第13章 太陽能集熱器

1、第第2章章 太陽能集熱器太陽能集熱器l 太陽能集熱器太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳是吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置，是太陽能熱利用系統(tǒng)的核遞到傳熱工質(zhì)的裝置，是太陽能熱利用系統(tǒng)的核心設備心設備。l 太陽能集熱器太陽能集熱器可以按多種方法進行分類可以按多種方法進行分類。l 按照按照傳熱工質(zhì)傳熱工質(zhì)的類型，可以分為的類型，可以分為液體集熱器液體集熱器和和空空氣集熱器氣集熱器；l 按照按照進入采光口的太陽輻射進入采光口的太陽輻射是否改變方向，可以是否改變方向，可以分為分為聚光型集熱器聚光型集熱器和和非聚光型集熱器非聚光型集熱器；l 按照按照集熱器內(nèi)是否有集熱器內(nèi)是否有真空

2、空間真空空間，可以分為，可以分為平板型平板型集熱器集熱器和和真空管集熱器真空管集熱器；l 按照按照集熱器的集熱器的工作溫度工作溫度范圍，可以分為范圍，可以分為低溫集熱低溫集熱器器、中溫集熱器中溫集熱器和和高溫集熱器高溫集熱器。第第1節(jié)節(jié) 平板型集熱器平板型集熱器l 平板型集熱器一般在平板型集熱器一般在100以內(nèi)的低溫范圍內(nèi)應用，以內(nèi)的低溫范圍內(nèi)應用，它不僅結構簡單，操作方便，價格也比較低廉它不僅結構簡單，操作方便，價格也比較低廉。l 多多用于家庭供暖、供熱水以及工農(nóng)業(yè)的低溫供熱。用于家庭供暖、供熱水以及工農(nóng)業(yè)的低溫供熱。一、集熱器的結構一、集熱器的結構l 一般來說，平板型集熱器由下列一般來說，

3、平板型集熱器由下列5個部件個部件組成。組成。l (1)吸熱體吸熱體 吸收太陽能并轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給工質(zhì)。吸收太陽能并轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給工質(zhì)。l (2)蓋層蓋層 允許太陽輻射透過但阻礙吸熱體的長波輻允許太陽輻射透過但阻礙吸熱體的長波輻射以減少吸熱體的熱損。射以減少吸熱體的熱損。l (3)保溫層保溫層 減少吸熱體不直接吸收太陽輻射部分的減少吸熱體不直接吸收太陽輻射部分的熱損。熱損。l (4)工質(zhì)及流動通道工質(zhì)及流動通道 使工質(zhì)能與吸熱體發(fā)生熱接觸。使工質(zhì)能與吸熱體發(fā)生熱接觸。集熱器的工質(zhì)為流體集熱器的工質(zhì)為流體(液體或氣體液體或氣體)。l (5)支架及框架支架及框架 將集熱器的各個部分連接成一個整將集

4、熱器的各個部分連接成一個整體并支撐其重力體并支撐其重力。l 液體集熱器用水或者水液體集熱器用水或者水-防凍劑混合物作為工質(zhì)，防凍劑混合物作為工質(zhì)，有時也用輕油、硅油、乙烯等作為工質(zhì)有時也用輕油、硅油、乙烯等作為工質(zhì)。l 氣體氣體集熱器以空氣為工質(zhì)。集熱器以空氣為工質(zhì)。l 大多數(shù)液體集熱器都采用管大多數(shù)液體集熱器都采用管-平板結合式吸熱體，平板結合式吸熱體，管子可以在板的前面、后面或與板焊接成一個整管子可以在板的前面、后面或與板焊接成一個整體，有時也采用波紋金屬板作為吸熱體，有時也采用波紋金屬板作為吸熱體體。l 氣體氣體集熱器則利用吸熱體與蓋層之間的通道或吸集熱器則利用吸熱體與蓋層之間的通道或吸

5、熱體背后的通道，使空氣與吸熱體發(fā)生熱接觸；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狀吸熱體以及多孔吸熱體等。l 蓋層既可以使用玻璃，也可以采用透明塑料，層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而定數(shù)則由集熱器的用途及其使用地點而定。l 在在低緯度處，通常只需一層，但在中高緯度處，低緯度處，通常只需一層，但在中高緯度處，則有時需要兩層甚至三層，以防止過多的熱損失則有時需要兩層甚至三層，以防止過多的熱損失。l 所有所有蓋層都必須對太陽輻射具有高透射率，而對

6、蓋層都必須對太陽輻射具有高透射率，而對于熱輻射則具有低透射率。于熱輻射則具有低透射率。l 在集熱器的背面和四周，必須放置足夠的保溫材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、料以減少熱損，至于具體的數(shù)量則由成本、用途、地點以及設計而定。地點以及設計而定。二、光學特性二、光學特性l 吸熱體是低溫集熱器的最重要的部件，要求其對吸熱體是低溫集熱器的最重要的部件，要求其對太陽輻射具有較高的吸收率，良好的導熱性，同太陽輻射具有較高的吸收率，良好的導熱性，同時對于工作溫度下的低溫長波輻射的發(fā)射率較低。時對于工作溫度下的低溫長波輻射的發(fā)射率較低。l 黑體可以吸收所

7、有波長的輻射，吸收率最大，黑體可以吸收所有波長的輻射，吸收率最大，=1。l 根據(jù)根據(jù)基爾霍夫定律，黑體也具有最大的發(fā)射率基爾霍夫定律，黑體也具有最大的發(fā)射率。l 吸熱吸熱體對輻射的吸收和發(fā)射依賴于波長體對輻射的吸收和發(fā)射依賴于波長。l 利用利用這一點，可以對吸熱體表面覆蓋選擇性涂層。這一點，可以對吸熱體表面覆蓋選擇性涂層。l 選擇性涂層在可見光區(qū)域具有很高的吸收率，但選擇性涂層在可見光區(qū)域具有很高的吸收率，但在紅外區(qū)域具有很小的發(fā)射率在紅外區(qū)域具有很小的發(fā)射率。l 有有很多選擇性涂層在可見光區(qū)域的吸收率與紅外很多選擇性涂層在可見光區(qū)域的吸收率與紅外區(qū)域的發(fā)射率之比，即區(qū)域的發(fā)射率之比，即/都很

8、高，如黑鎳、黑鋅、都很高，如黑鎳、黑鋅、黑鉻等黑鉻等。l 利用利用選擇性涂層，平板型集熱器具有較好的性能，選擇性涂層，平板型集熱器具有較好的性能，但是也有兩個缺點：但是也有兩個缺點：l (1)選擇性涂層對高溫和氣候條件比較敏感；選擇性涂層對高溫和氣候條件比較敏感；l (2)成本較高。成本較高。l 對于不透明的吸收表面，有對于不透明的吸收表面，有+=1，其中，其中為反射為反射率。所以有：率。所以有： =1。l 在在短波區(qū)域，反射率短波區(qū)域，反射率很小，即很小，即很大；而在長波很大；而在長波區(qū)域，區(qū)域， 很大，即很大，即很小，或者很小，或者很小。很小。l 吸熱體上面的蓋板應該具有很高的短波輻射透射

9、吸熱體上面的蓋板應該具有很高的短波輻射透射率率()和較低的長波輻射透射率和較低的長波輻射透射率。l 根據(jù)根據(jù)公式公式+=1，可知高透射率就要求具有低的，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率吸收率和反射率。l 蓋板蓋板對輻射的吸收，不論是在短波區(qū)域還是在長對輻射的吸收，不論是在短波區(qū)域還是在長波區(qū)域都要比較小波區(qū)域都要比較小。l 玻璃玻璃在可見光區(qū)域透射率約為在可見光區(qū)域透射率約為97%，在紅外區(qū)的，在紅外區(qū)的吸收率約為吸收率約為94%。l 根據(jù)基爾霍夫定律，紅外區(qū)的高吸收率導致高發(fā)根據(jù)基爾霍夫定律，紅外區(qū)的高吸收率導致高發(fā)射率，使得輻射熱損失增加射率，使得輻射熱損失增加。l 通過通過噴涂在

10、紅外區(qū)域透明的涂層噴涂在紅外區(qū)域透明的涂層(如氧化銦如氧化銦(In2O3)，氧化鋅氧化鋅(ZnO2)，可以大大減少紅外輻射熱損失，可以大大減少紅外輻射熱損失。l 與與吸熱體的選擇性涂層類似，這些涂層暴露在高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，性能會下降，同時，溫環(huán)境和不同的氣候條件下，性能會下降，同時，成本也比較高。成本也比較高。低溫集熱器可以有不同的設計，但主要的標準就是低溫集熱器可以有不同的設計，但主要的標準就是能夠向工質(zhì)有效傳熱。能夠向工質(zhì)有效傳熱。三、平板型集熱器的能量分析三、平板型集熱器的能量分析l 1、平板型集熱器的能量平衡、平板型集熱器的能量平衡l

