 普通的太陽能平板熱水器、公用熱水系統(tǒng)，幾乎都采用水作為集熱工質(zhì)。 空氣集熱 太陽能干燥和太陽房采暖的集熱裝

3、置，通常均以空氣作為集熱工質(zhì)。 防凍液集熱 高寒地區(qū)經(jīng)常采用防凍液和水作為集熱工質(zhì)的雙循環(huán)太陽能集熱。?按集熱體表面光學(xué)特性分類 黑面 一般是在集熱體表面涂刷或噴涂一層黑色涂料，簡(jiǎn)稱黑面，目前較少采用。 光譜選擇性吸收面 這是經(jīng)過化學(xué)、電鍍等工藝制成的選擇性吸收面，應(yīng)用廣泛。?按透明蓋板層數(shù)分類 單層透明蓋板 兩層或多層透明蓋板 太陽能平板集熱器的透明蓋板，通常多采用單層，特殊情況用兩層，極少情況用三層或不用。2. 典型平板集熱器的基本組成 平板集熱器的典型結(jié)構(gòu)由集熱體、透明蓋板、隔熱層和殼體四部分組成。?集熱體它是太陽輻射能、 轉(zhuǎn)換為熱能并傳向集熱工質(zhì)的關(guān)鍵部件， 是太陽能平板集熱器的關(guān)鍵部

4、件， 其 特性參數(shù)決定了平板集熱器的工作性能，一般應(yīng)具備以下特性： 表面光譜選擇性能好，集熱板面的太陽輻射吸收率高，熱反射率低； 具有優(yōu)良的傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 密封性能好，能承受一定的工作壓力； 與集熱工質(zhì)具有良好的相容性； 對(duì)環(huán)境具有良好的耐天候性； 制作工藝簡(jiǎn)單。 一般集熱體多采用金屬制作。集熱體表面噴涂黑色涂料或制作光譜選擇性吸收涂層。?透明蓋板在集熱體的上方， 覆蓋一層或多層透明蓋板， 一方面降低集熱體對(duì)環(huán)境的散熱損失，起到隔 熱作用；另一方面保護(hù)集熱板面，免受風(fēng)霜雨雪和塵埃等的直接侵襲。它具備以下特性： 光學(xué)性能好，陽光透光率高，而吸收率和反射率低； 隔熱性好； 機(jī)械性能好，能承受一定的

5、風(fēng)壓、冰雹等外力和熱應(yīng)力的作用 耐老化性能好，長(zhǎng)年暴露在大氣環(huán)境和陽光下，上述各種特性均無明顯惡化。?隔熱層隔熱層是集熱體底部和四側(cè)填充的一定厚度的絕熱材料，以降低集熱體的熱損失。 它具備以下特性： 導(dǎo)熱系數(shù)低； 不吸濕，不吸水； 具有一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。?殼體 殼體將集熱體、透明蓋板和隔熱層裝配成一體，構(gòu)成一個(gè)完整的太陽能集熱器。整個(gè)殼體要 有一定的整體剛度和機(jī)械強(qiáng)度， 以便保護(hù)集熱體和隔熱層不受外部環(huán)境的各種損傷和影響，且便于裝配。陽光透過透明蓋板照射到集熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?并傳向流體通道中的工質(zhì)， 小部分反射向透明蓋板。 這樣， 從集熱器底部入口的冷

6、工質(zhì)， 在流體 通道中的熱能所加熱，溫度逐漸升高， 加熱后的集熱工質(zhì)， 帶著有用的熱能從集熱器的出口端流 出。如此循環(huán)，將投射的太陽輻射能蓄入儲(chǔ)水箱中備用，成為有用能量收益 。與此同時(shí)，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(gòu)成平板太陽集熱器的熱損失。這樣的換熱循環(huán)過程，一直維持到集熱溫度達(dá)到某個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)為止。太陽能平板集熱器在 70 年代就已經(jīng)發(fā)明和應(yīng)用，自從 80 年代發(fā)明真空管集熱器，在整個(gè)業(yè)界太陽能平板集熱器就慢慢退出市場(chǎng)（在廣東，云南，海南等省至今還有在推廣和使用）。因?yàn)樘柲芷桨寮療崞髯陨淼脑O(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了它的散熱損失較大，故溫度大多運(yùn)行在 60 C以下 真空管集熱器

7、是在平板集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型集熱裝置。 目前，市場(chǎng)上已開發(fā)很多形式的 真空集熱管，最常用的有全玻璃真空集熱管、熱管式真空集熱管、 U形管真空集熱管等。全玻璃真空管由玻璃外管、玻璃內(nèi)管、選擇性吸收涂層、彈簧支架（固定卡）、吸氣劑等部件組成，其形狀如一只細(xì)長(zhǎng)的暖水瓶膽1234567圖3 全玻璃真空管結(jié)構(gòu)示意圖1.玻璃外管 2.玻璃內(nèi)管 3.選擇性吸收涂層4.真空5.彈簧支架（固定卡） 6.吸氣劑 7.保護(hù)帽全玻璃真空管的一端開口，將內(nèi)玻璃管和外玻璃管的管口進(jìn)行環(huán)狀熔封； 另 一端分別封閉成半球形圓頭，內(nèi)玻璃管用彈簧支架支撐于外玻璃管上， 以緩沖熱 脹冷縮引起的應(yīng)力。在內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間的

8、夾層抽成高真空。在外玻璃管 尾端一般粘結(jié)一只金屬保護(hù)帽。內(nèi)玻璃管的外表面涂有選擇性吸收涂層。彈簧支 架上裝有吸氣劑，它在蒸散以后用于吸收真空集熱管運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體， 起保持 管內(nèi)真空度的作用。真空管太陽能的特點(diǎn):1真空管太陽能工作原理是采用內(nèi)管的吸熱涂層對(duì)太陽光吸收，加熱內(nèi)管里 的水，在與水箱或連箱進(jìn)行交換，提高水溫。作它在吸熱的同時(shí)也會(huì)進(jìn)行散熱， 而熱量的傳遞只有三種方式：輻射，傳導(dǎo)，對(duì)流。真空管太陽能的三種散熱傳熱 方式均很小，內(nèi)管的水銀涂層防止熱量輻射；內(nèi)外管中間的真空層防止熱量傳導(dǎo)； 至于熱量的對(duì)流散發(fā)對(duì)真空管太陽能而言，幾乎為零。2.真空管太陽能的使用壽命長(zhǎng)：內(nèi)外涂層在真空的環(huán)境里不

9、受氧化，在不受外力的情況下壽命超20年以上3.各種環(huán)境的影響：散熱小，保溫效果好，抗凍能力強(qiáng)（在南極都有優(yōu)良表 現(xiàn)）；真空管對(duì)風(fēng)的阻力小，抗風(fēng)能力強(qiáng)；真空管是圓形的形狀，受外來沖擊力 小，抗冰雹能力強(qiáng)。4.真空管太陽能管的熱效率高。2 2 平板集熱設(shè)計(jì)3 真空管集熱4 太陽能空氣加熱太陽能空氣加熱集熱器為平板型集熱器， 也稱為太陽能空氣集熱器。 它是在寒冷天氣中加熱 空氣以保持舒適環(huán)境的最佳選擇。目前， 不少太陽能采暖多采用熱水系統(tǒng)， 兩者相比各有其優(yōu)缺點(diǎn)； 至于太陽能干燥器，均采 用太陽能空氣集熱器。太陽能空氣集熱器由四部分組成，吸熱板、透明蓋板、隔熱層和殼體。為了提升太陽能集熱器的有用能量

10、收益的能量品質(zhì)， 擴(kuò)展更高溫度的太陽能利用領(lǐng)域， 就必 須提高太陽能集熱裝置的高溫運(yùn)行特性，唯一的途徑就是發(fā)展聚光集熱，提高集熱溫度。聚光集熱器主要由聚光器、 接收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。 按照聚光原理區(qū)分， 聚光集熱 器基本可分為反射聚光和折射聚光兩大類， 每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。 為了滿 足太陽能利用的要求， 簡(jiǎn)化跟蹤機(jī)構(gòu)， 提高可靠性， 降低成本，在本世紀(jì)研制開發(fā)的聚光集熱器 品種很多，但推廣應(yīng)用的數(shù)量遠(yuǎn)比平板集熱器少，商業(yè)化程度也低。70 年代，國(guó)際上出現(xiàn)一種 “復(fù)合拋物面鏡聚光集熱器 ”（CPC ），它由二片槽形拋物面反射 鏡組成，不需要跟蹤太陽，最多只需要隨季節(jié)作

11、稍許調(diào)整，便可聚光，獲得較高的溫度。其 聚光比一般在 10 以下，當(dāng)聚光比在 3 以下時(shí)可以固定安裝，不作調(diào)整。當(dāng)時(shí)，不少人對(duì) C PC 評(píng)價(jià)很高，甚至認(rèn)為是太陽能熱利用技術(shù)的一次重大突破，預(yù)言將得到廣泛應(yīng)用。但幾 十年過去了， CPC 仍只是在少數(shù)示范工程中得到應(yīng)用，并沒有象平板集熱器和真空管集熱 器那樣大量使用。我國(guó)不少單位在七八十年代曾對(duì) CPC 進(jìn)行過研制，也有少量應(yīng)用，但現(xiàn) 在基本都已停用。其他反射式聚光器還有圓錐反射鏡、球面反射鏡、條形反射鏡、斗式槽形反射鏡、平 面。拋物面鏡聚光器等。此外，還有一種應(yīng)用在塔式太陽能發(fā)電站的聚光鏡 - 定日鏡。定日 鏡由許多平面反射鏡或曲面反射鏡組成， 在計(jì)算機(jī)控制下這些反射鏡將陽光都反射至同一吸 收器上，吸收器可以達(dá)到很高的溫度，獲得很大的能量。利用光的折射原理可以制成折射式聚光器，歷史上曾有人在法國(guó)巴黎用二塊透鏡聚集 陽光進(jìn)行熔化金屬的表演。 有人利用一組透鏡并輔以平面鏡組裝成太陽能高溫爐。 顯然， 玻 璃透鏡比較重，制造工藝復(fù)雜，造價(jià)高，很難做得很大。所以，折射式聚光器長(zhǎng)期沒有什么般由有機(jī)玻發(fā)展。 70 年代，國(guó)際上有人研制大型菲涅耳透鏡，試圖用于制作太陽能聚光集熱器。菲涅 耳透鏡是平面化的聚光鏡， 重量輕， 價(jià)格比較低，