太阳能热利用技术

按集热器的工作温度范围分类：
•
•
（1）低温集热器（100 ℃以下）
（2）中温集热器（100～250 ℃ ）
•
（3）高温集热器（250 ℃以上）
二、平板太阳集热器基本结构
一、典型平板太阳集热器的构造
平板式液体集热器 • 定义：以水或其他液态传热流体为工质的非真空隔热的非
聚光型集热器。
• 特点：太阳辐射能的吸热面积与透光面积基本相等； 与聚焦型集热器相比，结构简单； 通常固定安装，不需跟踪太阳； 成本较低，不具备聚光功能，热流密度较低。
Qe
壳体
Qb
保温材料
集热器的热损失示意图
集热器的总热损失量QL由顶部、边缘及底部热损 失三部分组成，即：
QL Qt Qb Qe A t U t (T p T a ) A b U b (T p T a ) A e U e (T p T a ) A c U L (T p T a )
尘、雨雪的侵蚀
• 材料：平板玻璃、透明塑料
• 透明盖板性能要求： ①透过率高，吸收率和反射率低 ②热辐射（长波）透过率低 ③机械强度高 ④不透雨水 ⑤性能稳定
平板式集热器wenku.baidu.com结构——集热板
• 吸热体主要有4种结构型式：
管板式
翼管式
扁盒式
蛇管式
吸热板的构造
• 集热板性能要求： ①吸收率高，热辐射率低 ②热转换效率高 ③对介质耐腐蚀性好 ④寿命长 ⑤工艺简单 ⑥价格便宜
平板式集热器的结构——隔热层
• 为降低热损失和提高集热效率，在集热板的底 部和四侧，必须填充一定厚度而绝热性能良好 的隔热层。 • 特性要求（指用作隔热层的绝热材料）： ①导热系数低 ②耐温性好 ③性能稳定，寿命长
平板式集热器的结构——外壳
• 外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明 盖板和隔热层的部件 • 不仅要具有构造材料的功能，而且要具有 装饰材料的功能 • 材料：铝合金板、不锈钢板、碳钢板、塑 料、玻璃钢等

W D
5、管式：管子互相相邻D/W=1 Cb=∝
F 1 DU L 1 1 WU L
F=0
Dih f i
Dih f i
1
管式（管子互相相邻）
6、扁盒式：
fi
三、集热器的热转移因子FR和流动因子F〞
四、集热器瞬时效率及热效率曲线 1、集热器的瞬时效率 定义：稳态或准稳态下，规定时段(通常为 5~15min)内，传热工质从太阳能集热器获得 的能量与入射在集热器采光面积上的太阳辐 射能之比，即

Qu Ac I m c p T f , o T f , i Ac I



0

0
Qu d
Ac I d
实际太阳集热器平均效率是由测得的数值求得的。 例如欲求集热器的日均效率，将一天划为很多时间区 域，实测得的每个区间内集热器的有用能量收益和总 太阳辐射能量。最后采用求和的方法估算得集热器的 平均效率。即： Q
n u ,i

i0
A c I ,i
2.渗透型吸热板空气集热器
多层金属网箔 蜂窝结构
渗透型吸热板空气集热器
5-6 集热器性能的试验方法
一、平板型集热器热性能
集热器的集热效率是衡量其热性能的主 要指标。 集热效率的测定有两种基本方法：瞬时 法和量热法两种。
瞬时法：

Qu Ac I m c p T f , o T f , i Ac I
平板集热器
按工质划分有空气集热器和液体集热器，目前大量使用的是液体集热器；
按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及 其它非金属集热器等；
按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器，还
有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等； 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集 热器等。 目前，国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和 铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊，1995年我国也开 发成功全铜高频焊集热器。1937年从加拿大引进铜铝复合生产线，通过消化
5-7 集热器的热性能测试
一、集热器的热性能测试的主要内容 (1)稳态或准稳态瞬时效率特性； (2) 集热器时间常数； (3)集热器的热容量； (4)入射角修正系数； (5)流动阻力。
二、瞬时效率测定 三、测试标准介绍
现行的国家标准有： 全玻璃真空太阳集热管，GB/T 17049-2005 平板型太阳能集热器，GB/T 6424-2007 玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管，GB/T 19775-2005 太阳热水系统性能评定规范， GB/T 20095-2006 家用太阳热水系统技术条件，GB/T 19141-2003 真空管型太阳能集热器，GB/T 17581-2007 太阳能集热器热性能试验方法，GB/T 4271-2007 家用太阳热水系统热性能试验方法，GB/T 18708-2002 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范，GB/T 18713-200 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范，GB 50364-2005
四、平板太阳集热器的能量平衡方程
QA Qu QL Qs
式中， Q A
Qu
—入射太阳辐射能，W；
—集热器有用收益，W；
Q L —集热器对周围环境的总散热热损失，W；
Q s —集热器本身的储能，W。
5-2 盖层系统的光学性质
• 一、透过率与入射光谱的函数关系
不同含铁量玻璃的光谱透过率
聚氟乙烯膜的光谱透过率
二、透过率与吸收率乘积
入射到集热器最外层盖板上的太阳 辐射能中被吸热体所吸收的百分率称 为集热器的透射比与吸收比的乘积 （简称透吸比的乘积），它是表征集 热器性能的主要指标之一，除了与盖 层和吸热体材料或涂层有关以外，还 取决于盖层数与直射辐射的入射方向。
透明盖板
(1 )
(1 ) d
5-8 平板型太阳能集热器的设计要点
一、吸热板的设计 几种常见的以液体为传热介质的吸热板的 F′的解析式：
1、管板式：管子在板的下面
F [ 1 WU L WU L Cb W D (W D ) F ] 1
Dih f i
2、管板式：管子在板的上面
F 1
WU 1 L Dih i D WU W f L C (W D ) F W b

1
1

3、管板式：管子与板结合成整体
F 1 WU L
Dih f i

1 D W (1 D W F)

1 WU L
Dih f i

W D (W D ) F
4、管式：F=0 Cb=∝
F 1 WU L
Dih fi
式中，Qt、Qb、Qe——顶部、底部、侧面散热损失，W； Ut、Ub、Ue——顶部、底部、侧面热损系数， W/(m2· K)； At、Ab、Ae——顶部、底部、侧面面积，m2； UL——吸热板对环境的总热损系数，W/(m2· K)。
（1）底部热损失 （2）侧面热损失
（3）顶部热损失
减少集热器热损失的途径： （1）减少吸热板与透明盖板之间的对流热损失 （2）板与透明盖板之间的辐射热损 （3）增加透明盖板层数可同时减少吸热板与透 明盖板之间的对流及辐射热损
缺点： (1) 空气的导热系数小 (2) 与水相比，空气的密度小 (3) 空气的热容量小
二、空气集热器的类型
1.非渗透型吸热板空气集热器
空气通道 空气通道 空气通道
(a)
空气通道
(b)
空气通道
(c)
(d)
非渗透型吸热板空气集热器
辐射 太阳
风机
热空气出口
通道 空气
冷空气入口
非渗透型吸热板空气集热器的工作原理
UL F'U L

