太陽能集熱器

1、太陽能集熱器在太陽能的熱利用中，關(guān)鍵是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。由于太陽能比較分散，必須設(shè)法把它集中起來，所以，集熱器是各種利用太陽能裝置的關(guān)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(chǎn)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。名稱：太陽能集熱器主題詞或關(guān)鍵詞：太陽能能源科學(xué)集熱器效率比較高的集熱器由收集和吸收裝置組成。陽光由不同波長的可見光和不可見光組成，不同物質(zhì)和不同顏色對不同波長的光的吸收和反射能力是不一樣的。黑顏色吸收陽光的能力最強，因此棉衣一般用深色或

2、黑色布。白色反射陽光的能力最強，因而夏季的襯衫多是淡色或白色的。因此利用黑顏色可以聚熱。讓平行的陽光通過聚焦透鏡聚集在一點、一條線或一個小的面積上，也可以達(dá)到集熱的目的。紙在陽光照射下，不管陽光多么強，哪怕是在炎熱的夏天，也不會被陽光點燃。但是，若利用集光器，把陽光聚集在紙上，就能將紙點燃。集熱器一般可分為平板集熱器、聚光集熱器和平面反射鏡等幾種類型。平板集熱器一般用于太陽能熱水器等。聚光集熱器可使陽光聚焦獲得高溫，焦點可以是點狀或線狀，用于太陽能電站、房屋的采暖（暖氣）和空調(diào)（冷氣）、太陽爐等。按聚光鏡構(gòu)造有“菲涅爾”透鏡、拋物面鏡和定日鏡。 太陽能集熱器平面反射鏡用于太陽能塔式發(fā)電，有跟蹤

3、設(shè)備，一般和拋物面鏡聯(lián)合使用。平面鏡把陽光集中反射在拋物面鏡上，拋物面鏡使其聚焦。太陽能集熱器的定義是：吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱介質(zhì)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(chǎn)生熱能；第四：太陽能集熱器可以將熱能傳遞到傳熱介質(zhì)。太陽能集熱器雖然不是直接面向消費者的終端產(chǎn)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(guān)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、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.太陽

4、能集熱器的分類1.按集熱器的傳熱工質(zhì)類型分：液體集熱器、空氣集熱器2.按進(jìn)入采光口的太陽輻射是否改變方向分：聚光型集熱器、非聚光型集熱器3.按集熱器是否跟蹤太陽分為：跟蹤集熱器、非跟蹤集熱器4.按集熱器內(nèi)是否有真空空間分為：平板型集熱器、真空管集熱器5.按集熱器的工作溫度范圍分為：低溫集熱器、中溫集熱器、高溫集熱器6.按集熱板使用材料分別為：純銅集熱板、銅鋁復(fù)合集熱板、純鋁集熱板平板型平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。用平板型太陽能集熱器組成的熱水器即平板太陽能熱水器。當(dāng)平板型太陽能集熱器工作時，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)化成熱能

5、，然后傳遞給吸熱板內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出；與此同時，溫度升高后的吸熱板不可避免的要通過傳導(dǎo)、對流和輻射等方式向四周散熱，成為集熱器的熱量損失。平板型太陽集熱器是太陽集熱器中一種最基本的類型，其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本適宜，還具有承壓太陽能集熱器能力強、吸熱面積大等特點，是太陽能與建筑結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一。根據(jù)IEA報告，截止到2004年底，平板型集熱器占總市場份額的35%，真空管集熱器占41%。如果不統(tǒng)計無蓋板的太陽能集熱器，歐洲、日本和以色列等國家均是以平板型集熱器為主，約占市場份額的90%；國內(nèi)市場以真空管為主，2005年約占市場份額的87%，

6、平板型集熱器只占12%。國內(nèi)平板集熱器從上世紀(jì)80年代的市場統(tǒng)治地位逐步下滑到12%左右，有眾多因素造成的：1）直接系統(tǒng)的平板熱水器在冬季不能防凍，須排空，因此冬季不能使用并維護復(fù)雜；2）全玻璃真空管熱水器在大部分地區(qū)可全年使用；3）全玻璃真空管由于技術(shù)創(chuàng)新，成本大幅度降低，生產(chǎn)企業(yè)迅速增加，促進(jìn)太陽能熱水器市場迅速擴大。因此，目前家用熱水器國內(nèi)市場格局是由于產(chǎn)品的特點和價格等因素形成的，可以預(yù)見在家用熱水器中低擋市場中仍將是全玻璃真空管熱水器為主。國外太陽能市場始終以平板集熱器為主，是因為國外太陽能系統(tǒng)設(shè)計理念的不同。國外系統(tǒng)一般采用間接系統(tǒng)、分體式系統(tǒng)和閉式承壓系統(tǒng)，這類系統(tǒng)一般初投資高，