11、平平板型集熱器吸熱體的能量平衡方程如下：板型集熱器吸熱體的能量平衡方程如下：其中，其中，QA為吸熱體接收的太陽輻射；為吸熱體接收的太陽輻射；Qu為工質(zhì)獲得為工質(zhì)獲得的有效熱；的有效熱；QL為吸熱體的熱損失。為吸熱體的熱損失。l 熱損失可以表示熱損失可以表示為為l 其中，其中，Qk為吸熱體的傳導熱損失，為吸熱體的傳導熱損失，W；Qc為吸熱為吸熱體的對流熱損失，體的對流熱損失，W；Qr為吸熱體向外的長波輻為吸熱體向外的長波輻射熱損失，射熱損失，W。l 在實際工程中，熱損失常用下式表示：在實際工程中，熱損失常用下式表示：l 其中，其中，Qb為集熱器背面熱損失，為集熱器背面熱損失，W；Qs為集熱器為集

12、熱器側面熱損失，側面熱損失，W；Qf為集熱器正面熱損失，為集熱器正面熱損失，W。l 2、能量損失分析、能量損失分析l 平板型集熱器的熱損失平板型集熱器的熱損失QL可以表示可以表示為為l 其中其中：l T為吸熱體溫度，為吸熱體溫度，K；l T 為環(huán)境溫度，為環(huán)境溫度，K；l Ac為集熱器面積，為集熱器面積，m2；l UL為總熱損系數(shù)，為總熱損系數(shù)，W/(m2K)，為正面熱損、背面，為正面熱損、背面熱損、側面熱損之和，即熱損、側面熱損之和，即l (1)背面熱損背面熱損l 背面熱損主要包括傳導熱損和對流熱損背面熱損主要包括傳導熱損和對流熱損。l 典型典型的平板型集熱器在吸熱體的背面裝有保溫層的平板型

13、集熱器在吸熱體的背面裝有保溫層，其其熱導率為熱導率為k，厚度為，厚度為t。l 利用熱阻的概念，可以得背面的熱阻利用熱阻的概念，可以得背面的熱阻Rb為為l 其中，其中，Ri和和Rc分別表示保溫層熱阻和對流熱阻；分別表示保溫層熱阻和對流熱阻；hb為對流傳熱系數(shù)為對流傳熱系數(shù)。l 集集熱器通過背面的熱損速率為熱器通過背面的熱損速率為l 式中，式中，Ab表示背面的面積，表示背面的面積，Tb,為背面的氣溫。為背面的氣溫。l 上式與前式比較，可上式與前式比較，可得得l 其中其中l(wèi) 大多數(shù)集熱器都采用很厚的保溫層，且所用材料大多數(shù)集熱器都采用很厚的保溫層，且所用材料的熱導率都很低。因此，的熱導率都很低。因此

14、，t/k常遠大于常遠大于1/hb，故背，故背面熱損系數(shù)簡化為面熱損系數(shù)簡化為l 對常用的平板型集熱器，對常用的平板型集熱器，Ab=Ac，且，且Tb,=T，此時，此時背面熱損系數(shù)即簡化為背面熱損系數(shù)即簡化為k/t。l (2)側面熱損側面熱損l 側面熱損主要由熱傳導和對流造成側面熱損主要由熱傳導和對流造成。l 平平板型集熱器的側面通常由框架與保溫層板型集熱器的側面通常由框架與保溫層構成。構成。l 由于框架的內(nèi)部面對幾種不同的溫度，故側面?zhèn)饔捎诳蚣艿膬?nèi)部面對幾種不同的溫度，故側面?zhèn)鳠釕嵌S的。為了獲得關于側面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比熱應是二維的。為了獲得關于側面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比較保守的估計，可以假定框架內(nèi)部的溫度

15、處于最較保守的估計，可以假定框架內(nèi)部的溫度處于最高可能的溫度高可能的溫度(即吸熱體溫度即吸熱體溫度T)，這樣傳熱就變?yōu)?，這樣傳熱就變?yōu)橐痪S的。一維的。l 側面?zhèn)让鏌嶙锜嶙鑂s為為l 其中，其中，tm和和km分別為框架的厚度和熱導率；分別為框架的厚度和熱導率；hs為為側面的對流傳熱系數(shù)。側面的對流傳熱系數(shù)。l 集熱器通過側面的熱損速率集熱器通過側面的熱損速率為為l 式中，式中，As為垂直于傳熱方向的側面總面積，一般為垂直于傳熱方向的側面總面積，一般即等于側面的高度與周長的乘積即等于側面的高度與周長的乘積。l 與與式式l 比較，可得比較，可得l 其中其中l(wèi) 由于通?？蚣苁怯杀〗饘僦瞥傻?，即由于通常

