简述光热转换技术及原理

简述光热转换技术及原理
简述光热转换技术及原理
1 概述
太阳能必须经过各种转换,才可能⽅便地服务社会。

各种太阳能利⽤成功的关键在于太阳能转换技术。

现代意义上的太阳能转换技术开发的全部内容可归纳为两个主要⽅⾯：
（1）⾼效地收集太阳能，主要技术内容有：
①选择性表⾯技术；
②受光⾯的光学设计；
③集热体的热结构设计与分析‘
④装置的机械结构设计。

（2）将收集的太阳能⾼效地转换为其他形式的有⽤能，主要技术内容有：
①尽可能降低能量转换过程中的各种热、电损失；
②优异的系统设计。

太阳能光热转换在太阳能⼯程中占有重要地位，其基本原理是通过特制的太阳能采光⾯，将投射到该⾯上的太阳能辐射能作最⼤限度地采集和吸收，并转换为热能，加热⽔或空⽓，为各种⽣产过程或⼈们⽣活提供所需的热能。

2 平板集热
所谓平板集热，就是集热装置的采光⾯积等于集热⾯积；若采光⾯⼤于集热⾯积，称为聚光集热。

两者的概念是相对⽽⾔的。

平板集热具有以下特点：
①采光⾯等于集热⾯；
②集热⾯可以采集太阳直射辐射能、散射辐射能和反射辐射能；
③集热⾯固定安装，不跟踪太阳视位置；
④热损失系数较⼤，⼯作温度通常均在80℃以下；
⑤结构简单，⽣产成本低廉。

2．1 太阳能平板集热器
太阳能平板集热器是典型的平板集热，简称平板集热器。

1.平板集热器的分类
按集热⼯质分类
①⽔集热
普通的太阳能平板热⽔器、公⽤热⽔系统，⼏乎都采⽤⽔作为集热⼯质。

②空⽓集热
太阳能⼲燥和太阳房采暖的集热装置，通常均以空⽓作为集热⼯质。

③防冻液集热
⾼寒地区经常采⽤防冻液和⽔作为集热⼯质的双循环太阳能集热。

按集热体表⾯光学特性分类
①⿊⾯
⼀般是在集热体表⾯涂刷或喷涂⼀层⿊⾊涂料，简称⿊⾯，⽬前较少采⽤。

②光谱选择性吸收⾯
这是经过化学、电镀等⼯艺制成的选择性吸收⾯，应⽤⼴泛。

按透明盖板层数分类
①单层透明盖板
②两层或多层透明盖板
太阳能平板集热器的透明盖板，通常多采⽤单层，特殊情况⽤两层，极少情况⽤三层或不⽤。

2.典型平板集热器的基本组成
平板集热器的典型结构由集热体、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。

集热体
它是太阳辐射能、转换为热能并传向集热⼯质的关键部件，是太阳能平板集热器的关键部件，其特性参数决定了平板集热器的⼯作性能，⼀般应具备以下特性：
①表⾯光谱选择性能好，集热板⾯的太阳辐射吸收率⾼，热反射率低；
②具有优良的传热结构设计；
③密封性能好，能承受⼀定的⼯作压⼒；
④与集热⼯质具有良好的相容性；
⑤对环境具有良好的耐天候性；
⑥制作⼯艺简单。

⼀般集热体多采⽤⾦属制作。

集热体表⾯喷涂⿊⾊涂料或制作光谱选择性吸收涂层。

透明盖板
在集热体的上⽅，覆盖⼀层或多层透明盖板，⼀⽅⾯降低集热体对环境的散热损失，起到隔热作⽤；另⼀⽅⾯保护集热板⾯，免受风霜⾬雪和尘埃等的直接侵袭。

它具备以下特性：
①光学性能好，阳光透光率⾼，⽽吸收率和反射率低；
②隔热性好；
③机械性能好，能承受⼀定的风压、冰雹等外⼒和热应⼒的作⽤
④耐⽼化性能好，长年暴露在⼤⽓环境和阳光下，上述各种特性均⽆明显恶化。

隔热层
隔热层是集热体底部和四侧填充的⼀定厚度的绝热材料，以降低集热体的热损失。

它具备以下特性：
①导热系数低；
②不吸湿，不吸⽔；
③具有⼀定的机械结构强度。

壳体
壳体将集热体、透明盖板和隔热层装配成⼀体，构成⼀个完整的太阳能集热器。

整个壳体要有⼀定的整体刚度和机械强度，以便保护集热体和隔热层不受外部环境的各种损伤和影响，且便于装配。

阳光透过透明盖板照射到集热体上，其中⼤部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的⼯质，⼩部分反射向透明盖板。

这样，从集热器底部⼊⼝的冷⼯质，在流体通道中的热能所加热，温度逐渐升⾼，加热后的集热⼯质，带着有⽤的热能从集热器的出⼝端流出。

如此循环，将投射的太阳辐射能蓄⼊储⽔箱中备⽤，成为有⽤能量收益。

与此同时，由于吸热体温度升⾼，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的热损失。

这样的换热循环过程，⼀直维持到集
热温度达到某个平衡点时为⽌。

太阳能平板集热器在70年代就已经发明和应⽤，⾃从80年代发明真空管集热器，在整个业界太阳能平板集热器就慢慢退出市场（在⼴东，云南，海南等省⾄今还有在推⼴和使⽤）。

