第2 章 太阳能集热器
太阳能集热器面积计算说明
太阳能集热器面积计算说明太阳能集热器是一种利用太阳能将阳光转化为热能的设备。
太阳能集热器通常由集热器板和液体媒介组成。
集热器板由吸热性能良好的材料制成，可以有效地吸收太阳光照射。
液体媒介通过管道运输热量，将集热器板吸收的热量传递给需要加热的目标物体。
1.目标物体的所需热量：首先需要确定所需加热的目标物体的热量需求。
例如，如果需要加热一个室外游泳池，需要计算游泳池的体积和所需的池水加热温度。
2.可利用太阳能的百分比：太阳能集热器并不是所有的太阳能都能转化为热能。
该装置的效率通常在50%到70%之间。
因此，需要确定可利用太阳能的百分比。
3.地理位置和日照时间：太阳能集热器的面积计算还要考虑地理位置和当地的日照时间。
不同地区的太阳辐射强度和日照时间不同，这将直接影响到所需的集热器面积。
4.集热器板的热效率：集热器板的热效率是指其吸收太阳光并将其转化为热能的能力。
集热器板的热效率通常在60%到80%之间，因此需要了解所使用的集热器板的热效率。
根据以上几个关键因素，可以使用以下公式计算太阳能集热器的面积：A=Q/(η×I×t)其中A表示所需的集热器面积（单位：平方米）Q表示目标物体所需的热量（单位：焦耳）η表示太阳能的利用效率（单位：百分比）I表示地区的太阳辐射强度（单位：瓦/平方米）t表示所需的加热时间（单位：秒）首先，需要计算所需的热量：然后，代入公式计算集热器的面积：因此，对于这个具体的游泳池加热需求，所需的太阳能集热器面积约为2.898平方米。
需要注意的是，这只是一个简单的示例，实际的面积计算可能涉及到更多的因素，如集热器板的材料和设计、管道输送的热量损失、系统的热效率等。
太阳能工程集热器方案
太阳能工程集热器方案一、引言随着全球能源需求的不断增加和能源资源的有限性，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了越来越多的关注和重视。
太阳能集热器作为太阳能利用的重要设备，可以将太阳能转化为热能，并应用于热水供应、空调制冷、蒸汽发生等多个领域。
本文将围绕太阳能工程集热器方案展开深入探讨，分析其中的技术原理、设计要点和工程实践中的实际应用。
二、技术原理太阳能集热器是通过吸收太阳辐射能将其转化为热能，利用这种热能进行工业生产或生活热水供应的一种设备。
太阳能集热器可以分为平板式太阳能集热器和抛物面反射式太阳能集热器两种类型。
1. 平板式太阳能集热器平板式太阳能集热器是一种利用平板吸热表面进行集热的太阳能设备。
其结构简单，制造成本较低，适用于小规模应用。
其工作原理为：太阳辐射能穿透透明的罩板后，被吸热板吸收并转化为热能，再通过传热器将热能传递给传热介质，最终产生热水或者蒸汽。
2. 抛物面反射式太阳能集热器抛物面反射式太阳能集热器通过抛物面反射器将太阳辐射能聚焦到集热管或者集热罐上，利用聚焦后的高温热能进行工业加热或生活热水供应。
其优点是集热效率高，适用于大规模集热。
三、设计要点1. 集热器选材太阳能集热器的选材非常重要，直接关系到设备的使用寿命和性能。
集热器的表面材料需要具有高的吸热率和低的热传导率，以提高热能的吸收和减少热能的散失。
同时，材料还需要具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，以适应不同环境条件下的使用。
2. 集热管设计集热管是太阳能集热器的核心部件，直接影响着集热器的热效率和工作稳定性。
集热管的设计需要考虑管壁材料、管径和长度的选择，以及管道连接方式等因素。
同时，需要根据实际使用情况考虑管道的防腐保温措施，以延长集热器的使用寿命。
3. 集热系统控制太阳能集热器的集热系统需要合理的控制装置来实现自动化运行和智能化控制。
控制系统需要能够精确地调控集热器的集热温度和热能输出，以适应不同的工业生产或生活供暖需求。
太阳能集热器
通常，反射率ρ和透射率τ可以用下式表示：
其中，下标b和s分别表示直射辐射和散射辐射， 下标R和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。
盖板内的辐射实际上是经过了多次反射。
利用菲涅尔(Fresnel)公式，反射率可以表示为
其中，θ1和θ2分别为入射角和折射角。 根据光的折射定律，有
其中，n1，n2分别为空气和玻璃的绝对折射率； n21为玻璃相对于空气的相对折射率。
盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长 波区域都要比较小。
玻璃在可见光区域透射率约为97%，在红外区的 吸收率约为94%。
根据基尔霍夫定律，红外区的高吸收率导致高发 射率，使得辐射热损失增加。
通过喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟(In2O3)， 氧化锌(ZnO2))，可以大大减少红外辐射热损失。
(2)侧面热损 侧面热损主要由热传导和对流造成。 平板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成。
由于框架的内部面对几种不同的温度，故侧面传 热应是二维的。为了获得关于侧面传热系数的比 较保守的估计，可以假定框架内部的温度处于最 高可能的温度(即吸热体温度T)，这样传热就变为 一维的。