7、但系統(tǒng)可靠、維護成本低、水質(zhì)不會污染和系統(tǒng)壽命長。針對這類系統(tǒng)，平板集熱器體現(xiàn)出其自身的技術(shù)優(yōu)勢45：1）平板集熱器最適合用于承壓系統(tǒng)；2）最適合于雙循環(huán)的太陽能熱水器；3）最有利于實現(xiàn)太陽能熱水器與建筑結(jié)合；4）系統(tǒng)壽命長，維護費用低；5）大多數(shù)情況下可以提供更多的生活熱水；6）平板集熱器用于太陽能采暖系統(tǒng)時能較方便解決非采暖季節(jié)的系統(tǒng)過熱問題。因此，在太陽能系統(tǒng)工程、分體式太陽能熱水器和對太陽能與建筑一體化有要求的場所，平板集熱器比全玻璃真空管集熱器在系統(tǒng)壽命、系統(tǒng)維護等方面具有明顯優(yōu)勢。目前國內(nèi)平板太陽能集熱器和國外先進(jìn)水平仍存在一定差距。國內(nèi)廠家送檢測試結(jié)果和部分SPF檢測報告對比可以

8、看出6：我國太陽能集熱器瞬時效率的截距略低于國外產(chǎn)品，熱損系數(shù)差別較大。這表明現(xiàn)有產(chǎn)品在玻璃透過率、高效選擇性涂層和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面仍存在差距，因此國內(nèi)廠家需要努力提高平板太陽能集熱器產(chǎn)品性能，開展高效平板太陽能集熱器研發(fā)。尤其在寒冷地區(qū)或太陽能采暖等場合，集熱器熱性能對太陽能系統(tǒng)收益影響特別顯著。平板涂層為了提高太陽集熱器的效率，唯一有效的辦法是在保持最大限度地采集太陽能的同時盡可能減小其對流和輻射熱損。采用優(yōu)質(zhì)選擇性吸收涂層材料和高透過率蓋板材料是滿足上述要求的重要途徑7。隨著太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展，我國對選擇性吸收材料的研究工作已有二十年的歷史了。太陽集熱器的發(fā)展過程也是涂層技術(shù)的發(fā)展過

9、程。期間經(jīng)歷了從非選擇性的普通黑漆到選擇性的硫化鉛、金屬氧化物涂料，從黑鎳、黑鉻到鋁陽極化涂層等一代接一代的更新?lián)Q代過程。隨著涂層技術(shù)的不斷進(jìn)步涂層性能得到了很大的提高。目前我國平板集熱器吸收表面主要采用鋁條帶上陽極化著色和銅條帶上黑鉻選擇性涂層。間歇式磁控濺射鋁-氮-鋁材料選擇性吸收涂層的鍍膜生產(chǎn)技術(shù)是隨著真空管集熱器的產(chǎn)生而發(fā)展起來的，基本上代表了當(dāng)前我國中低溫選擇性吸收材料的生產(chǎn)水平。由于該涂層耐候性能較差，不適于平板集熱器的使用。目前，國際上發(fā)達(dá)國家，尤其是歐洲，選擇性吸收涂層的生產(chǎn)主要有兩個特點，其一是采用，真空鍍膜技術(shù)其二是采用卷繞式連續(xù)鍍膜方式。即使是濕法鍍膜也采用連續(xù)鍍膜工藝。

10、如丹麥的BATEC公司是生產(chǎn)黑鉻吸收涂層的，在銅條帶上采用連續(xù)電鍍的方法進(jìn)行生產(chǎn)。年生產(chǎn)能力為十幾萬平米，產(chǎn)品的光學(xué)性能及耐候性都很理想。 此外，德國幾個生產(chǎn)選擇性涂層的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法和連續(xù)生產(chǎn)方式進(jìn)行吸收涂層生產(chǎn)的。真空鍍膜技術(shù)生產(chǎn)工藝不存在污染問題，涂層光學(xué)性能優(yōu)良，但連續(xù)化生產(chǎn)線投資較大，涂層生產(chǎn)成本較高，有些真空鍍膜涂層耐候性能不很理想。濕法鍍膜技術(shù)采用電化學(xué)方法生產(chǎn)，工藝設(shè)計或生產(chǎn)控制不當(dāng)，容易造成一定程度的污染，但涂層（如黑鉻涂層）連續(xù)化生產(chǎn)線投資較小，涂層具有優(yōu)良的光學(xué)性能而且也具有非常優(yōu)異的耐熱耐濕耐候性能，是一種性價比

