第3讲 太阳能热利用-集热器

翼管式吸热体
特征：利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有冀片的
吸热条带 优点： a.热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻 b.耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。 缺点： a.水质不易保证，铝合金会被腐蚀 b.材料用量大，工艺要求管壁和冀片都有较大的厚度 c.动态特性差，吸热板有较大的热容量
B 360 (n 81) 364
太阳时 = 北京时间 + E － 4×(120－L当地)
对应北京时刻分别为5点19分， 18点59分；7点19分，16点44分
日落时刻太阳方位角：
s , ss
sin arc cos cos
cos
109.4和60.9
特征：将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带
结合方式：热碾压成型，高频焊接，超声焊接等 铜铝复合条(热碾压成型)优点： a.热效率高：热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无结 合热阻 b.水质清洁：太阳条接触水的部分是铜材，不会被腐蚀 c.保证质量：生产过程完全机械化 d.耐压能力强：用高压空气吹胀成型
喷涂
化学 电化学
硫化铅、氧化钴、氧化铁等
氧化铜、氧化铁 黒铬、黑镍、黑钴
发射率 0.3~0.5 0.18~0.32 0.08~0.20
真空蒸发 磁控溅射
黑铬/铝、硫化铅/铝 铝-氮/铝、铝-氮-氧/铝
0.05~0.12 0.04~0.09
目前，还没有一种较理想的太阳能涂料被集热器生产厂家所接受。
盖板与吸热板的距离
1. 红外透射比 2. 耐侯性能-紫外线破坏
集热器盖板层数
无盖板: 适用夏季游泳池加热，成本低廉，加热水温低，流
量大 单层盖板（普通黑漆）:适用于春夏秋三季生产40-46C低温 生活热水 单层盖板（选择性涂层）:适用于春夏秋三季生产60-70C低 温生活热水 双层盖板（选择性或非选择性涂层）:用于环境寒冷地区， 但由于光学效率降低，影响总体效率
平板型集热器结构示意图
平板型集热器传热示意图
（1）吸热体
• 吸热体是平板型集热器的关键部件，一般为板状，故又称为吸热板
对吸热体的技术要求
太阳吸收比高，以最大限度地吸收太阳辐射能； 热传递性能好，以最大限度地传递给传热工质； 与传热工质的相容性好；
具有一定的承压能力；
加工工艺简单，成本合理，便于大批量生产及推广应用。
sin s 0 cos z 0
z0
s 0 90o z 0
5. 几个基本概念的理解：太阳赤纬角、太阳高度角、太阳天 顶角、太阳方位角、时角、真太阳时、太阳入射角
第三讲 太阳能热利用 ——太阳能集热器
主要内容
• 太阳能集热器类型，平板集热器（结构、 效率），真空管集热器（全玻璃真空管集 热器、热管式真空管集热器、其他形式金 属吸热体真空管集热器），聚光型集热器 （类型（槽式、蝶式）、构造、聚光比、 能量分析、效率）
蛇管式吸热体
将金属管弯曲成蛇形，再与平板焊接构成吸热板，一般采用铜板（高频焊接和 超声焊接），现在已很少使用。
特征：蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形。 优点：
a.不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性 b.热效率高，无结合热阻； c.水质清洁，钢管不会被腐蚀； d.保证质量，整个生产过程实现机械化； e.耐压能力强，钢管可以承受较高的压力。 缺点： a.流动阻力大，流体通道不是并联而是串联； b.焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。
涂层的性能直接影响吸热板的热性能。
普通黑板漆是一种非选择性涂料，其太阳吸收率与长波发射率相等，它可用 于低温集热器。
对于中高温集热温度的集热器应采用选择性涂料。满足高的太阳吸收比＋低 的发射率要求