侧面热阻Rs为
(2)盖层 允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐 射以减少吸热体的热损。
(3)保温层 减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的 热损。
(4)工质及流动通道 使工质能与吸热体发生热接触。 集热器的工质为流体(液体或气体)。
(5)支架及框架 将集热器的各个部分连接成一个整 体并支撑其重力。
液体集热器用水或者水-防冻剂混合物作为工质， 有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质。
热损失可以表示为
其中，Qk为吸热体的传导热损失，W；Qc为吸热 体的对流热损失，W；Qr为吸热体向外的长波辐 射热损失，W。
太阳能集热器
2、太阳选择性吸收涂层 3、真空夹层 5、支承件 6、吸气剂 7、吸气膜
全玻璃真空管的生产流程
真空管选择性吸收涂层
采用选择性涂层作为吸热体的光热转换材料， 要涂层有高的太阳吸收比，低的发射率，良好 的真空性能，耐热性能。
采用磁控溅射技术的多层（渐变）铝－氮/铝 选择性吸收涂层，光吸收率可达0.93，红外发 射率约为0.05（80℃）
主要特点：减少集热器的传导、对流和 辐射热损失
从受力情况和密封角度，所以通常将真 空太阳集热器基本单元做为圆管形状， 而不是平板
真空管集热器分类
全玻璃的真空管集 热器吸热体由玻璃 管组成
金属吸热体真空管 集热吸热体由金属 材料组成，如热管 式真空管集热器
全玻璃真空管的结构
1、内玻璃管 4、外玻璃管
➢ 集热器效率是变数，不是常数，与集热器工 作温度、环境温度和太阳辐照度有关
➢ 效率曲线在y轴上的截距表示集热器可获得的 最大效率
➢ 效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的 大小
➢ 效率曲线在x轴上的交点值表示集热器可达到 的最高温度
三、真空管型太阳集热器
真空集热器：将吸热体与透明盖层之间 抽成真空的太阳集热器
➢平板集热器 ➢真空集热器
二、平板型集热器
吸热体——吸收太阳辐射能 ，将其转换为热能，并向工 质传递热量
透明盖板——光学性能好、 机械性能好、耐老化性能好
隔热层——降低集热器热损 失提高其热效率
壳体——将吸热体、透明盖 板和隔热层装配成一体
平板太阳集热器构造示意图
平板型集热器传热示意图
热管式真空管的特点
➢ 热效率高：最高运行温度可达 100℃.最高闷晒温度可达250℃. 工作温度为70℃-120℃
太阳能集热器工作原理
太阳能集热器工作原理
太阳能集热器是利用太阳能的热量来加热水或空气的设备。
它的工作原理如下：
1. 集热板：太阳能集热器通常由一个黑色的集热板组成，这个板可以吸收太阳光的辐射热量。
集热板中的吸收层可以将太阳光转化为热能。
2. 吸收器：集热板上的吸收器负责吸收太阳光，并将其转化为热能。
吸收器通常由金属管或涂有特殊涂层的表面组成，这些材料具有良好的吸热性能。
3. 冷却管：吸收器吸收到的热能会导致温度升高，为了有效利用这种热能，集热器中会设置冷却管。
冷却管负责将过热的流体带走，以防止集热器过热。
4. 工质流体：太阳能集热器中通常会使用一种工质流体，例如水或空气。
工质流体会通过集热器的吸收器流动，在吸收器吸收太阳光的过程中被加热。
5. 储存和利用：经过集热器加热的工质流体会被导入储存设备，例如热水储存罐或空气加热系统。
这些设备可以将被加热的工质流体储存起来，并在需要时提供热能。
总结起来，太阳能集热器通过吸收太阳光的热量，将其转化为热能，并将热能传递给工质流体。
工质流体会在集热器中被加热，然后被导入储存设备，以供热水或空气使用。
集热太阳能工作原理
集热太阳能工作原理
集热太阳能是一种利用太阳能来加热水或其他液体的技术。
它是通过太阳能集热器来收集和转换太阳能，然后将其传递给液体，使其升温。
这项技术的工作原理可以通过以下步骤来解释：
1. 太阳能集热器：太阳能集热器通常由黑色吸热表面和覆盖透明材料的保温壳体构成。
吸热表面吸收太阳辐射，并将其转化为热能。
2. 吸热过程：太阳能集热器将吸热表面暴露在阳光下，吸收太阳辐射的能量。
吸热表面通常使用黑色材料，因为黑色能更有效地吸收和传导热能。
3. 热量传递：当吸热表面吸收太阳辐射时，其温度会升高。
这将导致热能传递给集热器内部的液体，例如水或其他工质。
热能通过导热传递的方式，从吸热表面传递给液体。
4. 循环系统：为了进一步利用热能，集热太阳能系统通常包括一个循环系统。
液体被泵送到集热器中，在吸热表面加热后，被泵送回集热器内部的储热装置。
这个储热装置可以是一个水箱或其他热储存设备。
5. 热水或蒸汽产生：集热太阳能系统最终通过循环系统将热能传递给水或液体，使其升温。
升温后的水可以用于供暖、热水器或其他需求。
在某些情况下，集热太阳能系统也可以用于发电，将热能转化为蒸汽，然后通过蒸汽发电机产生电力。
总结：集热太阳能的工作原理是通过太阳能集热器吸收太阳辐射，并将其转化为热能。
这种热能通过导热传递的方式，使液体升温。
通过循环系统，热能可以被有效地传递和储存，以满足不同的热能需求，例如供暖、热水或发电。
太阳能热水器集热原理
太阳能热水器集热原理>太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。
太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。
真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。
集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。
【1】吸热过程太阳辐射透过真空管的外管，被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。
管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。
随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。
而平板式热水器，一般为分体式热水器，介质在集热板内因热虹吸自然循环，将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内，水箱内通过热交换（夹套或盘管）将热量传送给冷水。
介质也可通过泵循环实现热量传递。
【2】循环管路家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力。
真空管式太阳能热水器为直插式结构，热水通过重力作用提供动力。
平板式太阳能热水器通过自来水的压力（称为顶水）提供动力。
而太阳能集中供热系统均采用泵循环。
由于太阳能热水器集热面积不大，考虑到热能损失，一般不采用管道循环。
【3】顶水式使用过程平板式太阳能热水器为顶水方式工作，真空管太阳能热水器也可实行顶水工作的方式，水箱内可以采用夹套或盘管方式。
顶水工作的优点是供水压力为自来水压力，比自然重力式压力大，尤其是安装高度不高时，其特点是使用过程中水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。
顶水工作方式的太阳能热水器比重力式热水器成本大，价格高。
太阳能热管集热器的结构
太阳能热管集热器的结构
太阳能热管集热器是一种利用太阳能将光能转化为热能的装置，其主要结构包括以下几个组成部分：
1、吸热板：通常由金属材料制成，表面涂有选择性吸收涂层，用于吸收太阳辐射并将其转化为热能。
2、热管：热管是太阳能热管集热器的核心组件，由密闭的金属管道组成，内部注入特殊的工质。
热管通过吸热板吸收到的热量，使工质在管内蒸发，然后热气体上升至管端（热交换端），在该端热气体散热并冷凝成液体，流回至下部（吸热端）完成循环。
3、玻璃罩：在热管和吸热板上覆盖一层玻璃罩，起到保护作用，同时减少散热和热损失。
4、绝热层：覆盖在吸热板周围，用于减少热能的散失，提高集热效果。
5、支架：用于支撑和固定吸热板、玻璃罩和绝热层。
太阳能热管集热器通过太阳辐射将光能转化为热能，并利用热管的蒸发和冷凝原理，使得热能可以高效传输和利用。
这种结构设计可以实现高效的太阳能热能收集并利用在供暖、热水等方面。
太阳能集热器控制系统安全操作规程范文（三篇）
太阳能集热器控制系统安全操作规程范文第一章总则第一条为确保太阳能集热器控制系统的正常运行，保障人身安全和设备安全，制定本规程。
第二章安全保证第二条太阳能集热器控制系统的安全保证是整个系统的基础，必须得到重视和保障。
第三条部门责任第三款1.企业负责人必须深入领会和宣传国家有关太阳能集热器控制系统的安全生产法规政策，加强对安全工作的重视，做好太阳能集热器控制系统的安全工作。
第二款具体负责人根据企业规模、生产实际和工作需要，明确分工，落实职责，使太阳能集热器控制系统的安全管理工作有序进行。
第四条安全教育第四款企业领导对太阳能集热器控制系统的安全生产重要性有明确的认识和事实教育，特别是对事故的危害性进行深入分析，全员进行安全教育。
第五款部门负责人应每年组织太阳能集热器控制系统的安全教育，包括生产操作人员安全培训、太阳能集热器控制系统的安全使用培训等。
第三章安全管理第五条根据太阳能集热器控制系统的特点，建立健全的安全管理体系，加强对太阳能集热器控制系统的监督与管理。
第六条对太阳能集热器控制系统进行定期检查，发现问题及时整改，确保设备的正常运行。
第七条对太阳能集热器控制系统的使用人员进行技术培训，保证其具备操作设备的能力。
第八条对太阳能集热器控制系统的设备进行定期维护，确保其正常运行。
第四章安全技术第九条太阳能集热器控制系统的安全技术是确保系统安全的重要手段。
第十条太阳能集热器控制系统的安全技术应遵循以下原则：1.技术应合理，实现安全目标。
2.技术应先进，适应新技术的发展。
3.技术应可靠，确保系统的连续运行。
4.技术应整体，统筹考虑系统各个部分。
第十一条太阳能集热器控制系统的安全技术应包括以下方面：1.系统的设计和施工。
2.系统设备和元器件的选择。
3.系统的运行和维护。
第五章安全操作第十二条太阳能集热器控制系统的安全操作是确保操作人员和设备安全的基本要求。
第十三款操作人员在操作太阳能集热器控制系统时，必须严格遵守系统的操作规程和操作要求。
太阳能热水器操作手册
太阳能热水器操作手册太阳能热水器操作手册第一章热水器的工作原理太阳能热水器是一种利用太阳能来加热水的设备。
通过太阳能热水器的集热器将太阳能吸收并转换成热能，再将热能传递给储水箱内的水，使其升温。
这种设备环保、经济、节能，被越来越多的家庭所使用。