16、框架是由薄金屬制成的，即tm很小，且很小，且t/k遠大于遠大于1/hs，如果，如果Ts,=T，則側面熱損系數(shù)可，則側面熱損系數(shù)可以簡化為以簡化為l (3)正面熱損正面熱損l 集熱器正面的熱損通過傳導、對流和熱輻射三種集熱器正面的熱損通過傳導、對流和熱輻射三種方式同時發(fā)生方式同時發(fā)生。l 傳導傳導通過蓋層發(fā)生，而對流和熱輻射則在吸熱體通過蓋層發(fā)生，而對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和蓋層的空隙之間以及最外層蓋板與周圍空氣之間間發(fā)生。發(fā)生。l 設所考慮的集熱器具有兩層蓋板，則在等效熱回設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：路中的各種熱阻如下：

17、l Rc,1：風力造成的對流熱阻；：風力造成的對流熱阻；l Rr,1：外層蓋板與天空之間的輻射熱阻；：外層蓋板與天空之間的輻射熱阻；l R12：外層蓋板的傳導熱阻；：外層蓋板的傳導熱阻；l Rc,23：在兩層蓋板之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；：在兩層蓋板之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；l Rr,23：兩層蓋板之間的輻射熱阻；：兩層蓋板之間的輻射熱阻；l R34：內(nèi)層蓋板的傳導熱阻；：內(nèi)層蓋板的傳導熱阻；l Rc,45：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間空氣縫隙內(nèi)的熱阻；l Rr,45：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間的輻射熱阻。：內(nèi)層蓋板與吸熱體之間的輻射熱阻。l 正面熱損系數(shù)正面熱損系數(shù)Uf即為

18、即為Req的倒數(shù)，且通過集熱器正的倒數(shù)，且通過集熱器正面的熱損速率為面的熱損速率為l 整個正面熱回路的凈有效熱阻整個正面熱回路的凈有效熱阻Req為為l 給定環(huán)境溫度和吸熱體溫度后，可以通過熱阻回給定環(huán)境溫度和吸熱體溫度后，可以通過熱阻回路的分析求得蓋層表面的溫度路的分析求得蓋層表面的溫度。l 例如例如，內(nèi)蓋層外表面的溫度即為，內(nèi)蓋層外表面的溫度即為l 綜上所述，求解綜上所述，求解Uf的步驟為：的步驟為：l (1)預估預估T1，T2，T3和和T4的值；的值；l (2)根據(jù)估計值求出所有熱阻；根據(jù)估計值求出所有熱阻；l (3)利用熱阻求得正面熱損系數(shù)利用熱阻求得正面熱損系數(shù)Uf；l (4)利用利用

19、Uf計算計算Qf；l (5)根據(jù)熱回路圖重新計算根據(jù)熱回路圖重新計算T1，T2，T3和和T4的值；的值；l (6)利用這些新的溫度值，進行迭代計算，直到誤利用這些新的溫度值，進行迭代計算，直到誤差在給定范圍內(nèi)差在給定范圍內(nèi)。四、集熱器的效率四、集熱器的效率l 集熱器獲得的太陽輻射集熱器獲得的太陽輻射為為l 其中，其中，Ig為太陽輻射強度，為太陽輻射強度，W/m2；為總透射率；為總透射率；為吸熱體的吸收率；為吸熱體的吸收率；Ac為集熱器面積，為集熱器面積，m2。l 因此因此l 其中，其中，UL為吸熱體的總熱損系數(shù)，為吸熱體的總熱損系數(shù)，W/(m2K)；T為為吸熱體溫度，吸熱體溫度，K； T為環(huán)境

20、溫度，為環(huán)境溫度，K。l 由上面兩式可以得到由上面兩式可以得到熱損失可以表示為熱損失可以表示為l 單位集熱器吸熱體面積得到的有效能量單位集熱器吸熱體面積得到的有效能量就是就是集熱器的熱效率定義為集熱器的熱效率定義為l 其中，其中，0=，為吸收率與透射率的乘積，通常稱，為吸收率與透射率的乘積，通常稱為光學效率或轉(zhuǎn)換系數(shù)。為光學效率或轉(zhuǎn)換系數(shù)。l 1、光學效率計算、光學效率計算l 計算光學效率，首先要確定蓋板的總透射率。計算光學效率，首先要確定蓋板的總透射率。l (1)確定確定反射系數(shù)反射系數(shù)l 通常，反射率通常，反射率和透射率和透射率可以用下式表示可以用下式表示：其中，下標其中，下標b和和s分別