对太阳能涂料的技术要求：
有较高的选择性能，即 不起皮；耐候性好。 制备方法 涂层材料 ；附着力强，
（2）集热器盖板
盖板的作用：
1.透过太阳辐射（0.3－2μ m)让其投射在吸热板上 2.保护吸热板，不受灰尘和雨雪的侵蚀 3.形成温室效应，使集热器内获得较高的温升，阻止吸热板 通过对流和辐射向周围环境散热 (长波辐射2.0μ m以上）。
盖板的技术要求：
具有高全光（太阳）透射比； 国标（GB/T 6424-1997）规定太阳盖板 的透射比不应低于0.78 红外透射比低； 有较高的耐冲击强度； 有良好的耐候性（适应各种气候条件）； 导热系数小，隔热性能好； 便于加工。
集热器定义及分类
• 太阳集热器定义：太 阳 加 热 系 统中，接收太 阳辐射并向其传热工质传递热量的部件。 • 太阳能集热器是一种特殊换热装置。它是太阳 能热利用中的关键设备。不是直接面向消费者 的终端产品
包含两个过程：a）吸收（收集）太阳能 b）传递热量
太阳能集热器工作原理图
太阳集热器的分类
一、平板型集热器
平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也 是世界太阳能市场的主导产品，是非聚光类集热器中 最简单且应用最广的集热器。
特点（与聚光型集热器相比）
结构简单，不需要跟踪；
工作可靠，成本较低；
可同时接收直射辐射和散射辐射； 热流密度较低，工质温度较低，运行安全。
平板型太阳集热器结构
1. 按集热器的传热工质
液体型集热器和空气型集热器
2. 按工作温度范围
低温集热器（100℃以下）、中温集热器（100～200℃）、 高温集热器（200℃以上）。
3. 按是否跟踪太阳能
跟踪集热器、非跟踪集热器
ห้องสมุดไป่ตู้
4. 按是否真空
平板型集热器、真空管集热器
5. 按太阳辐射是否改变方向
非聚光型集热器、聚光型集热器
闷晒式集热器 非聚光型集热器 平板型集热器 真空管集热器 太阳集热器 热管真空管集热器 非成像聚光型集热器 聚光型集热器 成像聚光型集热器 非聚光型集热器：照射到采光面的太阳辐射不改变方向，也不集中射到吸热体上 的太阳集热器。 聚光型集热器: 通常有特殊的镜发射器或折射器（聚光器）能将阳光会聚在面积较 小的吸热面上，以提高吸收器上的能流密度，从而获得较高温度，但只能利用直射 辐射，且需要跟踪太阳（跟踪系统）。主要应用于太阳能热动力发电。 非成像聚光型集热器：能 使太 阳 辐 射在吸热体（或接收器）表面集中，但不形 成焦点（或焦斑）或焦线（或焦带）的聚光型集 热 器 。 全玻璃真空管集热器
扁盒式吸热体
主要材料有铝合金或不 锈钢以及镀锌钢等。
特征： 扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊
接成一体构成吸热板。主要材料有铝合金或不锈钢以及镀锌钢等。 优点： a．热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻 b．不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。 缺点： a.焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢 b.耐压能力差，焊点不能承受较高的压力 c.动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大热容 d.有时水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀
日出时刻太阳方位角： s , sr arc cos sin
太阳光能照射到集热器的必要条件是入射角小于90。也就是说，集热器能接收到太阳辐射的时间分界点为入射角 等于90 。另外还要考虑两个问题：（1）与日出日落时刻的关系，不可能早于日出时刻或晚于日落时刻；（2）太 阳表面方位角的问题，太阳表面方位角小于90度时，太阳光线总是可以照射到集热器表面
