太陽能平板式集熱器

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太陽能平板集熱器2常見太陽能熱水器單體機(jī)集中集熱系統(tǒng)3太陽能集熱器太陽能集熱器是用來收集太陽能的裝置，太陽能利用都離不開集熱裝置。太陽能集熱器有多種，根據(jù)不同功能主要有：

（1）非聚焦式的平板式太陽能集熱器和真空管太陽能集熱器；（2）聚焦式太陽能集熱器；（3）太陽能空氣集熱器和液體集熱器；

（4）跟蹤與非跟蹤集熱器；

（5）低、中、高溫集熱器。定義：吸收太陽能輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置。4(1)平板式集熱器的分類按集熱工質(zhì)分類

①水集熱普通家用太陽能平板集熱器、公用熱水系統(tǒng)，幾乎都采用水為集熱工質(zhì)。②空氣集熱太陽能干燥和太陽房采暖的集熱裝置，通常均以空氣作為集熱工質(zhì)。③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①黑面一般在集熱體表面涂刷或噴涂一層黑色涂料，簡(jiǎn)稱黑面，很少采用。②光譜選擇性吸收面經(jīng)過化學(xué)、電鍍等工藝制成的選擇性吸收表面，普遍采用。一、平板式集熱器5(2)平板式集熱器結(jié)構(gòu)平板式集熱器結(jié)構(gòu)圖平板式集熱器吸收太陽輻射能的面積與其采光窗口的面積基本相等，外形似平板。平板式集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，固定安裝，不需要跟蹤太陽，可采集太陽的直接輻射和漫輻射，成本低。平板式集熱器的基本結(jié)構(gòu)：透明蓋板、吸熱體、保溫材料和殼體組成。61、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，起到隔熱保溫作用；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。特點(diǎn)：光學(xué)性能好，陽光透過率τ高，α+ρ+τ=1，而吸收率α和反射率ρ低，隔熱效果好。常用的透明蓋板材料有普通玻璃、鋼化玻璃、透明玻璃鋼和透明塑料等。普通玻璃的透光率較高，紅外反射率低，抗老化能力強(qiáng)；鋼化玻璃有優(yōu)秀的力學(xué)性能；透明塑料的透光率較高，但容易老化，目前僅用于內(nèi)層蓋板。普通玻璃主要包括平板玻璃和超白玻璃。(1)平板玻璃。平板玻璃具有紅外透射比低、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐候性能好等特點(diǎn)，可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求，常用玻璃厚度為3.2mm和4.0mm兩種。然而對(duì)于平板玻璃來說，太陽透射比和沖擊強(qiáng)度是兩個(gè)需要重視的問題。1.1透明蓋板(2)超白玻璃是一種超透明低鐵玻璃，也稱低鐵玻璃、高透明玻璃。它是一種高品質(zhì)、多功能的新型高檔玻璃品種，透光率可達(dá)91.5%以上，具有晶瑩剔透、高檔典雅的特性，有玻璃家族“水晶王子”之稱。超白玻璃同時(shí)具備優(yōu)質(zhì)浮法玻璃所具有的一切可加工性能，具有優(yōu)越的物理、機(jī)械及光學(xué)性能，可像其他優(yōu)質(zhì)浮法玻璃一樣進(jìn)行各種深加工。玻璃自爆率低：采用高純度原材料，相對(duì)普通玻璃不含各種引爆雜質(zhì)，從而大大降低了鋼化后的自爆率。顏色一致性：超白玻璃采用先進(jìn)的色度分析儀和分析軟件，確保了玻璃顏色的一致性?？梢姽馔高^率高，通透性好：大于90%的可見光透過率，使集熱器得到更多太陽能量。紫外線透過率低：降低對(duì)其他材料的老化影響。超白玻璃的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：玻璃鋼板1.2透明蓋板玻璃鋼板(玻璃纖維增強(qiáng)塑料板)特點(diǎn)：

