太阳能中高温集热器及应用

材
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
中温太阳能集热器与国标曲线对比
利
0.80
用
低温 中温
设
0.70
计
0.60
中温集热器， tm=150℃,η=0.517
集热器效率η[-]
师
0.50
培 0.40
训
教
0.30
真空管集热器
材
0.20
平板集热器
中温集热器
0.10
真空管集热器， tm=150℃,η=0.195
平板集热器，tm=130 ℃,η=0.06
用 设
0 a1Tm* a 2G（Tm*）2
计
师
提高集热器效率的途径
培
提高集热器效率的途径主要有：
训
①提高玻璃管透光率，提高吸热体吸收率、降低吸热体发射比。
教 材
②提高反射镜反光率，提高集热热效率。
③保持真空管的真空度将吸收热体的对流换热损失降到最低程度。
④提高集热器的聚焦比，以提高集热器的热性能。
用
设
— 目前我国锅炉数量近50
计
万台，80%左右为燃煤锅炉。
师
耗煤量占全国原煤产量的
培
1/3。燃煤锅炉效率低、耗
训
教
煤量大、污染严重。
材
— 能源供应结构的变化，
节能环保要求日益严格，节
能减排任务更加艰巨。
讲师：马迎昌
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利 ■太阳能热利用三阶段
用 太阳能热利用根据使用目的不同大致可分为三个阶段：
能
热
利
100.0
用
90.0
设
80.0
计
70.0
η[%]
师
60.0
50.0
培
40.0
训
30.0
教
20.0
材
10.0
横阳 双能 排集 带热 盖器 板瞬 中时 温效 真率 空曲 管线 太
0.0 -0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
Tm*[m2·℃/W]
太 阳 能 热 太阳能工业应用—案例 利 CPC中温太阳能工业热力系统 用 项目简况 设 计 力诺瑞特设计制作的CPC中温 师 太阳能工业热力系统，集热 培 器总安装面积 8400 m2 ，采 训 教 光面积 5200 m2 ，CPC中温 材 集热器95℃时平均效率为60%，
日均提供95℃热水138吨，所
造纸，食品，烟草，木材，化工，医药，纺织，塑料等
设
上述行业的能耗占工业总能耗大于22.7%
计
师
培
根据2007年年鉴，八个行业热能总消耗为2.26亿吨标煤，表中为
训
太阳能替代热能消耗 10％ 折算成集热器面积计算结果；
教
材
潜力：若整个工业用热能10％被太阳能替代，则CO2减排量可达3.4亿
吨，以我国最新 61 亿吨CO2排放总量为基础，减排量可达5％。
中温真空管太阳能集热器瞬时效率曲线
利
用
100
设
90
80
计
70
师
60
培
50
η[%]
训
40
竖能 单集 排热 中器 温瞬 真时 空效 管率
教
30
材
20
太曲 阳线
10
0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
Tm*[m2·℃/W]
太
阳
讲师：马迎昌
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
用
设
计 太阳能中高温集热器及应用
师
培
训
教
材
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利 用
目录
设
计
一、中高温太阳能热利用概述
师 培
二、中温太阳能集热器分类
训
三、中温太阳能集热器
教 材
四、槽型抛物面高温太阳能集热器
五、中高温太阳能集热器应用
太 阳
一、中高温太阳能热利用概述
能
讲师：马迎昌
热
利
■化石能源紧缺，需求压力巨大
材 无能为力，因此集热器的聚光系统必须使光轴指向太阳，即跟踪太阳。
由于太阳时刻处于运动状态，再加上自然天气随时变化，因此全天候全
自动太阳跟踪装置的设计就成了一个难点。
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
太阳能热发电跟踪系统按照入射光线和主光轴位置关系可以划分为两
用 轴跟踪系统和单轴跟踪系统。两轴跟踪要求入射光和主光轴方向一致；单
太 三、中温太阳能集热器—小型槽型抛物面中温太阳能集热器
阳
讲师：马迎昌
能
热 槽型抛物面中温太阳能集热器结构 利
用
设
计
师
培
训
教
材
由槽式抛物面反射镜、真空集热管、跟踪装置等几部分组成。这
种集热器可以将运行温度提高到250℃左右，是最具有发展前景的中
温太阳能集热器之一。
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
槽型抛物面中温太阳能集热器效率方程
设 轴跟踪只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面内。两轴跟踪根据太