21、表示直射輻射和散射輻射，分別表示直射輻射和散射輻射，下標下標R和和e分別代表入射輻射的反射和透射部分。分別代表入射輻射的反射和透射部分。l 蓋板內(nèi)的輻射實際上是經(jīng)過了蓋板內(nèi)的輻射實際上是經(jīng)過了多次反射。多次反射。l 利用菲涅爾利用菲涅爾(Fresnel)公式，反射率可以表示公式，反射率可以表示為為l 其中，其中，1和和2分別為入射角和折射角。分別為入射角和折射角。l 根據(jù)光的折射定律，有根據(jù)光的折射定律，有l(wèi) 其中，其中，n1，n2分別為空氣和玻璃的絕對折射率；分別為空氣和玻璃的絕對折射率；n21為玻璃相對于空氣的相對折射率。為玻璃相對于空氣的相對折射率。l 將上式帶入前式，可將上式帶入前式，

22、可得得l (2)只考慮反射現(xiàn)象的透射率計算只考慮反射現(xiàn)象的透射率計算l 只考慮入射光在玻璃蓋板上下界面上的多次反射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，則總輻射中穿和透射，不考慮玻璃吸收的情況，則總輻射中穿過玻璃蓋板的透射率過玻璃蓋板的透射率r計算如下。計算如下。l 經(jīng)過經(jīng)過1次，次，2次，次，3次，次， ，n次，次， 反射，各次透反射，各次透過玻璃蓋板的輻射量可以表示過玻璃蓋板的輻射量可以表示為為l 總的透過輻射總的透過輻射是是故故類似地，可以得到類似地，可以得到N層蓋板的透射率：層蓋板的透射率：l (3)只考慮吸收現(xiàn)象的透射率計算只考慮吸收現(xiàn)象的透射率計算

23、l 玻璃的入射輻射中，有一部分會被玻璃吸收。光玻璃的入射輻射中，有一部分會被玻璃吸收。光線經(jīng)過的路線越長，被吸收的就越多線經(jīng)過的路線越長，被吸收的就越多。l 與與一般傳輸定律類似，有一般傳輸定律類似，有l(wèi) 式中，式中，A為僅考慮吸收情況下玻璃蓋板的透射率；為僅考慮吸收情況下玻璃蓋板的透射率；K為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，1/m；m為光程，為光程，m。l 如果入射光的入射角為如果入射光的入射角為1，折射角為，折射角為2，封蓋為，封蓋為N層，每層的厚度為層，每層的厚度為t并且具有相同的吸收率，并且具有相同的吸收率，則則l (4)總透射率總透射率l N層蓋板的系統(tǒng)的總透射率是層蓋板的系統(tǒng)的總透射率是r，

24、N和和A，N的乘積，的乘積，即即或者或者其中，其中，2=arcsin(n12sin1)。l (5)光學光學效率效率l 總透射率與吸熱體吸收率的乘積即為光學效率，總透射率與吸熱體吸收率的乘積即為光學效率，如下式所示如下式所示：l 2、其他形式的效率方程、其他形式的效率方程l 由于吸熱板溫度不容易測定，而集熱器工質(zhì)的進由于吸熱板溫度不容易測定，而集熱器工質(zhì)的進口溫度口溫度Ti和出口溫度和出口溫度Te比較容易測定，所以集熱器比較容易測定，所以集熱器效率方程也可以用集熱器平均溫度效率方程也可以用集熱器平均溫度Tm來表示來表示：式中，式中，F(xiàn)為集熱器效率因子，其物理意義是：集為集熱器效率因子，其物理意義

25、是：集熱器實際輸出的能量與假定整個吸熱板處于工質(zhì)熱器實際輸出的能量與假定整個吸熱板處于工質(zhì)平均溫度時輸出的能量之比；平均溫度時輸出的能量之比；T是環(huán)境溫度。是環(huán)境溫度。l 盡管集熱器平均溫度可以測定，但由于集熱器出盡管集熱器平均溫度可以測定，但由于集熱器出口溫度隨太陽輻照度變化，不容易控制，所以集口溫度隨太陽輻照度變化，不容易控制，所以集熱器效率方程也可以用集熱器進口溫度熱器效率方程也可以用集熱器進口溫度Ti來表示來表示：l 式中，式中，F(xiàn)R為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，其物理意義是：為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，其物理意義是：集熱器實際輸出的能量與假定整個吸熱板處于工集熱器實際輸出的能量與假定整個吸熱板處于工質(zhì)