太陽透射比高；

導(dǎo)熱系數(shù)?。粵_擊強(qiáng)度高。

（3）玻璃鋼板紅外透射比耐候性能關(guān)鍵問題123玻璃鋼板使用高鍵能樹脂和膠衣，可以減少受紫外線破壞的程度。具體優(yōu)勢(shì)如下：質(zhì)量輕，便于太陽能集熱器的運(yùn)輸及安裝;加工性能好，便于太陽能集熱器產(chǎn)品加工成型。具體缺點(diǎn)如下：玻璃鋼板的太陽透射比一般都在0.88以上，但它的紅外透射比也比平板玻璃高得多。玻璃鋼板的使用壽命是無論如何不能跟作為無機(jī)材料的平板玻璃相比擬的。因此，玻璃鋼板作為集熱器的蓋板已經(jīng)越來越少。玻璃鋼板的優(yōu)缺點(diǎn)：當(dāng)太陽能集熱器的工作溫度較高或者在氣溫較低的地區(qū)使用，譬如在我國(guó)南方進(jìn)行太陽能空調(diào)或者在我國(guó)北方進(jìn)行太陽能采暖，宜采用雙層透明蓋板;隨著層數(shù)增多，會(huì)減少集熱器的對(duì)流和輻射熱損失，同時(shí)也會(huì)大幅度降低實(shí)際有效的太陽透射比。1.3透明蓋板的層數(shù)及間距透明蓋板的層數(shù)取決于太陽能集熱器的工作溫度和氣候條件。絕大多數(shù)情況下，太陽能集熱器都采用單層透明蓋板透明蓋板與吸熱板之間的最佳距離是20mm142、吸熱板常采用普通鋼、不銹鋼、鋁、銅等。普通鋼通常鍍鋅處理，可以提高耐腐蝕性；鋁的導(dǎo)熱系數(shù)比普通鋼大，熱效率也高，為耐腐蝕起見往往有涂層；銅的導(dǎo)熱好、耐腐蝕、易加工，但與普通鋼、鋁相比價(jià)格相對(duì)高。吸熱板是平板型太陽能集熱器內(nèi)吸收太陽輻射能并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的部件，作為吸熱材料基本要求是對(duì)太陽光的高吸收率和較低的紅外發(fā)射率、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕性好、力學(xué)性好、加工性好和價(jià)格低廉。152.1吸熱板材料集管和支管采用的原材料：TP2銅-磷脫氧銅方法：把熔化銅中產(chǎn)生的氧氣用親氧性的磷(P)脫氧，使其氧含量降低到100PPm以下，從而提高其延展性、耐蝕性、熱傳導(dǎo)性、焊接性、抽拉加工性，在高溫中也不發(fā)生氫脆現(xiàn)象。162.2吸熱板分類根據(jù)管道結(jié)構(gòu)及其與吸熱材料之間的結(jié)合方式，吸熱板可以分為以下幾類：管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式。蛇管式17（1）管板式特征：將排管與平板以一定的結(jié)合方式連接構(gòu)成吸熱條帶結(jié)合方式：熱碾壓成型，高頻焊接，超聲焊接等銅鋁復(fù)合條(熱碾壓成型)優(yōu)點(diǎn)：

a.熱效率高：熱碾壓使銅管和鋁板之間達(dá)到冶金結(jié)合，無結(jié)合熱阻；

b.水質(zhì)清潔：太陽條接觸水的部分是銅材，不會(huì)被腐蝕；

c.保證質(zhì)量：生產(chǎn)過程完現(xiàn)機(jī)械化；

d.耐壓能力強(qiáng)：用高壓空氣吹脹成型。18（2）翼管式特征：利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側(cè)連有翼片的吸熱條帶優(yōu)點(diǎn)：

