第3讲 太阳能热利用-集热器

• 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。
（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。
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
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
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）
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( )
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。
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，
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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。
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
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。
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
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。