因
为太阳能平板集热器⾃⾝的设计特点决定了它的散热损失较⼤，故温度⼤多运⾏在60℃以下。

真空管集热器是在平板集热器基础上发展起来的新型集热装置。

⽬前，市场上已开发很多形式的真空集热管，最常⽤的有全玻璃真空集热管、热管式真空集热管、U形管真空集热管等。

全玻璃真空管由玻璃外管、玻璃内管、选择性吸收涂层、弹簧⽀架（固定卡）、吸⽓剂等部件组成，其形状如⼀只细长的暖⽔瓶胆。

图3—全玻璃真空管结构⽰意图
1.玻璃外管
2.玻璃内管
3.选择性吸收涂层
4.真空
5.弹簧⽀架（固定卡）
6.吸⽓剂
7.保护帽
全玻璃真空管的⼀端开⼝，将内玻璃管和外玻璃管的管⼝进⾏环状熔封；另⼀端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管⽤弹簧⽀架⽀撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应⼒。

在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成⾼真空。

在外玻璃管尾端⼀般粘结⼀只⾦属保护帽。

内玻璃管的外表⾯涂有选择性吸收涂层。

弹簧⽀架上装有吸⽓剂，它在蒸散以后⽤于吸收真空集热管运⾏时产⽣的⽓体，起保持管内真空度的作⽤。

真空管太阳能的特点：
1.真空管太阳能⼯作原理是采⽤内管的吸热涂层对太阳光吸收，加热内管⾥的⽔，在与⽔箱或連箱进⾏交换，提⾼⽔温。

作它在吸热的同时也会进⾏散热，⽽热量的传递只有三种⽅式：辐射，传导，对流。

真空管太阳能的三种散热传热⽅式均很⼩，内管的⽔银涂层防⽌热量辐射；内外管中间的真空层防⽌热量传导；⾄于热量的对流散发对真空管太阳能⽽⾔，⼏乎为零。

2..真空管太阳能的使⽤寿命长：内外涂层在真空的环境⾥不受氧化，在不受外⼒的情况下寿命超20年以上。

3.各种环境的影响：散热⼩，保温效果好，抗冻能⼒强（在南极都有优良表现）；真空管对风的阻⼒⼩，抗风能⼒强；真空管是圆形的形状，受外来冲击⼒⼩，抗冰雹能⼒强。

4.真空管太阳能管的热效率⾼。

2．2 平板集热设计
3 真空管集热
4 太阳能空⽓加热
太阳能空⽓加热集热器为平板型集热器，也称为太阳能空⽓集热器。

它是在寒冷天⽓中加热空⽓以保持舒适环境的最佳选择。

⽬前，不少太阳能采暖多采⽤热⽔系统，两者相⽐各有其优缺点；⾄于太阳能⼲燥器，均采⽤太阳能空⽓集热器。

太阳能空⽓集热器由四部分组成，吸热板、透明盖板、隔热层和壳体。

为了提升太阳能集热器的有⽤能量收益的能量品质，扩展更⾼温度的太阳能利⽤领域，就必须提⾼太阳能集热装置的⾼温运⾏特性，唯⼀的途径就是发展聚光集热，提⾼集热温度。

聚光集热器主要由聚光器、接收器和跟踪系统三⼤部分组成。

按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两⼤类，每⼀类中按照聚光器的不同⼜可分为若⼲种。

为了满⾜太阳能利⽤的要求，简化跟踪机构，提⾼可靠性，降低成本，在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多，但推⼴应⽤的数量远⽐平板集热器少，商业化程度也低。

70年代，国际上出现⼀种“复合抛物⾯镜聚光集热器”（CPC），它由⼆⽚槽形抛物⾯反射镜组成，不需要跟踪太阳，最多只需要随季节作稍许调整，便可聚光，获得较⾼的温度。

其聚光⽐⼀般在10以下，当聚光⽐在3以下时可以固定安装，不作调整。

当时，不少⼈对C PC评价很⾼，甚⾄认为是太阳能热利⽤技术的⼀次重⼤突破，预⾔将得到⼴泛应⽤。

但⼏⼗年过去
了，CPC仍只是在少数⽰范⼯程中得到应⽤，并没有象平板集热器和真空管集热器那样⼤量使⽤。

我国不少单位在七⼋⼗年代曾对CPC进⾏过研制，也有少量应⽤，但现在基本都已停⽤。

其他反射式聚光器还有圆锥反射镜、球⾯反射镜、条形反射镜、⽃式槽形反射镜、平⾯。

抛物⾯镜聚光器等。

此外，还有⼀种应⽤在塔式太阳能发电站的聚光镜--定⽇镜。

定⽇镜由许多平⾯反射镜或曲⾯反射镜组成，在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射⾄同⼀吸收器上，吸收器可以达到很⾼的温度，获得很⼤的能量。

利⽤光的折射原理可以制成折射式聚光器，历史上曾有⼈在法国巴黎⽤⼆块透镜聚集阳光进⾏熔化⾦属的表演。

有⼈利⽤⼀组透镜并辅以平⾯镜组装成太阳能⾼温炉。

显然，玻璃透镜⽐较重，制造⼯艺复杂，造价⾼，很难做得很⼤。

所以，折射式聚光器长期没有什么
发展。

70年代，国际上有⼈研制⼤型菲涅⽿透镜，试图⽤于制作太阳能聚光集热器。

菲涅⽿透镜是平⾯化的聚光镜，重量轻，价格⽐较低，也有点聚焦和线聚焦之分，⼀般由有机玻璃或其它透明塑料制成，也有⽤玻璃制作的，主要⽤于聚光太阳电池发电系统。

4．1 基本形式和⼯作原理
4．2 ⽆孔平板太阳能空⽓加热器及其热性能分析
4．3 多孔吸热板太阳能空⽓加热器及其热性能分析
5 聚光集热
5．1 点聚焦集热
5．2 线聚焦集热
5．3 低倍率聚光集热
6 集热器的性能试验
6．1 瞬时热性能试验
6．2 结构强度试验
6．3 性能⽼化试验
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩。