太阳能集热器的热转换原理(教学)

太阳能集热器的热转换原理(教学）

太阳能集热器的热转换原理目录

背景资料 (1)

（一）知识背景 (1)

一、太阳能的光—热转换 (1)

二、太阳能集热器 (1)

三、集热器的利用——热水器介绍 (2)

四、光波波长与集热器升温原理 (3)

五、有关物理知识 (3)

（二）方法背景 (4)

1、设计理念 (4)

2、对象及用途 (4)

3、教材分析 (4)

活动方案 (5)

（一）示范性方案：太阳能集热箱升温比较实验 (5)

（二）指导性方案：太阳能集热器升温比赛 (8)

（三）拓展性方案：东方绿舟南洋中学新能源科技考察站活动 (11)

直接利用太阳能集热的活动——学习

单 (13)

课题申请表 (13)

课题实施记录 (14)

交流汇报提纲 (15)

课题研究结题报告 (16)

课题评价 (17)

参考资料 (18)

主编：陆赵华

地址：上海市南洋中学科研室

直接利用太阳能集热的活动

陆赵华

直接利用太阳能集热的活动

陆赵华

背景资料

（一）知识背景

在20世纪中，人类使用的能源主要有原油、天然气和煤炭三种，而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年了。所以，开发新能源，已经成为人类发展中的紧迫课题，那么，人类将向何处寻找新能源呢？先进国家的能源专家认为，太阳能、风能、地热能、波浪能和氢能这五种新能源，在今后将肯定会优先获得开发利用。我校设立了以新能源系列为特色的科技景点，就是为了介绍和普及新能源的知识和应用，期望作为明天主人的青少年学生能够从直观上对新能源有所了解或由此产生兴趣和引起关心，也希望得到全社会的关心和扶植，使更多的有识之士立志献身于这一事业。一、太阳能的光—热转换

太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式（右图说明太阳的功率及太阳能传递到地球后各种形式能量之间的转化过程），它们分别是太阳能的光—热转换、太阳能的光—电转换、太阳能的光—化学转换和太阳能的光—生物质转换，其中太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最为低

廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能，如地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。

二、太阳能集热器

我们学校科技景点中设置的太阳能热水器、太阳能饮水流动车和太阳能沐浴器，其实都是太阳能集热器，它是在太阳能加热系统中接受太阳辐射并向其传热介质传递内能的装置。太阳能集热器的种类很多，分类方法也不同。

1、按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两大类，其中以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。

2、按采光方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器

两大类。非聚光式集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转变为内能的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光式平板型集热器。它的吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相等，其结构如图（a）是利用温室效应的非聚光型集热器。在温室充入CO2可提高温室效应。聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。世界上最大的一面太阳能聚光集热器是法国比利牛斯山坡上的太阳能高温炉。它的抛物面聚光反射镜有9层楼高，面积有1830米2，它是由9500块小镜片拼接而成的。反射镜把安装在对面山坡上的63块巨型平面镜反射过来的阳光聚焦，焦点处安装高温熔炉，温度可达4000度以上。

3、按吸热体周围的状态分类：可分为普通集热器和真空管集热器。真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温环境下均有较高的集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空太阳能集热管具有透过率和吸收率高、

热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性，同时制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低，全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。如图所示为全玻璃真空管太阳能集热器结构。

三、集热器的利用——热水器介绍太阳能热水器的种类很多，简单的是一种“闷晒式”的太阳能热水器。它是一些筒形或扁盒形的容器，表面涂黑，放在有透明盖板的保温盒子里。“闷晒式”的太阳能热水器贮水的容器兼作太阳能集热器，构造简单，价格较低。在阳光好、气温高时，效果很好。原理和结构如上图所示。图中A是集热器，B是储水容器，C是辅助加热器。我国生产和使用的太阳能热水器有管板式、瓦楞式、扁盒式、玻璃真空管式，还有水泥浅池式和塑料枕头式的。虽然它们的形状和构造各不相同，但是工作原理几乎一样，即利用深颜色材料吸收太阳辐射能，然后把水加热。

四、光波波长与集热器升温原理：1、太阳光波太阳辐射的波长在0.15--4微米之间（如下图所示），包括了8.7%的紫外线，43%的可见光和48.3%的红外线。6*10-3 0.40 0.45 0.49 0.58 0.60 0.62 0.77 400 波长（10-6 m）紫外紫蓝青绿黄橙红红外频率（1014Hz） 5 *102 7.5 6.7 6.1 5.2 5.0 4.8

3.9 10-2不可见光可见