第二章使用前的准备1. 安装：请确保太阳能热水器的安装牢固可靠，并与水管连接紧密。
2. 排气：在使用前，需要将热水器内的气体排出。
方法是打开冷水阀，然后用短时段的时间打开热水阀，直到从出水口冒出蓝色的气体为止。
第三章日常使用1. 打开热水器：早晨使用前，请确保热水器内的水位正常，并打开热水器开关，顺时针旋转到最大档位，将热水器启动。
2. 调节温度：热水器的温度调节旋钮位于控制面板上，根据需要选择合适的温度。
需注意的是，选择过高的温度会增加风险，尤其是对于儿童和老人。
3. 使用时间控制器：太阳能热水器通常配备时间控制器，可以根据家庭成员的使用时间来设置热水器的开关时间，以便节约能源。
第四章维护和保养1. 清洁集热板：集热板污垢的堆积会影响太阳能的吸收效果，因此定期清洗集热板是必要的。
使用软毛刷蘸取清洁剂进行轻轻刷洗即可。
2. 防冻处理：在寒冷的冬天，确保热水器内的水不会结冰非常重要。
请将热水器开关调至最小档位，然后打开排放阀，将水排干净。
同时，保证热水器的保温层完好无损，不要破损或老化。
3. 定期检查：每隔一段时间，检查热水器的各个组件是否正常运转，有无漏水或其他损坏情况。
如发现异常，请及时联系专业人士进行维护或修理。
第五章安全使用须知1. 注意防水电：热水器属于高压电器，使用过程中请注意避免水和电的接触，以免发生触电事故。
2. 注意防火：热水器内存放的物品应保持干燥，避免与明火或高温接触，防止发生火灾。
3. 预防烫伤：使用热水时，请小心避免烫伤，并请将热水器放置在儿童无法触及的地方，以免发生意外伤害。
结语太阳能热水器的使用和维护是保障其正常工作和延长使用寿命的关键。
太阳能集热器系统的设计与仿真
太阳能集热器系统的设计与仿真太阳能作为一种清洁、环保的能源，得到了越来越多人的重视。
而太阳能集热器是将太阳能转化为热能的重要设备。
本文将介绍太阳能集热器系统的设计以及仿真过程。
一、太阳能集热器系统的设计1. 系统组成太阳能集热器系统主要由集热器和储热器组成。
其中，集热器是将太阳能转化为热能的关键部件，而储热器则用于储存热能，在晚间或天气恶劣时提供热能。
2. 集热器设计太阳能集热器有很多种不同的设计形式，常见的有平板式、真空管式和抛物面式等。
平板式集热器适合大面积的热水供应，真空管式集热器适合小面积的供热，抛物面式则适合集中式供热。
因此，在设计太阳能集热器时需根据实际需求选择适合的类型。
另外，集热器的材料也非常重要。
目前常用的集热器材料有铜、铝、不锈钢、玻璃等。
这些材料的选择需要考虑到其导热性能、耐腐蚀性、成本等多方面因素。
3. 储热器设计太阳能集热器系统的储热器有水箱式和水袋式两种。
水箱式储热器适合大面积供热，但需要占用较大的空间。
而水袋式储热器则占用空间小，但需要结构设计严密，并有一定的泄漏风险。
因此，储热器的选择需根据实际需求和环境进行权衡。
二、太阳能集热器系统的仿真为了测试太阳能集热器系统的性能和效率，可以使用仿真软件对其进行模拟。
本文将以Simulink为例进行太阳能集热器系统的仿真。
1. 搭建仿真模型首先，需打开Simulink并选择相应的模块进行搭建仿真模型。
在对太阳能集热器系统进行仿真时，需将集热器、储热器、水泵等组成部分加入仿真模型中。
2. 设定参数在搭建好仿真模型后，需要设定模型的参数。
包括太阳辐射强度、集热器面积、集热器材料、储热器容量等。
这些参数的选择需要根据实际情况进行调整，以便准确反映太阳能集热器系统的性能。
3. 运行仿真设定好参数后，即可运行仿真模型。
在运行模型时，可以观察集热器、储热器、水泵等组成部分的温度和热能的变化情况，以及整个太阳能集热器系统的工作状态。
4. 分析仿真结果仿真结束后，需要对结果进行分析。
太阳能集热器工作原理
太阳能集热器工作原理
太阳能集热器是一种利用太阳能来产生热能的装置，主要用于加热水，供热和发电等领域。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 太阳能辐射
太阳能集热器的工作首先需要太阳能的辐射。
当太阳辐射到集热器上时，会产生光热能，使集热器的温度升高。
2. 吸热涂层吸收
太阳能集热器的集热面通常涂有一层黑色的吸热涂层，可以吸收太阳
能的光热能，并将其转换成热能。
3. 热传导
当吸热涂层吸收到太阳能之后，热能会通过热传导的方式快速传递到
集热器内部。
4. 管道循环
在集热器内部，有一条管道贯穿其中，管道内填充了热媒介，比如水
或空气等。
热能就会通过管道循环的方式传递到热媒介中。
5. 热媒介流动
热媒介被加热后，会产生热对流，从而流动到储热容器中储存，供后
续使用。
6. 损失及维护
太阳能集热器在运行过程中，会有一定的热损失，同时也需要进行定
期的维护和保养，以确保其正常运行。
总体来说，太阳能集热器的工作原理比较简单，通过吸收太阳辐射的
光热能并将其转化为热能，再通过管道循环等方式将热传递到热媒介中，最终实现加热、供热和发电等功能。
随着太阳能技术的不断发展，太阳能集热器的效率也在不断提高，为我们更加清洁、绿色的能源未
来带来了希望。
太阳集热器
3.4.2 集热器的基本能量平衡方程 根据能量守恒定律，在稳定状态下，集热器在 规定时段内输出的有用能量等于同一时段内入射 在集热器上的太阳辐照能量减去集热器对周围环 境散失的能量，即 QU = Q A – QL (3-6) QU —集热器在规定时段内输出的有用能量， W； QA —同一时段内入射在集热器上的太阳辐照能 量，W； QL —同一时段内集热器对周围环境散失的能量， W。
