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。

稳态测试方法模型相对简单，该测试是在集热器达到稳定的工况条件下进行的，且测试过程中对天气等条件的限制非常严格，需要相当长的测试时间以及比较高的测试成本,使其应用的广泛性受到很大的限制。

相反，动态测试法是在集热器实际运行工况条件下对集热器热性能进行测试，检测过程所要求的条件相对宽松，测试周期短，成本低。

所以，相关的科研机构和科研工作者基本都是致力于研究太阳能集热器热性能的动态测试法。

由于稳态测试方法在测试过程中忽略了某些影响因素，所以对其的测试要求相当严格。

所以，在放宽测试条件的动态测试方法中，必须考虑这些因素[7]，包括：入射角修正系数K∞（θ）对η0的影响、风速的影响、长波辐射的影响等。

峙峰等[8]对同一个太阳能集热器热性能分别进行了动态和稳态测试，并对实验结果进行了分析和对比，结果表明在集热器基于入口温度的归一化温差低、中温差处，两种测试方法得到的效率曲线重合，得出太阳能集热器动态测试方法与稳态测试方法的结论基本相符。

在集热器基于入口温度的归一化温差的高温差出，两种测试方法得到的效率曲线有偏差。

这为进一步对太阳能集热器动态测试方法的研究打下了基础。

3 结语太阳能作为一种蕴含量巨大的新能源，近几十年来，得到了迅猛的发展，并且应用越来越广泛。

太阳能集热器作为太阳能光热系统中所研究的核心问题之一，虽说已取得丰硕的成果，但由于集热器复杂的传热机理、集热器材料以及生产工艺的不完善，所以，还需要对集热器做更深一步的研究分析，提高其传热效率。

从而对太阳能光热系统能够长期高效稳定安全的运行产生深远的意义。

参考文献[1] GB/T6424-2007.平板型太阳能集热．：中国标准,2007.[2] Samareh B, Yaghoubi M. Two Dimensional Numerical Simulation of the Turbulent Wind Flow around a Large Parabolic Solar Collector.In: Proceedings of APCWEVI, Korea, 2005,151. [3] 卢郁，于洪文等.平板太阳能集热器热性能数学建模以及模拟.大学学报（自然科学版）.2013,27(3).[4] 静敏、华等．太阳能热风发电系统集热器性能的影响因素分析．可再生能源，2008, 26(3).[5] 小粉、立希、鹤飞．热超导管管全玻璃真空管集热器的热性能分析.机械设计与制造，2007,10(10).[6] 王勇，段广彬.平板太阳能集热器强化传热特性研究.材料导报A：综述篇.2014,28(10).[7] Fischer S,Perers B,Bergquist P.Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the european standard EN 12975-2. Solar Energy, 2004,76(1).[8] 峙峰，瑞澄.太阳能集热器热性能动态测试方法研究.太阳能学报.2007,28(11).。