11、較高的太陽能選擇性涂層。北京市太陽能研究所有限公司于2003年開始黑鉻選擇涂層生產(chǎn)工藝的研究，于2004年建成國內(nèi)第一條黑鉻太陽能選擇涂層連續(xù)化生產(chǎn)線，產(chǎn)品經(jīng)檢測8：涂層的吸收率0.93，紅外發(fā)射率0.10，性能達(dá)到國外平板太陽能集熱器涂層先進(jìn)水平。北京市太陽能研究所有限公司也開展耐候性涂層真空鍍膜生產(chǎn)技術(shù)的研究。研制了不銹鋼氮化物和不銹鋼碳化物的金屬陶瓷選擇性吸收涂層，為實現(xiàn)該膜層的生產(chǎn)，研制了一臺三靶磁控濺射真空鍍膜機并成功的進(jìn)行了中試。通過小批量試生產(chǎn)制備出合格產(chǎn)品用于平板集熱器。目前，國內(nèi)多家研究結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠家均在開展用于平板集熱器的高性能太陽能選擇性涂層生產(chǎn)工藝和設(shè)備研究。因此與國外

12、在太陽能選擇性涂層方面的技術(shù)差距將會越來越小，這為國內(nèi)平板集熱器技術(shù)的提升打下基礎(chǔ)。性能比較關(guān)于平板集熱器太陽能系統(tǒng)，業(yè)界存在一些誤解。其一是平板集熱器太陽能系統(tǒng)四季全天候運行問題，很多人認(rèn)為平板集熱器太陽能系統(tǒng)不能在冬季運行，實際上這種觀點是錯誤的。目前，平板集熱器太陽能系統(tǒng)一般采用回流排空技術(shù)及二次循環(huán)技術(shù)（通過防凍液傳熱），在北方地區(qū)可方便地解決集熱器過冬防凍問題，無集熱器凍壞的后顧之憂，并且可以解決夏季（或熱水負(fù)荷不匹配時）系統(tǒng)過熱問題，這一特點對太陽能采暖系統(tǒng)非常有利。此外，回流排空防過熱、防凍技術(shù)方案在荷蘭等歐洲國家也大量使用，是一種非常成熟的技術(shù)方案9。另一個誤解是平板集熱器得熱

13、量問題，很多人認(rèn)為平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)的得熱量（或產(chǎn)水量）要低于真空管集熱器熱水系統(tǒng)，實際檢測表明：采用黑鉻選擇涂層平板集熱器熱水系統(tǒng)產(chǎn)水量要高于相同總面積的真空管集熱器熱水系統(tǒng)5。測試結(jié)果如下：圖2 黑鉻選擇涂層平板集熱器和真空管集熱器全年單位面積日均產(chǎn)水量比較從測試結(jié)果可以看出，在北京地區(qū)，高效平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)的產(chǎn)水量要高于同等面積的真空管集熱器系統(tǒng)。其中一個重要原因是同等面積下真空管集熱器采光面積要低于平板集熱器采光面積。7發(fā)展方向針對國內(nèi)平板集熱器與國外的技術(shù)和質(zhì)量的差距，應(yīng)采取以下措施提高平板集熱器的性能和質(zhì)量：1）研究開發(fā)適用于平板太陽能集熱器的選擇性涂層，涂層應(yīng)具有高

14、吸收率、低紅外發(fā)射率、優(yōu)異的耐熱耐濕耐候性能和適宜的加工成本；2）廣泛采用低鐵高透過率蓋板玻璃。目前已有多個玻璃廠家開始生產(chǎn)適用于太陽能集熱器的低鐵玻璃，國內(nèi)外玻璃質(zhì)量差距越來越小；3）重視集熱器的優(yōu)化設(shè)計，改善制造工藝，保證結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性，減小集熱器的散熱損失；4）選用鋼化玻璃作為集熱器蓋板，提高集熱器部件質(zhì)量，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保集熱器可以經(jīng)受防冰雹、淋雨、空曬、耐壓、熱沖擊等性能試驗，提高集熱器壽命，減少系統(tǒng)維護費用；5）為適應(yīng)寒冷地區(qū)、太陽能采暖和空調(diào)以及工業(yè)加熱等特殊要求，應(yīng)開發(fā)高效平板集熱器。盡快使雙層蓋板和透明蜂窩等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并提高其性價比，使高效平板集熱器有較強市場競爭力；6