26、進口溫度時輸出的能量之比。質(zhì)進口溫度時輸出的能量之比。l 集熱器熱轉(zhuǎn)移因子與集熱器效率因子之間的關系集熱器熱轉(zhuǎn)移因子與集熱器效率因子之間的關系為為式中，式中，F(xiàn)為集熱器流動因子為集熱器流動因子。由于由于F1，所以，所以FRFFFR，所以，所以 FFR。l (3)效率曲線的斜率值表示集熱器總熱損系數(shù)的大效率曲線的斜率值表示集熱器總熱損系數(shù)的大小小l 斜率值越大，則集熱器總熱損系數(shù)越大；反之，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)越小斜率值越小，則總熱損系數(shù)越小。l (4)效率曲線在效率曲線在x軸上的交點值表示集熱器可以達軸上的交點值表示集熱器可以達到的最高溫度到的最高

27、溫度l 當集熱器的散熱損失達到最大時，集熱器效率為當集熱器的散熱損失達到最大時，集熱器效率為零，此時集熱器達到最高溫度，也稱為滯止溫度零，此時集熱器達到最高溫度，也稱為滯止溫度或悶曬溫度，該溫度或悶曬溫度，該溫度為為第第2節(jié)節(jié) 真空管集熱器真空管集熱器l 為了減少傳導、對流和輻射等換熱損失，有人提為了減少傳導、對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間抽成真空的真空管集熱器。l 由于由于密封工藝和受力強度兩方面的原因，平板型密封工藝和受力強度兩方面的原因，平板型真空管集熱器難以制造真空管集熱器難以制

28、造。l 將將集熱器的基本單元集熱器的基本單元集熱管抽成真空則是可集熱管抽成真空則是可以實現(xiàn)的以實現(xiàn)的。l 一一臺真空管集熱器通常由若干只真空集熱管組成，臺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、平板狀或其他形狀可以是圓管狀、平板狀或其他形狀。l 由于每臺真空管集熱器是由若干只真空集熱管組由于每臺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，實際上主要是成的，因而真空管集熱器的分類，實際上主要是真空集熱管的分類真空集熱管的分類。l 按按吸熱體的材料種類，真空管集熱器可分為兩大吸熱體

29、的材料種類，真空管集熱器可分為兩大類。類。l (1)全玻璃真空管集熱器全玻璃真空管集熱器，是吸熱體由內(nèi)玻璃管組，是吸熱體由內(nèi)玻璃管組成的真空管集熱器。成的真空管集熱器。l (2)金屬吸熱體真空管集熱器金屬吸熱體真空管集熱器，是吸熱體由金屬材，是吸熱體由金屬材料組成的真空管集熱器，有時也稱為金屬料組成的真空管集熱器，有時也稱為金屬-玻璃真玻璃真空管集熱器，其中最具有代表性的是熱管式真空空管集熱器，其中最具有代表性的是熱管式真空管集熱器管集熱器。l 目前，真空管集熱器應用于太陽能熱水、采暖、目前，真空管集熱器應用于太陽能熱水、采暖、制冷空調(diào)、物料干燥、海水淡化、工業(yè)加熱、熱制冷空調(diào)、物料干燥、海水

30、淡化、工業(yè)加熱、熱發(fā)電等諸多領域發(fā)電等諸多領域。一、全玻璃真空管集熱器一、全玻璃真空管集熱器l 1、基本結構、基本結構l 全玻璃真空集熱管由內(nèi)玻璃管、外玻璃管、選擇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、消氣劑等部件組成性吸收涂層、彈簧支架、消氣劑等部件組成，其，其形狀猶如一只細長的暖水瓶膽形狀猶如一只細長的暖水瓶膽。l 全玻璃真空集熱管采用一端開口，并將內(nèi)玻璃管全玻璃真空集熱管采用一端開口，并將內(nèi)玻璃管和外玻璃管的一端管口進行環(huán)狀熔封，另一端密和外玻璃管的一端管口進行環(huán)狀熔封，另一端密閉成半球形圓頭；內(nèi)玻璃管用彈簧支架支撐，而閉成半球形圓頭；內(nèi)玻璃管用彈簧支架支撐，而

31、且可以自由伸縮；內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間的夾且可以自由伸縮；內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空層抽成高真空。l 內(nèi)內(nèi)玻璃管的外表面涂有選擇性吸收涂層，彈簧支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行時產(chǎn)架上裝有消氣劑，用于吸收真空集熱管運行時產(chǎn)生的氣體，保持管內(nèi)真空度。生的氣體，保持管內(nèi)真空度。l 2、改進形式、改進形式l 由于真空集熱管內(nèi)裝水，在運行過程中若有一只由于真空集熱管內(nèi)裝水，在運行過程中若有一只管破裂，整個系統(tǒng)都要停止工作管破裂，整個系統(tǒng)都要停止工作。l 可以可以采用兩種方法進行改進采用兩種方法進行改進：l 一一種是將帶有金屬片的熱管插入真空集