平板式集热器吸收太阳 辐射能的面积与其采光 窗口的面积基本相等， 外形像一个平板。 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
上一讲思考题
4. 在当地时间正午12点时，太阳正好在我们的头顶正上方， 这句话对吗？ 不对，在正午12时，只有一个地方的太阳高度角为90度， 其余地方太阳都不是正好在头顶正上方。而且，当地时间 与真太阳时是有偏差的，所以，按照当地时间的正午去评 判太阳的位置更是不合适的。
正午时 sin s 0 sin sin cos cos cos( )
普通玻璃盖板
优点： • 红外透射比低 • 导热系数小 • 耐侯性能好 两个主要问题： • 太阳透射比很低，一般3mm厚均在0.8以下（国外 0.91） • 冲击强度问题，很容易破碎
玻璃钢板
——即玻璃纤维增强塑料板 • 优点
1. 太阳透射比高 2. 导热系数小 3. 冲击强度高
•
缺点
cos =
2 BC
2BC 4 A2 B 2 C 2 A 2
2
2 A2 B 2
5.31（5时19分）17.53（17时32分） 7.32（7时19分）16.74（16时44分） 130.391 81.9279
s-
-88.391 -39.928
上一讲思考题
2. 我们感觉到早晚的太阳辐射强度要比正午时弱，原因是 什么？ 大气质量不同（太阳光在大气中的衰减路程不同）造成的 3. 太阳能热水器的集热器方位角和倾角应该如何设置以适应 季节的变化？ 全年使用时，取集热器倾角等于当地纬度，冬季使用时， 取倾角为当地纬度+10度，夏季使用时取当地纬度-10度。 方位角在正南5度。
• 国内外文献提出不 同数值 • 共同点是应大于 20mm
（3）隔热层
隔热层的作用是减少集热器向环境散热，以提高集热器的工作 效率。
上一讲思考题
河北工业大学北辰校区节能楼（ 39.238 N，117.066E ）屋顶布置的集热器 倾角为25，方位角为-21 ，试计算： （1）5月1日和12月1日的日出、日落北京时刻，以及日出、日落太阳方位角； （2） 在5月1日和12月1日该集热器能接收到太阳辐射的北京时间。
已知：= 39.238 ，= 30，=-21 ，L当地=117.066
cos sin (sin cos cos sin cos ) cos (cos cos cos sin sin cos cos sin sin sin ) =0
cos有两个解， 时角为80.8，107.6 时角为70.2，97.0
透射比又称投射系数，是透过材料或介质的 光通量与入射通量之比。
透明盖板材料
• 目前常用的透明盖板材料有普通玻璃、钢化玻璃、透明玻璃钢和 透明塑料等。
普通玻璃的透光率较高，红外反射率低，抗老化能力强；
钢化玻璃有优秀的力学性能；
透明塑料的透光率较高，但容易老化，目前仅用于内层盖板。 • 普通玻璃、钢化玻璃和透明玻璃钢在用作盖板时，往往都采用 涂膜的方法以减少太阳光的反射而造成的热损失。涂层材料往往 都是SnO2、TiO2、Ag/TiO2、ZnS/Ag/ZnS等。涂层的制备方法有气 体沉积法、热喷涂法和化学热解法。
5月1日是第121天，12月1日是第335天。由公式 =23.45sin 360o （ ） 365 求得赤纬角分别为：14.9和-22.1. 根据 0 arccos( tan tan ) 求得距正午前后日出日落时刻分别为6.84h和4.71h
284+n
E 9.87 sin 2B 7.53 cos B 1.5 sin B
A sin B cos C =0
日落时角分别为102.6 和70.6
A
2
B 2 cos 2 2 BC cos C 2 A 2 =0
当表面太阳方位角小于90度时， 太阳光可以直接照射到集热面, 按照日出日落时角计算，否则 按照以上时角计算
初始北京时刻 h 终了北京时刻 h
常用吸热体材料
常采用普通钢、不锈钢、铝、铜和玻璃等。普通钢通常镀锌处理，可 以提高耐腐蚀性；铝的导热系数比普通钢大，热效率也高，为耐腐蚀 起见往往有涂层；铜的导热好、耐腐蚀、易加工，但与普通钢、铝相 比价格相对高。
平板型集热器吸热体的主要结构型式
管板式
翼管式
扁盒式
蛇管式
管板式吸热体
主要有铜铝复合吸热板和全 铜管板吸热板