15、）跟蹤國外平板集熱器先進(jìn)技術(shù)和工藝，開發(fā)新型平板集熱器太陽能系統(tǒng)，提高平板集熱器市場占有率。另外1）平板集熱器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本適宜，還具有承壓能力強、吸熱面積大等特點，最有利于實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)與建筑結(jié)合；2）采用回流排空技術(shù)，平板集熱器太陽能系統(tǒng)可以方便地解決防凍和防過熱等技術(shù)難點；3）高效平板集熱器太陽能系統(tǒng)在同等面積前提下與真空管太陽能系統(tǒng)相比，可以提供更多生活熱水；太陽能集熱器4） 國內(nèi)平板集熱器性能和質(zhì)量與國外的產(chǎn)品相比，仍存在一定差距。在選擇性涂層、蓋板玻璃、優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)工藝等方面有待于進(jìn)一步提高。9真空管真空管集熱器就是將吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。用

16、真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。真空管按吸熱體材料種類，可分為兩類：一類是玻璃吸熱體真空管（或稱為全玻璃真空管），一類是金屬吸熱體真空管（或稱為玻璃金屬真空管）。熱管式真空管是金屬吸熱體真空管的一種，它由熱管、吸熱體、玻璃管和金屬端蓋等主要部件組成。熱管式真空管(3張)熱管式真空管與其他類型的太陽能熱水器相比，具有以下不可替代的優(yōu)點：1.耐冰凍：采用抗凍型熱管，即使在50的嚴(yán)寒條件下也不會凍裂。2.啟動快：熱管的熱容量大，在陽光下幾分鐘后即可輸出熱量；而且在多云間晴的天氣，比其他熱水器能產(chǎn)生更多的熱水。3.不結(jié)垢：由于水不直接流經(jīng)真空管內(nèi)，避免了因結(jié)水垢而引起的水道堵塞問題。4.

17、保溫好：熱管具有單向傳熱的特點，使熱水在夜間不會沿?zé)峁芟蛳律岬街車h(huán)境。5.承壓高：由于玻璃管內(nèi)不盛水，連接成集熱器后可隨自來水和循環(huán)泵的壓力，因而在大中型熱水系統(tǒng)應(yīng)用中獨具優(yōu)勢。6.耐熱沖擊性好：即使用戶偶然誤操作，陽光下空曬后的熱水器內(nèi)立即注入冷水，真空管也不會炸裂。7.安裝簡便，運行可靠：集熱器內(nèi)的真空管與集熱器間是“干性連接”，無熱水泄漏問題，安裝方便；即使有一根熱管出現(xiàn)問題，在維修過程中也不會影響整個系統(tǒng)的正常使用。正是由于熱管式真空管具有以上諸多優(yōu)點，才越來越受到各國太陽界的重視。北京市太陽能研究所的熱管式真空管集熱器經(jīng)過德國和瑞士檢測機構(gòu)的測試，產(chǎn)品熱性能指標(biāo)達(dá)到了九十年代國際

18、先進(jìn)水平，成為了繼法國和英國之后世界上第三個可批量生產(chǎn)熱管式真空管集熱器的單位。我國的住宅設(shè)計目前尚未考慮生活熱水供應(yīng)，而家里有熱水洗澡是小康生活的一個必要條件。我國能源供應(yīng)緊張，依靠常規(guī)能源不可能全部解決城市住宅生活熱水供應(yīng)。我國太陽能資源非常豐富，全國有三分之二以上地區(qū)年輻照總量大于502萬千焦/米2，年日照時數(shù)在2000小時以上；而且近年來太陽能熱水器發(fā)展迅速，使得利用太陽能供熱水不僅在技術(shù)上和經(jīng)濟上是可行的，并已具備了與常規(guī)能源的競爭力。太陽能熱水器早在八十年代初就在我國開始推廣，應(yīng)用范圍包括集體浴室、游游泳池加熱、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等?，F(xiàn)在的市場發(fā)展勢頭正逐年向居民住宅用熱水傾斜，在國內(nèi)的一些地區(qū)如昆明已陸續(xù)出現(xiàn)太陽能熱水器在住宅中的統(tǒng)一設(shè)計和安裝，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。但是，太陽能熱水器在北京等大中城市的推廣速度極其緩慢。究其原因，主要是太陽能熱水器的安裝問題。由于太陽能熱水器需要安裝在屋頂，而北京的住宅建筑在設(shè)計時未考慮太陽能熱水器的管線問題，勢必要進(jìn)行二次施工。要解決這個問題，就要使太陽能熱水器作為