32、熱管中，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)表面使金屬片緊靠在內(nèi)玻璃管的內(nèi)表面；l 另另一種是將帶有金屬片的一種是將帶有金屬片的U形管插入真空集熱管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)表面中，也使金屬片緊靠在內(nèi)玻璃管的內(nèi)表面。l 這這兩種改進形式的全玻璃真空集熱管，由于管內(nèi)兩種改進形式的全玻璃真空集熱管，由于管內(nèi)沒有水，不會因一只破損而影響系統(tǒng)的運行，因沒有水，不會因一只破損而影響系統(tǒng)的運行，因而提高了產(chǎn)品的可靠性。而提高了產(chǎn)品的可靠性。二、熱管式真空管集熱器二、熱管式真空管集熱器l 熱管式真空集熱管是金屬吸熱體真空集熱管的一熱管式真空集熱管是金屬吸

33、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、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彈簧支架、蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑等部分構成分構成，其中，其中熱管又包括蒸發(fā)段和冷凝段兩部分。熱管又包括蒸發(fā)段和冷凝段兩部分。l 熱管是利用汽化潛熱高效傳遞熱能的強化傳熱元熱管是利用汽化潛熱高效傳遞熱能的強化傳熱元件件。l 蒸散蒸散型消氣劑在高頻激活后被蒸散在玻璃管的真型消氣劑在高頻激活后被蒸散在玻璃管的真空側表面，像鏡面一樣，其主要作用是提高真空空側表面，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集熱管的初始真

34、空度；非蒸散型消氣劑是一種常溫激活的長效消氣劑，其主要作用是吸收管內(nèi)各溫激活的長效消氣劑，其主要作用是吸收管內(nèi)各部件工作時釋放的殘余氣體，保持真空集熱管的部件工作時釋放的殘余氣體，保持真空集熱管的長期真空度。長期真空度。l 在熱管式真空集熱管工作時，太陽輻射穿過玻璃在熱管式真空集熱管工作時，太陽輻射穿過玻璃管后投射在金屬吸熱板上管后投射在金屬吸熱板上。l 吸熱吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，再傳板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，再傳導給緊密結合在吸熱板中間的熱管，使熱管蒸發(fā)導給緊密結合在吸熱板中間的熱管，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)迅速汽化段內(nèi)的工質(zhì)迅速汽化。l 工質(zhì)工質(zhì)蒸汽上升到熱管冷凝段后，

35、在較冷的內(nèi)表面蒸汽上升到熱管冷凝段后，在較冷的內(nèi)表面上凝結，釋放出蒸發(fā)潛熱，將熱量傳遞給集熱器上凝結，釋放出蒸發(fā)潛熱，將熱量傳遞給集熱器的傳熱工質(zhì)的傳熱工質(zhì)。l 凝結凝結后的熱管液態(tài)工質(zhì)依靠其自身的重力流回到后的熱管液態(tài)工質(zhì)依靠其自身的重力流回到蒸發(fā)段，然后重復上述過程。蒸發(fā)段，然后重復上述過程。l 若干只真空集熱管連接起來，構成真空管集熱若干只真空集熱管連接起來，構成真空管集熱器。器。l 當熱管式真空管工作時，每只真空管將熱量從熱當熱管式真空管工作時，每只真空管將熱量從熱管冷凝端釋放出去，然后再通過導熱塊將熱量傳管冷凝端釋放出去，然后再通過導熱塊將熱量傳導給連接管內(nèi)的傳熱工質(zhì)導給連接管內(nèi)的傳

36、熱工質(zhì)。l 其其結果是，若干只真空集熱管連續(xù)不斷地加熱傳結果是，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，直到達到使用的目熱工質(zhì)，使其溫度不斷上升，直到達到使用的目的的。三、其他形式金屬吸熱體真空管集三、其他形式金屬吸熱體真空管集熱器熱器l 金屬吸熱體真空管集熱器的吸熱體都采用金屬材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。料，而且真空集熱管之間也都采用金屬件連接。l 主要應用的形式有：同心套管式、主要應用的形式有：同心套管式、U形管式、儲形管式、儲熱式、內(nèi)聚光式和直通式等熱式、內(nèi)聚光式和直通式等。l 1、同心套管式真空管集熱器、同心套

37、管式真空管集熱器l 同心套管式真空集熱管，又稱為直流式真空集熱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、玻璃管等幾部分管，主要由同心套管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成組成。l 所謂同心套管就是兩根內(nèi)外相套的金屬管，它們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，與吸熱板緊密連接位于吸熱板的軸線上，與吸熱板緊密連接。l 工作工作時，太陽光穿過玻璃管，投射在吸熱板上時，太陽光穿過玻璃管，投射在吸熱板上；l 吸熱吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能；l 傳熱傳熱介質(zhì)從內(nèi)管進入，通過外管時被吸熱板加熱，介質(zhì)從內(nèi)管進入，通過外管