将式（3－14）和式（3－15）带入式 （3－6），可得到 QU = AG（τα）e － AUL(tp-ta) （3－16） 集热器效率的定义为：在稳态（或准稳态）条 件下，集热器传热工质在规定时段内输出的能 量与规定的集热器面积和同一时段内入射在集 热器上的太阳辐照量的乘积之比。即 η＝QU/AG （3－17）
2、集热器效率曲线 将集热器效率方程在直角坐标系中以图形 表示，得到的曲线称为集热器效率曲线，或 称为集热器瞬时效率曲线。 在直角坐标系中，纵坐标y轴表示集热器 效率η，横坐标x轴表示集热器工作温度（或 吸热板温度，或集热器平均温度，或集热器 进口温度）和环境温度的差值与太阳辐照度 之比，有时也称为归一化温度，用T*表示。 所以集热器效率曲线实际上就是集热器效率 与归一化温差T*的关系曲线。
3.4.3 集热器总热损系数 定义为：集热器中吸热板与周围环境的平均 传热系数。 平板型集热器的总散热损失是由顶部散热损 失、底部散热损失和侧面散热损失三部分组 成， 即 QL = Qt + Qb + Qe =AtUt(tp-ta) + AbUt(tp-ta) + AeUe(tp-ta)
Qt Qb Qe---- 顶部、底部、侧面散热损失，W； Ut Ut Ue ---- 顶部、底部、侧面热损系数， W/m2K； At Ab Ae ---- 顶部、底部、侧面面积，m2； tp ---- 吸热板温度； ta ---- 环境温度。
太阳能集热器的热转换原理(教学)
太阳能集热器的热转换原理(教学）太阳能集热器的热转换原理目录背景资料 (1)（一）知识背景 (1)一、太阳能的光—热转换 (1)二、太阳能集热器 (1)三、集热器的利用——热水器介绍 (2)四、光波波长与集热器升温原理 (3)五、有关物理知识 (3)（二）方法背景 (4)1、设计理念 (4)2、对象及用途 (4)3、教材分析 (4)活动方案 (5)（一）示范性方案：太阳能集热箱升温比较实验 (5)（二）指导性方案：太阳能集热器升温比赛 (8)（三）拓展性方案：东方绿舟南洋中学新能源科技考察站活动 (11)直接利用太阳能集热的活动——学习单 (13)课题申请表 (13)课题实施记录 (14)交流汇报提纲 (15)课题研究结题报告 (16)课题评价 (17)参考资料 (18)主编：陆赵华地址：上海市南洋中学科研室直接利用太阳能集热的活动陆赵华直接利用太阳能集热的活动陆赵华背景资料（一）知识背景在20世纪中，人类使用的能源主要有原油、天然气和煤炭三种，而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年了。
所以，开发新能源，已经成为人类发展中的紧迫课题，那么，人类将向何处寻找新能源呢？先进国家的能源专家认为，太阳能、风能、地热能、波浪能和氢能这五种新能源，在今后将肯定会优先获得开发利用。
我校设立了以新能源系列为特色的科技景点，就是为了介绍和普及新能源的知识和应用，期望作为明天主人的青少年学生能够从直观上对新能源有所了解或由此产生兴趣和引起关心，也希望得到全社会的关心和扶植，使更多的有识之士立志献身于这一事业。
一、太阳能的光—热转换太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式（右图说明太阳的功率及太阳能传递到地球后各种形式能量之间的转化过程），它们分别是太阳能的光—热转换、太阳能的光—电转换、太阳能的光—化学转换和太阳能的光—生物质转换，其中太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式。
2第二章 太阳和太阳能
2.3.1太阳常数
太阳常数 G sc 是指地球 位于平均日地距离时， 在地球大气层上边界 处，垂直于辐射传播 方向上单位面积单位 时间内测得的太阳辐 照度。 1353 W / m 2 2 W / m 1368
2014-10-1
图2-4 太阳－地球几何关系
23
实际上，大气层外的太阳辐射度随着日地 距离的改变，
2014-10-1
图2-3 有关几何角度图
17
• 太阳方位角 如图2-3所示，从地 面某一观察点向太 阳中心作的这条射 线在地面上的投影 线与正南方（当地 子午线）的夹角为 太阳的方位角 s 。
图2-3 有关几何角度图
2014-10-1
18
• 太阳入射角 太阳光线与集热面法线之间的夹角，称为 太阳光线的入射角。 太阳光线可分为两个分量，一个垂直于集 热面，另一个平行于集热面，只有前者的 辐射能被集热面所截取。由此可见，实际 应用中，入射角越小越好。
E 9.87 sin 2 B 7.53 cos B 1.5 sin B
式中， 。其中，n为所求日期在 一年中的日子数。 第二项是考虑所在地区的经度与制定标准 时间的经度（我国定为东经）之差所产生 的修正。由于经度每相差1°，在时间上就 相差4min，所以公式中最后一项乘4，单位 也是分。
6
地球轨道的偏心修正系数（工程用）
360n r0 0 1 0.033cos 365 r
r0 日地平均距离； r 观察点的日地距离；
2
n 一年中某一天的顺序数。
2014-10-1
7