计
阳高度角和赤纬角的变化情况而设计，它具有最理想的光学性能，是最好
师
的跟踪方式，能够使入射光与主光轴方向一致，获得最多的太阳能。但设
培
备结构复杂，制造和维修成本高。单轴跟踪型只要求入射光线位于含有主
训
光轴和焦线的平面就行，且结构简单，跟踪精度要求不高或阳光充裕的地 方一般优先考虑单轴跟踪。
太 三、中温太阳能集热器
阳
能 —中温真空管太阳能集热器
热
利中
用
温 真
设
空
计 师
管 集 热
培
器
热 管 式 真 空 管 集 热
训
结 构
器
教
材
讲师：马迎昌 玻 璃 金 属 真 空 管 集 热 器
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
用
设
计
师
培
训
教
材
内置反射器中温集热器
外置反射器中温集热器
太
阳
讲师：马迎昌
能
热 利
中温真空管太阳能集热器—— CPC U型管中温真空管集热器(外置式聚光板)
企业标准 （力诺瑞特）
≥0.62
≥0.40 ≤1.0 ≤0.010 ≥0.55
≥0.40 ≤0.8 ≤0.008
备注
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
用
中温真空管太阳能集热器的热性能要求：
设
计
师
一、要提高集热器的光学效率，需研制具有高太阳吸收
培
比、低半球发射比的吸收涂层，以及高太阳透射比
训
的罩玻璃管；
教
二、要降低集热器的热损失。
太
阳
能
热
中温真空管太阳能集热器性能
利
用
设
中温集热器类型
0,a
计 师
t 无盖板有反射器 m
瞬时效率截距0,a
培
=150℃，
训 教
a1 W/(m2·℃)
a2 W/(m2·℃0,2a)
材
t 有盖板有反射器 m
瞬时效率截距0,a
=150℃，
a1 W/(m2·℃) a2 W/(m2·℃2)
讲师：马迎昌
用
设
计
资源种类
煤炭
石油
天然气
水力
师
（亿吨） （亿吨）
（亿M3） （GW装机）
培
探明可开采
训
储量
1145
32.736
11704
353
教
可开采年限 54-81年
15-20年
28-58年
38- 104年
材源自文库
可开采到 2060-2090 2020-2040 2035-2065 2045-2110
太
阳
能
热
利 ■环境污染严重，环保任重道远
设
热水阶段：～100 ℃以下为低温热利用，主要是提供生活热水；
计
师
热能阶段：100～250℃ 为中温热利用，主要是提供工农业用热；
培
热电阶段：250℃以上为高温热利用，主要提供发电用热。
训 对应的集热器类型：
教
材
低温集热器（普通集热器）
中温集热器
高温集热器
太
阳 二、中温太阳能集热器分类
能
讲师：马迎昌
提供的热量约占锅炉所需热
用
设
计
师
培
训
教
材
竖单排中温真空管太阳能集热器
太 阳 能 热 利 用 设 计 师 培 训 教 材
横双排无盖板中温真空管集热器
讲师：马迎昌 横双排带盖板中温真空管集热器
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
中温真空管太阳能集热器效率方程
用
0 a1Tm* a 2G（Tm*）2
设
计
其中： Tm* （Tm－Ta）/ G ，归一化温差；
设
抛物面反射镜分玻璃镜面，陶瓷镜面，金属镜面等。根据所需要的
计 温度不同可采用不同材质的反射镜面。金属镜面可采用进口材料，具有
师 极高的反射率，反射率可达95%以上，可以收集太阳能漫反射光线，并将
培 光线进行整理聚焦，可以有效提高集热器工作温度。
训
太阳能跟踪系统
教
抛物柱面槽式聚焦集热器只能收集太阳的直射光线，而对散射部分
培
减反射涂层，膜层能够不受侵
训
蚀而可以保持一个相当长的时
教
间。 与此同时该减反射涂层使
材
得超过96%的太阳光能够透过罩
玻璃管。高质量的玻璃管与高
透射率的减反射涂层，透射率
大于96%，抗腐蚀能力强。
讲师：马迎昌
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
②钢管的太阳选择性吸收涂层
利
该吸收器中心的镀膜管是由钢制成的，镀膜管必须要有高吸收率和
师
2）创新设计了真空管内插U型管加聚光CPC反射器、加减反射膜玻璃盖
培 板。
训
3）集热器效率测试装置先进，测试方法科学合理，集热器测试进口温
教
度能够达到并稳定在150℃，首次实现了温度为150℃的集热器效率测试。
材
4）中温太阳能集热器能够稳定工作在150℃，集热器效率＞0.40，与国
际同类知名集热器相比有明显的优势，处于国际领先水平。
用
低发射率，吸收率应达到95%左右，在温度400摄氏度时，其发射率不大
设
于14%。
计
③罩玻璃管与钢管的熔封
师
玻璃与钢管之间的封接一直是一个很难解决的问题。钢管与玻璃光
培