a.熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻

b.耐壓能力強(qiáng)，鋁合金管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：

a.水質(zhì)不易保證，鋁合金被腐蝕b.材料用量大，工藝要求管壁和冀片都有較大的厚度c.動(dòng)態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量19（3）扁盒式特征：扁盒式吸熱板是將兩塊金屬板分別模壓成型，然后再焊接成一體構(gòu)成吸熱板優(yōu)點(diǎn)：a．熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻b．不需要焊接集管，流體通道和集管采用一次模壓成型。缺點(diǎn)：a.焊接工藝難度大，容易出現(xiàn)焊接穿透或者焊接不牢b.耐壓能力差，焊點(diǎn)不能承受較高的壓力c.動(dòng)態(tài)特性差，流體通道的橫截面大，吸熱板有較大熱容d.有時(shí)水質(zhì)不易保證，鋁合金和鍍鋅鋼都會(huì)被腐蝕20（4）蛇管式特征：蛇管式吸熱板是將金屬管彎曲成蛇形。優(yōu)點(diǎn)：a.不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性b.熱效率高，無結(jié)合熱阻；c.水質(zhì)清潔，鋼管不會(huì)被腐蝕；d.保證質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；e.耐壓能力強(qiáng)，鋼管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：a.流動(dòng)阻力大，流體通道不是并聯(lián)而是串聯(lián)；b.焊接難度大，焊縫不是直線而是曲線。21

為了使吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，在吸熱板上應(yīng)覆蓋有深色的涂層，這稱為太陽能吸收涂層。2.3吸熱板的涂層太陽輻射的波長(zhǎng)主要集中在0.3-2.5μm的范圍內(nèi)，而吸熱板的熱輻射則主要集中在2-20μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，要增強(qiáng)吸熱板對(duì)太陽輻射的吸收能力，又要減小熱損失，降低吸熱板的熱輻射，就需要采用選擇性涂料。要求：對(duì)太陽短波輻射具有較高吸收率，而對(duì)長(zhǎng)波熱輻射發(fā)射率卻較低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。a）非選擇性吸收涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長(zhǎng)無關(guān)的吸收涂層;b）選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長(zhǎng)不同有顯著變化的吸收涂層。22非選擇性吸收涂層：隨著太陽吸收比的提高，往往發(fā)射率也隨之升高。例如：黑板漆，其太陽吸收比可高達(dá)0.95，但發(fā)射率也在0.90左右。高的太陽吸收比低的發(fā)射率選擇性吸收涂層：絕大多數(shù)的太陽吸收比都可達(dá)到0.90以上，但是它們可達(dá)到的發(fā)射率范圍卻有明顯的區(qū)別，涂層的實(shí)際發(fā)射率值取決于制備該涂層工藝優(yōu)化的程度。從發(fā)射率的性能角度出發(fā)，各種方法優(yōu)劣的排列順序應(yīng)是：層磁控濺射方法、電鍍涂、電化學(xué)方法、真空蒸發(fā)方法、化學(xué)方法。23(1)電鍍涂層黑鉻涂層的吸收比α和發(fā)射比ε分別為0.93~0.97和0.07~0.15，特征參數(shù)α/ε為6~13，具有優(yōu)良的光譜選擇性。黑鉻涂層的熱穩(wěn)定性和抗高溫性能也很好，適用于高溫條件，在300℃能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。此外，黑鉻涂層還具有較好的耐候性和耐蝕性。

黑鎳涂層：黑鎳涂層的吸收比α可達(dá)0.93~0.96，熱發(fā)射比ε為0.08~0.15，α/ε接近6~12，其吸收性能較好。黑鎳涂層很薄，為了提高涂層與基體的結(jié)合力和耐蝕性，常采用中間涂層(如Ni，Cu，Cd)或雙層鎳涂層。由于黑鎳涂層的熱穩(wěn)定性、耐蝕性較差，通常只適用于低溫太陽能熱利用。

黑鈷涂層：黑鈷涂層的主要成分是CoS，具有蜂窩型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其吸收比α可達(dá)0.94~0.96，發(fā)射比ε為0.12~0.14，α/ε為6.7~8。但是，現(xiàn)在采用的電鍍黑鉻工藝，電流密度大(15~200A/m2)，溶液導(dǎo)電性差，電鍍時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，需要冷卻和通風(fēng)排氣才能維持正常生產(chǎn)。另外，黑鉻鍍?cè)诜倾~件上，需要先預(yù)鍍銅，再鍍光亮鎳，最后鍍黑鉻，生產(chǎn)成本較高。