表2-1 所求日期在一年中的日子数* 月份 1月 各月第i天 日子数的算式 i 各月平均日** 17日 平均日日子数 17
太阳能集热循环温度设定
太阳能集热循环温度设定1.引言1.1 概述太阳能集热循环是一种利用太阳能转化为可用能源的技术，在当今社会的可持续发展背景下备受关注。
该循环系统利用太阳能辐射的热量，通过特定的装置实现能量的转换和储存，使得我们能够利用这些能源来满足一定范围内的热水供应、空调制冷、热能发电等需求。
太阳能集热循环温度设定是指设置合适的温度范围来控制太阳能集热系统的工作状态。
这个设定的过程是对太阳能热量的充分利用和能源效率的提高非常关键的一步。
恰当的温度设定能够最大限度地提高太阳能集热系统的热利用率，同时还能够有效避免过热或过冷导致的设备损坏和能源浪费。
因此，合理的温度设定是确保太阳能集热循环正常运行和高效利用太阳能的关键要素之一。
在本文中，我们将探讨太阳能集热循环温度设定的基本原理以及其重要性。
首先，我们将介绍太阳能集热循环的基本工作原理，以便读者对整个系统有一个清晰的认识。
然后，我们将重点阐述温度设定的重要性，包括对系统效率和能源利用的影响。
此外，我们还将探讨如何通过优化温度设定来提高太阳能集热循环的性能。
通过深入研究太阳能集热循环温度设定的相关内容，读者将能够更全面地了解该技术，并且在实际应用中能够合理地控制温度，以实现更高的能源利用效率和节能减排的目标。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构进行展开讨论：第二章将介绍太阳能集热循环的基本原理。
我们将详细讲解太阳能集热循环如何通过吸收太阳能并将其转化为可用能源的过程。
此部分将介绍太阳能集热器、传热介质和热能转换装置等关键组件的工作原理。
第三章将着重探讨太阳能集热循环温度设定的重要性。
我们将分析不同温度设定对太阳能集热循环系统效率的影响，并介绍温度设定对系统性能和能源输出的关键性作用。
在第四章中，我们将总结温度设定对太阳能集热循环的影响，并提出一些优化方法和策略。
这些方法包括通过调整传热介质的流速和温度设定来提高系统的热效率，同时考虑到太阳能资源的变化和季节性变化。
太阳能集热器制造
菲涅耳透镜聚光集热器
普通凸透镜的原理大家都知道，如图3(a)所示，平行于透镜 主光轴的平行光通过凸透镜后将会聚到焦点上。若需直径 较大的透镜则会很厚，不但非常笨重还会使透光性下降。 由于透镜的性能取决于其表面，在保证表面形状的条件下 把透镜压扁，菲涅耳透镜把透镜分成许多圆环，每个圆环 在保持对应半径处的镜面曲线下尽量薄一点，如图3(b)所 示,这样的结
一下将以（非）成像聚光太阳能集热器为主进行介绍。
成像聚光太阳能集热器
• 聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，成像 聚光太阳能集热器通过聚光器将太阳辐射聚焦在 接收器上形成焦点（或焦线），以获得高强度太 阳能。聚光集热器是一套光学系统，聚光器一般 由反射镜或透镜构成，主要有抛物面反射镜、菲 涅耳透镜、菲涅耳反射镜三种。 聚光器接受太阳 光的投影面称为光孔（或“开口”），聚光器把 照射到光孔的辐射汇聚到接受器上，如果聚光器 光孔面积为A1，接受器受聚光面积为A2，则有： C=A1/A2， C称为“聚光比”，是聚光集热器的聚 光程度的特征参数。
2)阳极氧化：氧化时选用直流电源。将清洗过的铝试样作为阳极， 阴极为铅板，在磷酸、硫酸溶液中分别进行阳极氧化，部分样品先 在硫酸中阳极化，然后在磷酸液中进行二次氧化；
3)电解着色：经阳极氧化后的试样，采用交流电压在金属盐溶液中 进行电解着色。根据所获得颜色的色系确定选用的电解液；
4)封孔：本实验选用沸水封孔法，对所获得的涂层进行后处理，在 沸水中封孑L 30rIlin，以确保不退色。
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第2章太阳能集热器太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置，是太阳能热利用系统的核心设备。
太阳能集热器可以按多种方法进行分类。
按照传热工质的类型，可以分为液体集热器和空气集热器；按照进入采光口的太阳辐射是否改变方向，可以分为聚光型集热器和非聚光型集热器；按照集热器内是否有真空空间，可以分为平板型集热器和真空管集热器；按照集热器的工作温度范围，可以分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。
本章主要介绍平板型集热器、真空管集热器和聚光型集热器。
第1节平板型集热器平板型集热器一般在100℃以内的低温范围内应用，它不仅结构简单，操作方便，价格也比较低廉。
多用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。
一、集热器的结构一般来说，平板型集热器由下列5个部件组成，如下图所示。
(1)吸热体吸收太阳能并转换成热能传递给工质。
(2)盖层允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐射以减少吸热体的热损。
(3)保温层减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的热损。
(4)工质及流动通道使工质能与吸热体发生热接触。