38、時被吸熱板加熱，然后熱水流出外管。然后熱水流出外管。l 2、U形管式真空管集熱器形管式真空管集熱器l U形管式真空集熱器主要由形管式真空集熱器主要由U形管、吸熱板、玻璃形管、吸熱板、玻璃管等幾部分管等幾部分組成。組成。l 其其冷、熱水從冷、熱水從U形管的一端流入，從另一端流出。形管的一端流入，從另一端流出。l 3、儲熱式真空管集熱器、儲熱式真空管集熱器l 儲熱式真空集熱管主要由吸熱管、內(nèi)插管、玻璃儲熱式真空集熱管主要由吸熱管、內(nèi)插管、玻璃管等幾部分管等幾部分組成。組成。l 吸熱管內(nèi)儲存水，外表面有選擇性吸收涂層吸熱管內(nèi)儲存水，外表面有選擇性吸收涂層。l 白天白天，太陽輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換成熱能后

39、，直接，太陽輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換成熱能后，直接用于加熱吸熱管內(nèi)的水用于加熱吸熱管內(nèi)的水；l 使用使用時，冷水通過內(nèi)插管漸漸注入，同時將熱水時，冷水通過內(nèi)插管漸漸注入，同時將熱水從吸熱管頂出從吸熱管頂出；l 夜間夜間，由于真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫，由于真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢。很慢。l 4、內(nèi)聚光式真空管集熱器、內(nèi)聚光式真空管集熱器l 內(nèi)聚光式真空集熱管主要由吸熱體、復合拋物聚內(nèi)聚光式真空集熱管主要由吸熱體、復合拋物聚光鏡、玻璃管等部分光鏡、玻璃管等部分組成。組成。l 吸熱體通常是熱管，也可以是同心套管或吸熱體通常是熱管，也可以是同心套管或U形管，形管，其表面有中溫選擇性吸收涂

40、層其表面有中溫選擇性吸收涂層。l 平行的平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會被復合拋物聚光鏡反射到位于其焦線處的吸熱體被復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行熱管的原理運行。l 5、直通式真空管集熱器、直通式真空管集熱器l 直通式真空集熱管主要由吸熱管和玻璃管這兩部直通式真空集熱管主要由吸熱管和玻璃管這兩部分分組成。組成。l 吸熱吸熱管表面有高溫選擇性吸收涂層。傳熱介質(zhì)從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)太陽輻射加熱后，從吸熱吸熱

41、管的一端流入，經(jīng)太陽輻射加熱后，從吸熱管的另一端流出管的另一端流出。l 直通直通式真空集熱管通常與拋物柱面聚光鏡配套使式真空集熱管通常與拋物柱面聚光鏡配套使用，組成聚光型太陽能集熱器。用，組成聚光型太陽能集熱器。l 金屬吸熱體真空管集熱器有以下共同優(yōu)點。金屬吸熱體真空管集熱器有以下共同優(yōu)點。l (1)運行溫度高運行溫度高。l 所有所有集熱器的運行溫度都可達到集熱器的運行溫度都可達到70120，有的，有的集熱器甚至可達集熱器甚至可達300400，使之成為太陽能中高，使之成為太陽能中高溫利用必不可少的集熱部件。溫利用必不可少的集熱部件。l (2)承壓能力強承壓能力強。l 所有所有真空集熱管及其系統(tǒng)

42、都能承受自來水或循環(huán)真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受自來水或循環(huán)泵的壓力，多數(shù)集熱器還可用于產(chǎn)生泵的壓力，多數(shù)集熱器還可用于產(chǎn)生1MPa以上的以上的熱水甚至高壓蒸汽。熱水甚至高壓蒸汽。l (3)耐熱沖擊性能好耐熱沖擊性能好。l 所有所有真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受急劇的冷熱變真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受急劇的冷熱變化，即使對空曬的集熱器系統(tǒng)突然注入冷水，真化，即使對空曬的集熱器系統(tǒng)突然注入冷水，真空集熱管也不會因此而炸裂空集熱管也不會因此而炸裂。四、各種集熱器的性能的比較與選擇四、各種集熱器的性能的比較與選擇第第3節(jié)節(jié) 聚光型集熱器聚光型集熱器l 一、聚光型集熱器的構造一、聚光型集熱器的構造l 聚光型集熱器主要包括三部分：聚光器、吸收器聚光型集熱器主要包括三部分：聚光器、吸收器和跟蹤和跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)。l 拋物線拋物線型的反