学膨胀系数的差异，是由金属与玻璃之间一个连接法兰来抵消的，该连 接是由金属制成的。坚固的玻璃金属封接，是采用金属材料和相匹配的
训
膨胀系数玻璃的全新结合，钢管与玻璃之间的封接能够经受住强烈的天
训
0.4
教
0.3
材
0.2
0.1
0.0 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Tm*[m2℃/W]
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
创造性与先进性
用 设
1）采用山东力诺公司与清华大学联合开发的新产品—中温太阳能真空
计
集热管，它具有高的太阳吸收比与低的半球发射比，各项性能优异。
太 阳
四、槽型抛物面高温太阳能集热器
讲师：马迎昌
能
热
槽型抛物面高温太阳能集热器基本结构
利
用
由槽式抛物面反射镜、高温真空集热管、跟踪装置等几部
设
分组成。这种集热器可以将运行温度提高到400℃左右，是目
计
前太阳能热发电最成熟的集热技术。
师
培
训
教
材
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
高温真空集热管
利
用
高温真空集热管结构如图所示，它是由太阳能吸收管、玻璃罩
0.00 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 集热器温度tm [℃]
太
阳
讲师：马迎昌
能
热 中温太阳能集热器与国际知名品牌集热器对比
利
用
1.0
设
0.9
0.8
计
0.7
师
0.6
η[-]
培
0.5
力诺瑞特中温集热器 cortec（法国） TMO600（英国） TUBO12CPC（德国）
能
热
利
太阳能工业应用—概述
用
设
中国
欧洲
计
热力能耗占工 热力能耗占工
师
业能耗的53% 业能耗的67%
培
电力能耗占工 电力能耗占工
训
业能耗的47% 业能耗的33%
教
工业能耗占全
材
国能耗的70%，
并且逐年递增
工业用热温度大部分在80 ℃~250 ℃ 之间
讲师：马迎昌
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
利
主要应用领域：
用
设
管、金属管、环形空间、玻璃--金属过渡元件、向内指向套环
计
、向外指向套环、伸缩平衡装置、可折叠法兰、联接装置等构 成。其关键技术有下列几个方面：
师
培
训
教
材
太
阳
能
热
利
①罩玻璃管的减反射涂层
用
大部分的涂层有一个这样的
设
缺点，即时间久了膜层容易从
计
高硼硅玻璃上脱落。因此，高
师
温发电管集热器要具有独有的
教
太阳能热发电系统
材
太阳能热发电系统，是利用聚光太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，
加热水或通过其他传热介质加热水，使之产生蒸汽，驱动热力发动机，再
带动发电机进行发电。也就是说，太阳能热发电系统是先把太阳辐射能转
换为热能，然后把热能转换成机械能，最后再把机械能转换为电能。
太 阳
五、中高温太阳能集热器应用
热
中温集热
类型
利
器
定义
用
主体结构 真空管型中温
采用玻璃管并在管壁和和吸热体之间形成真空
设
集热器
空间的中温太阳能集热器。
计
平板型中温集热 吸热体表面基本上为平板形状的中温太阳能集
器
热器
师
加热介质 液体中温集热器 用液体作为加热介质的中温太阳能集热器
培
空气中温集热器 用空气作为加热介质的中温太阳能集热器
师
0 —瞬时效率的截距，0 ＝F’()en，
培
()en—玻璃盖板或罩管的太阳透射比与吸收涂层太阳吸收比
训
的有效乘积(法向)；
教
F’— 集热器的效率因子；
材
G —太阳辐照度；
a1 — 与集热器热损有关的系数；
a2 — 太阳能集热器瞬时效率非线性系数, 与集热器热损有关
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
教
气变化。
材
④简捷的法兰连接:
因为其连接法兰特别短，使得整个集热器管的采光面积达到整个管
长度的96%以上。
⑤优秀的真空品质
先进的元件去气工艺和优良的排气工艺保证高温管的真空维持。
太
阳
讲师：马迎昌
能
热
抛物面反光镜
利
抛物面反射镜是槽式中高温集热系统的核心部件之一，形状是抛物
用 线式的。可根据不同的用热需要设计不同的开口大小。
训
采光形式 聚光集热器
利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光
教
口的太阳辐射改变方向并聚集到吸热体上的中
温太阳能集热器。
材
非聚光集热器
进入采光口的太阳辐射不改变方向也不聚集到
吸热体上的中温太阳能集热器。
跟踪太阳 跟踪型集热器
绕单轴或双轴转动全天跟踪太阳视运动的中温 太阳能集热器。
非跟踪型集热器 全天跟踪太阳视运动的中温太阳能集热