集热器的工质为流体(液体或气体)。
(5)支架及框架将集热器的各个部分连接成一个整体并支撑其重力。
下图是典型的平板型集热器的示意图。
液体集热器用水或者水-防冻剂混合物作为工质，有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质。
气体集热器以空气为工质。
大多数液体集热器都采用管-平板结合式吸热体，管子可以在板的前面、后面或与板焊接成一个整体，有时也采用波纹金属板作为吸热体◇气体集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸热体背后的通道，使空气与吸热体发生热接触；为了增大传热系数，还采用搅拌器、肋片和波纹状吸热体以及多孔吸热体等。
下图所示为以液体为工质的吸热体的几种形式。
盖层既可以使用玻璃，也可以采用透明塑料，层数则由集热器的用途及其使用地点而定。
在低纬度处，通常只需一层，但在中高纬度处，则有时需要两层甚至三层，以防止过多的热损失。
所有盖层都必须对太阳辐射具有高透射率，而对于热辐射则具有低透射率。
在集热器的背面和四周，必须放置足够的保温材料以减少热损，至于具体的数量则由成本、用途、地点以及设计而定。
二、光学特性吸热体是低温集热器的最重要的部件，要求其对太阳辐射具有较高的吸收率，良好的导热性，同时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。
黑体可以吸收所有波长的辐射，吸收率最大，α=1。
根据基尔霍夫定律，黑体也具有最大的发射率ελ。
吸热体对辐射的吸收和发射依赖于波长。
利用这一点，可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。
选择性涂层在可见光区域具有很高的吸收率，但在红外区域具有很小的发射率。
有很多选择性涂层在可见光区域的吸收率与红外区域的发射率之比，即ε/α都很高，如黑镍、黑锌、黑铬等。
利用选择性涂层，平板型集热器具有较好的性能，但是也有两个缺点：(1)选择性涂层对高温和气候条件比较敏感；(2)成本较高。
对于不透明的吸收表面，有α+ρ=1，其中ρ为反射率。
所以有：α=1—ρ。
下图所示显示了一个选择性吸收器的反射率的变化。
在短波区域，反射率ρ很小，即α很大；而在长波区域，ρ很大，即α很小，或者ε很小。
吸热体上面的盖板应该具有很高的短波辐射透射率(τ)和较低的长波辐射透射率。
根据公式α+ρ+τ=1，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率。
事实上，盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长波区域都要比较小。
如下表所示，玻璃在可见光区域透射率约为97%，在红外区的吸收率约为94%。
根据基尔霍夫定律，红外区的高吸收率导致高发射率，使得辐射热损失增加。
通过喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟(In2O3)，氧化锌(ZnO2))，可以大大减少红外辐射热损失。
下图显示了这种选择性盖板的光学特性。
与吸热体的选择性涂层类似，这些涂层暴露在高温环境和不同的气候条件下，性能会下降，同时，成本也比较高。
低温集热器可以有不同的设计，但主要的标准就是能够向工质有效传热。
三、平板型集热器的能量分析1、平板型集热器的能量平衡根据图下，可以得到平板型集热器吸热体的能量平衡方程如下：其中，Q A为吸热体接收的太阳辐射；Q u为工质获得的有效热；Q L为吸热体的热损失。
热损失可以表示为其中，Q k为吸热体的传导热损失，W；Q c为吸热体的对流热损失，W；Q r为吸热体向外的长波辐射热损失，W。
在实际工程中，热损失常用下式表示：其中，Q b为集热器背面热损失，W；Q s为集热器侧面热损失，W；Q f为集热器正面热损失，W。
2、能量损失分析平板型集热器的热损失Q L可以表示为为环境温度，K；A c为集热器面积，m2；U L为总热损系数，其中，T为吸热体温度，K；T∞W/(m2²K)，为正面热损、背面热损、侧面热损之和，即(1)背面热损背面热损主要包括传导热损和对流热损。
典型的平板型集热器在吸热体的背面装有保温层，如下图所示，其热导率为k，厚度为t。
利用热阻的概念，可以得背面的热阻R b为其中，Ri和Rc分别表示保温层热阻和对流热阻；hb为对流传热系数。
所以，集热器通过背面的热损速率为式中，Ab表示背面的面积，Tb，∞为背面的气温。
上式与前式比较，可得其中大多数集热器都采用很厚的保温层，且所用材料的热导率都很低。
因此，t/k常远大于1/hb，故背面热损系数简化为对常用的平板型集热器，Ab=Ac，且Tb，∞=T∞，此时背面热损系数即简化为k/t。
(2)侧面热损侧面热损主要由热传导和对流造成。
平板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成，如下图所示。
由于框架的内部面对几种不同的温度，故侧面传热应是二维的。
为了获得关于侧面传热系数的比较保守的估计，可以假定框架内部的温度处于最高可能的温度(即吸热体温度T)，这样传热就变为一维的。
可以得到侧面热阻Rs为其中，tm和km分别为框架的厚度和热导率；hs为侧面的对流传热系数。