F' F R
F RU L ()U L (T p,m-T a)/I , (T f,m-T a)/I , (T f,i-T a)/I
(1) 图中三条曲线在 y 轴上的截距分别为 ( ) 、 F ( ) 及 F R ( ) ，它表示集热器的
i 1
n
5-5 太阳能空气集热器
一、空气集热器的特点和设计要点 优点：
(1)不存在冬季的结冰问题； (2)微小的漏损不致严重影响空气加热器的工作和 性能； (3)加热器承受的压力很小，可用较薄的金属板制 面； (4)不必考虑材料的防腐蚀问题； (5)经加热的空气可直接用于干燥或房屋取暖，勿 需增添中间热交换器。
第二篇
太阳能热利用技术原理与工程应用
第四章 平板型太阳能集热器
第五章
第六章
真空管太阳能集热器
太阳能的贮存
第七章
第八章
太阳能热水系统
被动式太阳房
第九章
第十章
太阳能干燥
太阳能热动力与热发电
第四章
5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8
平板型太阳能集热器
平板型太阳能集热器概述 盖层系统的光学性质 集热器的的总热损系数 平板集热器的热性能分析 太阳能空气集热器 集热器性能的试验方法 集热器的热性能测试 平板型太阳能集热器的设计要点
聚光型集热器
集热器
非聚光型集热器
将太阳光聚集在面积较小的 吸热面上，可获得较高温度， 但只能利用直射辐射，且需 要跟踪太阳。 能够利用直射辐射和散 射辐射。
（平板集热器，真空管集热器）
按集热器是否跟踪太阳分类： • （1）跟踪集热器 • （2）非跟踪集热器 按集热器内是否有真空空间分类： • （1）平板型集热器 • （2）真空管集热器
2

吸热板

(1 ) d
(1 ) d
2
2
(1 ) d
(1 ) d
2
2
集热器的透过吸收率乘积
有效透过率-吸收率乘积 ( ) e
5-3 集热器的的总热损系数
集热器总热损系数：集热器中吸热板与周围 环境的传热系数。
吸热体
Qt
透明盖板
Qe
5-4 平板集热器的热性能分析
一、简化热模型
管板式集热器
吸热板的温度分布
二、集热板管子间的温度分布和集热器的效率因子 1、集热板管子间的温度分布
管板结构集热板微元体的能量平衡关系
2、集热器效率因子
F ' W[
1/U 1
L
U L [ D (W D ) F ]

1 cb

1
D i
]
5-1 平板型太阳能集热器概述
• 一、太阳集热器的分类
• 二、平板太阳集热器基本结构
• 三、工作原理
• 四、能量平衡基本方程
一、太阳集热器的分类 集热器是将收集的太阳辐射能转变为热能， 并将它传给工作介质（流体）的一种特殊 换热装置。
按集热器的传热工质类型分类： • （1）液体集热器 • （2）空气集热器 按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类： • （1）聚光型集热器 • （2）非聚光型集热器
基本结构
• • • • （1）透明盖板 （2）集热板 （3）隔热层 （4）外壳
平板型集热器结构简图 1——吸热板；2——透明盖板；3——外壳； 4——隔热材料；5——吸收涂层
平板式集热器的结构——透明盖板
• 主要功能：①透射，透过太阳辐射
② 隔热，减少吸热板到环境的 热损失 ③保护，保护吸热板，使其不 直接暴露于大气中，免受灰
可能达到的最高效率值。
（2）图中三条曲线的斜率分别为 U L 、 F U L 及 F R U L ，它表示集热器的热损失程度。斜率 越大，则集热器的热损越大；斜率越小，则集热器的热损越小。
（3）图中三条曲线在 x 轴上的截距均为
( ) U
L
，他表示此时集热器无有用能量输出。
2、平均效率 定义为
吸收，现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。 为了减少集热器的热损失，
可以采用中空玻璃、聚碳酸酯阳光板以及透明蜂窝等作为盖板材料，但这些 材料价格较高，一时难以推广应用。
三、工作原理 • 太阳辐射透过透明盖板到达吸热板， 被吸热板上的吸热涂层吸收后，产生光热 效应，转化为热能而后通过导热、对流等 方式将热能传给集热排管和集热管中的水 或其他传热流体，供人们使用。
量热法：
Qu Ac I mc p dT d
f

Ac I
二、平板型集热器的可靠性和耐久性试验
国家标准《平板型太阳能集热器》GB 6424—
2007涉及到有关出厂产品质量检验和例行试验方法
与检验规则等可靠性试验的内容。 出厂检验指外观检查和耐压试验。 例行试验包括热性能，空晒、淋雨、耐冻，强度 和刚度、涂层试验等内容。