第2 章 太阳能集热器

第2章太阳能集热器

太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置，是太阳能热利用系统的核心设备。太阳能集热器可以按多种方法进行分类。按照传热工质的类型，可以分为液体集热器和空气集热器；按照进入采光口的太阳辐射是否改变方向，可以分为聚光型集热器和非

聚光型集热器；按照集热器内是否有真空空间，可以分为平板型集热器和真空管集热器；按照集热器的工作温度范围，可以分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。本章主要介绍平板型集热器、真空管集热器和聚光型集热器。

第1节平板型集热器

平板型集热器一般在100℃以内的低温范围内应用，它不仅结构简单，操作方便，价格也比较低廉。多用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。

一、集热器的结构

一般来说，平板型集热器由下列5个部件组成，如下图所示。

(1)吸热体吸收太阳能并转换成热能传递给工质。

(2)盖层允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐射以减少吸热体的热损。

(3)保温层减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的热损。

(4)工质及流动通道使工质能与吸热体发生热接触。集热器的工质为流体(液体或气体)。

(5)支架及框架将集热器的各个部分连接成一个整体并支撑其重力。

下图是典型的平板型集热器的示意图。液体集热器用水或者水-防冻剂混合物作为工质，有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质。气体集热器以空气为工质。

大多数液体集热器都采用管-平板结合式吸热体，管子可以在板的前面、后面或与板焊接成一个整体，有时也采用波纹金属板作为吸热体◇气体集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸热体背后的通道，使空气与吸热体发生热接触；为了增大传热系数，还采用搅拌器、肋片和波纹状吸热体以及多孔吸热体等。下图所示为以液体为工质的吸热体的几种形式。

盖层既可以使用玻璃，也可以采用透明塑料，层数则由集热器的用途及其使用地点而定。在低纬度处，通常只需一层，但在中高纬度处，则有时需要两层甚至三层，以防止过多的热损失。所有盖层都必须对太阳辐射具有高透射率，而对于热辐射则具有低透射率。

在集热器的背面和四周，必须放置足够的保温材料以减少热损，至于具体的数量则由成本、用途、地点以及设计而定。

二、光学特性

吸热体是低温集热器的最重要的部件，要求其对太阳辐射具有较高的吸收率，良好的导热性，同时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。

黑体可以吸收所有波长的辐射，吸收率最大，α=1。根据基尔霍夫定律，黑体也具有最大的发射率ελ。吸热体对辐射的吸收和发射依赖于波长。利用这一点，可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。选择性涂层在可见光区域具有很高的吸收率，但在红外区域具有很小的发射率。有很多选择性涂层在可见光区域的吸收率与红外区域的发射率之比，即ε/α都很高，如黑

镍、黑锌、黑铬等。利用选择性涂层，平板型集热器具有较好的性能，但是也有两个缺点：

(1)选择性涂层对高温和气候条件比较敏感；

(2)成本较高。

对于不透明的吸收表面，有α+ρ=1，其中ρ为反射率。所以有：α=1—ρ。下图所示显示了一个选择性吸收器的反射率的变化。在短波区域，反射率ρ很小，即α很大；而在长波区域，ρ很大，即α很小，或者ε很小。

吸热体上面的盖板应该具有很高的短波辐射透射率(τ)和较低的长波辐射透射率。根据公式α+ρ+τ=1，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率。事实上，盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长波区域都要比较小。如下表所示，玻璃在可见光区域透射率约为97%，在红外区的吸收率约为94%。

根据基尔霍夫定律，红外区的高吸收率导致高发射率，使得辐射热损失增加。通过喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟(In2O3)，氧化锌(ZnO2))，可以大大减少红外辐射热损失。下图显示了这种选择性盖板的光学特性。与吸热体的选择性涂层类似，这些涂层暴露在高温环境和不同的气候条件下，性能会下降，同时，成本也比较高。

低温集热器可以有不同的设计，但主要的标准就是能够向工质有效传热。

三、平板型集热器的能量分析

1、平板型集热器的能量平衡

根据图下，可以得到平板型集热器吸热体的能量平衡方程如下：

其中，Q A为吸热体接收的太阳辐射；Q u为工质获得的有效热；Q L为吸热体的热损失。

热损失可以表示为

其中，Q k为吸热体的传导热损失，W；Q c为吸热体的对流热损失，W；Q r为吸热体向外的长波辐射热损失，W。

在实际工程中，热损失常用下式表示：

其中，Q b为集热器背面热损失，W；Q s为集热器侧面热损失，W；Q f为集热器正面热损失，W。

2、能量损失分析

平板型集热器的热损失Q L可以表示为

为环境温度，K；A c为集热器面积，m2；U L为总热损系数，其中，T为吸热体温度，K；T

∞

W/(m2²K)，为正面热损、背面热损、侧面热损之和，即

(1)背面热损

背面热损主要包括传导热损和对流热损。典型的平板型集热器在吸热体的背面装有保温层，如下图所示，其热导率为k，厚度为t。利用热阻的概念，可以得背面的热阻R b为

其中，Ri和Rc分别表示保温层热阻和对流热阻；hb为对流传热系数。所以，集热器通过背面的热损速率为

式中，Ab表示背面的面积，Tb，∞为背面的气温。上式与前式比较，可得

其中

大多数集热器都采用很厚的保温层，且所用材料的热导率都很低。因此，t/k常远大于1/hb，故背面热损系数简化为

对常用的平板型集热器，Ab=Ac，且Tb，∞=T∞，此时背面热损系数即简化为k/t。

(2)侧面热损

侧面热损主要由热传导和对流造成。平板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成，如下图所示。

由于框架的内部面对几种不同的温度，故侧面传热应是二维的。为了获得关于侧面传热系数的比较保守的估计，可以假定框架内部的温度处于最高可能的温度(即吸热体温度T)，这样传热就变为一维的。

可以得到侧面热阻Rs为

其中，tm和km分别为框架的厚度和热导率；hs为侧面的对流传热系数。从而集热器通过侧面的热损速率为

式中，As为垂直于传热方向的侧面总面积，一般即等于侧面的高度与周长的乘积。与式