光热转换技术

光热转换技术

1 概述

太阳能必须经过各种转换,才可能方便地服务社会。各种太阳能利用成功的关键在于太阳能转换技术。现代意义上的太阳能转换技术开发的全部内容可归纳为两个主要方面：

（1）高效地收集太阳能，主要技术内容有：

①选择性表面技术；

②受光面的光学设计；

③集热体的热结构设计与分析‘

④装置的机械结构设计。

（2）将收集的太阳能高效地转换为其他形式的有用能，主要技术内容有：

①尽可能降低能量转换过程中的各种热、电损失；

②优异的系统设计。

太阳能光热转换在太阳能工程中占有重要地位，其基本原理是通过特制的太阳能采光面，将投射到该面上的太阳能辐射能作最大限度地采集和吸收，并转换为热能，加热水或空气，为各种生产过程或人们生活提供所需的热能。

2 平板集热

所谓平板集热，就是集热装置的采光面积等于集热面积；若采光面大于集热面积，称为聚光集热。两者的概念是相对而言的。

平板集热具有以下特点：

①采光面等于集热面；

②集热面可以采集太阳直射辐射能、散射辐射能和反射辐射能；

③集热面固定安装，不跟踪太阳视位置；

④热损失系数较大，工作温度通常均在80℃以下；

⑤结构简单，生产成本低廉。

2．1 太阳能平板集热器

太阳能平板集热器是典型的平板集热，简称平板集热器。

1.平板集热器的分类

⑪按集热工质分类

①水集热

普通的太阳能平板热水器、公用热水系统，几乎都采用水作为集热工质。

②空气集热

太阳能干燥和太阳房采暖的集热装置，通常均以空气作为集热工质。

③防冻液集热

高寒地区经常采用防冻液和水作为集热工质的双循环太阳能集热。

⑫按集热体表面光学特性分类

①黑面

一般是在集热体表面涂刷或喷涂一层黑色涂料，简称黑面，目前较少采用。

②光谱选择性吸收面

这是经过化学、电镀等工艺制成的选择性吸收面，应用广泛。

⑬按透明盖板层数分类

①单层透明盖板

②两层或多层透明盖板

太阳能平板集热器的透明盖板，通常多采用单层，特殊情况用两层，极少情况用三层或不用。

2.典型平板集热器的基本组成

平板集热器的典型结构由集热体、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。

⑪集热体

它是太阳辐射能、转换为热能并传向集热工质的关键部件，是太阳能平板集热器的关键部件，其特性参数决定了平板集热器的工作性能，一般应具备以下特性：

①表面光谱选择性能好，集热板面的太阳辐射吸收率高，热反射率低；

②具有优良的传热结构设计；

③密封性能好，能承受一定的工作压力；

④与集热工质具有良好的相容性；

⑤对环境具有良好的耐天候性；

⑥制作工艺简单。

一般集热体多采用金属制作。集热体表面喷涂黑色涂料或制作光谱选择性吸收涂层。

⑫透明盖板

在集热体的上方，覆盖一层或多层透明盖板，一方面降低集热体对环境的散热损失，起到隔热作用；另一方面保护集热板面，免受风霜雨雪和尘埃等的直接侵袭。它具备以下特性：

①光学性能好，阳光透光率高，而吸收率和反射率低；

②隔热性好；

③机械性能好，能承受一定的风压、冰雹等外力和热应力的作用

④耐老化性能好，长年暴露在大气环境和阳光下，上述各种特性均无明显恶化。

⑬隔热层

隔热层是集热体底部和四侧填充的一定厚度的绝热材料，以降低集热体的热损失。它具备以下特性：

①导热系数低；

②不吸湿，不吸水；

③具有一定的机械结构强度。

⑭壳体

壳体将集热体、透明盖板和隔热层装配成一体，构成一个完整的太阳能集热器。整个壳体要有一定的整体刚度和机械强度，以便保护集热体和隔热层不受外部环境的各种损伤和影响，且便于装配。

阳光透过透明盖板照射到集热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质，小部分反射向透明盖板。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中的热能所加热，温度逐渐升高，加热后的集热工质，带着有用的热能从集热器的出口端流出。如此循环，将投射的太阳辐射能蓄入储水箱中备用，成为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的热损失。这样的换热循环过程，一直维持到集热温度达到某个平衡点时为止。

太阳能平板集热器在70年代就已经发明和应用，自从80年代发明真空管集热器，在整个业界太阳能平板集热器就慢慢退出市场（在广东，云南，海南等省至今还有在推广和使用）。因

为太阳能平板集热器自身的设计特点决定了它的散热损失较大，故温度大多运行在60℃以下。真空管集热器是在平板集热器基础上发展起来的新型集热装置。目前，市场上已开发很多形式的真空集热管，最常用的有全玻璃真空集热管、热管式真空集热管、U形管真空集热管等。

全玻璃真空管由玻璃外管、玻璃内管、选择性吸收涂层、弹簧支架（固定卡）、吸气剂等部件组成，其形状如一只细长的暖水瓶胆。

图3—全玻璃真空管结构示意图

1.玻璃外管

2.玻璃内管

3.选择性吸收涂层

4.真空

5.弹簧支架（固定卡）

6.吸气剂

7.保护帽

全玻璃真空管的一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封；另一端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽。内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层。弹簧支架上装有吸气剂，它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体，起保持管内真空度的作用。

真空管太阳能的特点：

1.真空管太阳能工作原理是采用内管的吸热涂层对太阳光吸收，加热内管里的水，在与水箱或連箱进行交换，提高水温。作它在吸热的同时也会进行散热，而热量的传递只有三种方式：辐射，传导，对流。真空管太阳能的三种散热传热方式均很小，内管的水银涂层防止热量辐射；内外管中间的真空层防止热量传导；至于热量的对流散发对真空管太阳能而言，几乎为零。

2..真空管太阳能的使用寿命长：内外涂层在真空的环境里不受氧化，在不受外力的情况下寿命超20年以上。