黑鉻涂層24

對(duì)于不透明的吸收表面，有α+ρ=1，其中ρ為反射率。所以有：α=1-ρ。在短波區(qū)域，反射率ρ很小，即α很大；而在長(zhǎng)波區(qū)域，ρ很大，即α很小。25現(xiàn)狀：目前國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)廠大多采用磁控濺射的方法制作選擇性涂層，可達(dá)到吸收率0.93-0.95，發(fā)射率0.12-0.04，大大提高了產(chǎn)品熱性能。(2)電化學(xué)表面轉(zhuǎn)化涂層鋁陽極氧化涂層：一種多孔膜，孔隙率達(dá)22%，電解著色時(shí)金屬易沉積在微孔中，此涂層耐腐蝕、耐磨和耐光照等性能較好，在太陽能熱水器中已得到廣泛應(yīng)用。CuO轉(zhuǎn)化涂層：以陽極氧化法制取的CuO轉(zhuǎn)化涂層，NaOH電解液的濃度為1mol/L，電流密度為2mA/cm2，溫度為50~57℃。(3)真空鍍涂層可以采用真空蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)制備選擇吸收性能優(yōu)良的涂層，但后者的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的涂層。262.4吸熱板的處理(1)絨面技術(shù)—提高吸收率表面結(jié)構(gòu)化是提高對(duì)太陽輻射吸收率的一項(xiàng)有效技術(shù)。1957年，Tabor提出將太陽輻射接收表面制造成連續(xù)的V形皺折，當(dāng)太陽輻射入射到這種皺折表面時(shí)，陽光經(jīng)過多次反射吸收，最終可將表面的有效陽光吸收率增加到接近1。(1)絨面技術(shù)入射輻射經(jīng)過n次內(nèi)反射，則該表面的有效吸收率為：其中，為吸收率；為反射率。(2)減反射膜—減少反射率減反射涂層：根據(jù)薄膜干涉原理，蒸鍍?cè)谔栞椛浣邮鼙砻嫔?，從而能夠有效地降低其光反射率。鍍膜鏡頭，增加透光率，減少反射佳能EF如果一束波長(zhǎng)為λ的光線E入射到金屬試樣的薄膜表面上，這束光線的一部分以φ角入射，在Ⅰ界面A處反射；其余的部分以ψ角折射，然后從Ⅱ界面B反射，這些光線中的一部分在Ⅰ界面C處被反射回到D….，其余的部分在C處折射出來與Ⅰ界面反射的光疊加，形成反射光束R。反射光束R的強(qiáng)弱是上表面（薄膜表面）反射光與下表面（薄膜下面的金屬表面）反射光干涉的結(jié)果。薄膜干涉原理兩相位相差180°303、保溫材料在集熱器的背面和側(cè)面都裝有絕緣材料，要求導(dǎo)熱系數(shù)低，絕熱性好，不吸濕、不吸水，一般采用玻璃棉、礦渣棉和蛭石等，它可以減少熱損失和提高熱效率，同時(shí)增加集熱器的強(qiáng)度。玻璃棉礦渣棉(3)平板式集熱器能量平衡由分析可知，投射到平板集熱器上的入射太陽輻射總能量QA,其中大部分被集熱工質(zhì)所吸收，構(gòu)成集熱器的有用能量收益QU,其余為集熱器向環(huán)境的散熱損失QL和集熱器本身的儲(chǔ)能QS。由此寫得集熱器的能量平衡方程為：QSQL2側(cè)面熱損QL3背面熱損QL1正面熱損入射太陽輻射的總能量式中，IT為集熱器采光面上的入射太陽總輻射強(qiáng)度；（τα）e為集熱板-透明蓋板系統(tǒng)的有效透過率-吸收率乘積；AC為集熱器采光面