太阳能集热器热性能分析

太阳能集热器热性能分析

摘要：本文介绍了太阳能集热器的种类以及各自的特点。同时，阐述了太阳能集热器热性能的理论，包括影响太阳能集热器热性能的因素、太阳能集热器热性能的测试方法等。

关键字：太阳能集热器、热性能测试、影响因素

0 引言

随着能源的大量消耗和环境的急剧破坏，新能源技术已经成为21世纪世界经济发展中具有决定性影响的五个技术领域之一。太阳能因为具有取之不尽、用之不竭、无环境污染等诸多优点而受到各国重视。2011年，我国太阳能集热器生产量占世界产量的80%，占世界保有量的60%左右，说明我国已经成为太阳能利用大国。

太阳能集热器是将其接收的太阳辐射能向传热工质传递热能的装置，因此，太阳能集热器是太阳能利用的关键装置。所以，太阳能集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效应用至关重要。

1 太阳能集热器的种类

随着太阳能利用的大力发展，太阳能集热器的种类也越发多样化。根据进入采光口的太阳辐射方向是否改变，分为聚光型集热器、非聚光型集热器；根据集热器的传热工质类型的不同，分为液体型集热器、空气型集热器；根据集热器是否跟踪太阳，分为跟踪集热器、非跟踪集热器；根据集热器是否有真空空间，分为平板型集热器、真空管型集热器；根据集热器的工作温度围的不同，分为高温集热器

（300℃～800℃）、中温集热器（80℃～250℃）、低温集热器（40℃～80℃）。其中，太阳能热利用产品最常见的有两种--平板型太阳能集热器与真空管型太阳能集热器。

1.1 平板型太阳能集热器及其特点

平板型太阳能集热器[1]的典型结构如图１所示，主要包括透明盖板、吸热板芯、流体流道、隔热层和箱体等部分.

图1 平板型太阳能集热器典型结构

透过透明盖板照射到吸热板表面，吸热板吸收大部分太阳辐射能，将其转化为热能，并将热能传递给流道的传热介质，传热介质携带热能进入储热设备。这样，传热工质被加热后，温度逐渐升高，作为集热器的有用热能输出。同时，由于吸热体的温度升高，通过透明盖板和外壳向周围环境散失热量，造成了平板型太阳集热器的各种热损失。

平板型太阳能集热器在我国的太阳能利用中已广泛应用，技术日趋完善，主要特点有可承压性好、大型集热系统性能稳定、建筑一体

化程度高等。同时还有不足，如热损失大、无保温功能、抗冻能力差等问题。

1.2 真空管型太阳能集热器

基于平板型太阳能集热器，发展出了真空管型集热器。根据吸热体材料的不同，可分为全玻璃真空管集热器和金属吸热体（玻璃—金属）真空管集热器两大类。主要有全玻璃真空管式集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器。近年来，由于真空管式太阳能集热器的优异性能，越来越受到重视。其主要特点有热损失小，保温效果好、使用寿命长、抗冲击抗冻能力强。同时还有安装复杂，承压能力弱，维护麻烦等不足。

1.2.1 全玻璃真空管型太阳能集热器

全玻璃真空管式太阳能集热管主要由外玻璃管、选择性吸收涂层、真空夹层、保护帽、消气剂等部件组成。其工作原理简单，形状如同拉长的保温瓶。典型结构如图2所示。

图2 全玻璃真空管型太阳能集热器典型结构

当玻璃管吸收太辐射升温时，圆头就形成热胀冷缩的自由端，因此缓冲引起管开口端的热应力。玻璃管装水，玻璃管的外表面涂上太阳选择性吸收涂层，用来吸收太阳辐射能。将外玻璃管之间的夹层抽成高真空，减少热损失，起到保温的作用。在外玻璃管尾端粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。弹簧支架上装有消气剂，用于吸收真空集热管运行时释放出来的气体，以保持管真空度的作用。

1.2.2 U型管式太阳能集热器

U型管式太阳能集热器是基于全玻璃真空管式太阳能集热器改进而来的。由集管、隔热材料、集热流体、U型管等部件组成。其典型结构如图3所示。

图3 U型管式太阳能集热器典型结构

U型管式真空太阳能集热管是在普通真空玻璃管插入一根U型铜管，U型铜管外包铝型翅片，铝型翅片与真空管壁接触，真空管吸收太阳辐射能，通过U型管中流动的工质传递热能。因为真空管没有水，所以不会因一只管破损而影响整个系统的运行；真空管的热容大大减

小，同样的天气条件下可以获得更多的热量，因而提高了产品性能和运行的可靠性。

1.2.3 热管式真空管太阳能集热器

热管式真空管太阳能集热器同样是基于全玻璃真空管式太阳能

集热器改进而来的。热管式真空管太阳能集热器由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、吸气剂等组成。其典型结构如图4所示。

图4 热管式真空管太阳能集热器典型结构

热管式真空管太阳能集热器是利用太阳辐射在表面镀有选择性

吸收涂层的金属吸热板上，将吸收到的太阳辐射能转化为热能，并传递给热管，热管吸收热能后并加热管工质使其迅速汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端，在冷凝端放热迅速凝结为液体，在重力的作用下液体流回蒸发端。太阳能转化的过程就是热管工质汽-液相变循环过程。

2 太阳能集热器热性能分析

2.1 影响集热性能的因素

集热性能是评价与选择太阳能集热器的关键性参数，所以，对集热器的研究基本上都围绕集热器热性能展开的。Samareh B[2]等研究了影响集热器热损失的主要因素，包括：风向、风速（自然对流、强制对流、混合对流）对热损失的影响，集热器自身维护结构以及安装位置对热损失的影响。卢郁等[3]对平板太阳能集热器热性能进行理论推导，引入效率因子，进行模拟，得出吸热体板芯结构、板芯用材对平板太阳能集热器热性能的影响。在不降低集热器效率因子的情况下，是翅片单位面积降低45.8%；在材料消耗相同情况下，集热器效率因子提高了0.03。静敏等[4]对影响集热器性能的因素—进入集热器的空气流量、辐射强度、环境温度、集热器的蓄热体和集热棚的高度等参数，进行了研究，并分析了各因素对太阳能热风发电系统空气集热器性能的影响。。小粉等[5]对热管真空管太阳能集热器的传热机理进行了分析，给出了其总热损失系数、效率因子、热迁移因子和顺势效率的表达式，并通过实例将顺势效率的理论值与实验值进行了比较，两者相对误差小于6.74%。王勇等[6]对平板太阳能集热器改进透明盖板、设置透明隔热层、改进吸收涂层、优化吸热板、采用纳米流体等因素，使集热器热性能得到提升。

2.2 太阳能集热器热性能测试

2001年颁布实施的欧洲标准给出两种太阳能集热器热性能测试方法：一种是稳态测试方法，另一种是动态测试方法。稳态测试方法