从而集热器通过侧面的热损速率为式中，As为垂直于传热方向的侧面总面积，一般即等于侧面的高度与周长的乘积。
与式比较，可得其中由于通常框架是由薄金属制成的，即tm很小，且t/k远大于1/hs，如果Ts，∞=T∞，则侧面热损系数可以简化为(3)正面热损集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种方式同时发生。
传导通过盖层发生，而对流和热辐射则在吸热体和盖层的空隙之间以及最外层盖板与周围空气之间发生，如下图所示。
设所考虑的集热器具有两层盖板，则在等效热回路中的各种热阻如下：Rc，1∞：风力造成的对流热阻；Rr，1∞：外层盖板与天空之间的辐射热阻；R12：外层盖板的传导热阻；Rc，23：在两层盖板之间空气缝隙内的热阻；Rr，23：两层盖板之间的辐射热阻；R34：内层盖板的传导热阻；Rc，45：内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻；Rr，45：内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。
整个正面热回路的净有效热阻Req为正面热损系数Uf即为Req的倒数，且通过集热器正面的热损速率为给定环境温度和吸热体温度后，可以通过热阻回路的分析求得盖层表面的温度。
例如，内盖层外表面的温度即为综上所述，求解Uf的步骤为：(1)预估T1，T2，T3和T4的值；(2)根据估计值求出所有热阻；(3)利用热阻求得正面热损系数Uf；(4)利用Uf计算Qf；(5)根据热回路图重新计算T1，T2，T3和T4的值；(6)利用这些新的温度值，进行迭代计算，直到误差在给定范围内。
四、集热器的效率集热器获得的太阳辐射为其中，Ig为太阳辐射强度，W/m2；τ为总透射率；α为吸热体的吸收率；Ac为集热器面积，m2。
因此热损失可以表示为其中，U L为吸热体的总热损系数，W/(m2²K)；T为吸热体温度，K；T为环境温度，K。
∞由上面两式可以得到因此，单位集热器吸热体面积得到的有效能量就是集热器的热效率定义为其中，η0=ατ，为吸收率与透射率的乘积，通常称为光学效率或转换系数。
1、光学效率计算计算光学效率，首先要确定盖板的总透射率。
(1)确定反射系数下图表示了地面太阳辐射的两个主要分量——直射辐射和散射辐射通过透明盖板的情况。
通常，反射率ρ和透射率τ可以用下式表示：其中，下标b和s分别表示直射辐射和散射辐射，下标R和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。
盖板内的辐射实际上是经过了多次反射，如下图所示。
利用菲涅尔(Fresnel)公式，反射率可以表示为其中，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
根据光的折射定律，有其中，n1，n2分别为空气和玻璃的绝对折射率；n21为玻璃相对于空气的相对折射率。
将上式带入前式，可得(2)只考虑反射现象的透射率计算只考虑入射光在玻璃盖板上下界面上的多次反射和透射，不考虑玻璃吸收的情况，则总辐射中穿过玻璃盖板的透射率τr计算如下。
经过1次，2次，3次，⋯，n次，⋯反射，各次透过玻璃盖板的辐射量可以表示为总的透过辐射是故类似地，可以得到N层盖板的透射率：(3)只考虑吸收现象的透射率计算玻璃的入射辐射中，有一部分会被玻璃吸收。
光线经过的路线越长，被吸收的就越多。
与一般传输定律类似，有式中，τA为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率；K为吸收系数，1/m；m为光程，m。
如果入射光的入射角为θ1，折射角为θ2，封盖为N层，每层的厚度为t并且具有相同的吸收率，则(4)总透射率N层盖板的系统的总透射率是τr，N和τA，N的乘积，即或者其中，θ2=arcsin(n12sinθ1)。
(5)光学效率总透射率与吸热体吸收率的乘积即为光学效率，如下式所示：2、其他形式的效率方程由于吸热板温度不容易测定，而集热器工质的进口温度Ti和出口温度T e比较容易测定，所以集热器效率方程也可以用集热器平均温度Tm来表示：式中，F'为集热器效率因子，其物理意义是：集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质平均温度时输出的能量之比；T是环境温度。
∞尽管集热器平均温度可以测定，但由于集热器出口温度随太阳辐照度变化，不容易控制，所以集热器效率方程也可以用集热器进口温度Ti来表示：式中，F R为集热器热转移因子，其物理意义是：集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质进口温度时输出的能量之比。
集热器热转移因子与集热器效率因子之间的关系为式中，F"为集热器流动因子。
由于F"<1，所以F R<F'<1。
3、集热器效率曲线将集热器效率方程在直角坐标系中以图形表示，得到的曲线称为集热器效率曲线，或集热器瞬时效率曲线。
在直角坐标系中，纵坐标表示集热器效率，横坐标表示集热器工作温度和环境温度的差值与太阳辐照度之比，有时也称为归一化温度。
假定UL为常数，则集热器效率曲线为一条直线。
效率方程对应的效率曲线如下图所示。
从图中可以得到如下几点规律。
(1)集热器效率不是常数而是变数集热器效率与集热器工作温度、环境温度和太阳辐照度都有关系。