1、第第2章章 太阳能集热器太阳能集热器l 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递到传热工质的装置，是太阳能热利用系统的核心设备心设备。l 太阳能集热器太阳能集热器可以按多种方法进行分类可以按多种方法进行分类。l 按照按照传热工质传热工质的类型，可以分为的类型，可以分为液体集热器液体集热器和和空空气集热器气集热器；l 按照按照进入采光口的太阳辐射进入采光口的太阳辐射是否改变方向，可以是否改变方向，可以分为分为聚光型集热器聚光型集热器和和非聚光型集热器非聚光型集热器；l 按照按照集热器内是否有集热器内是否有真空
2、空间真空空间，可以分为，可以分为平板型平板型集热器集热器和和真空管集热器真空管集热器；l 按照按照集热器的集热器的工作温度工作温度范围，可以分为范围，可以分为低温集热低温集热器器、中温集热器中温集热器和和高温集热器高温集热器。第第1节节 平板型集热器平板型集热器l 平板型集热器一般在平板型集热器一般在100以内的低温范围内应用，以内的低温范围内应用，它不仅结构简单，操作方便，价格也比较低廉它不仅结构简单，操作方便，价格也比较低廉。l 多多用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。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、集热器的结构l 一般来说，平板型集热器由下列一般来说，
3、平板型集热器由下列5个部件个部件组成。组成。l(1)吸热体吸热体 吸收太阳能并转换成热能传递给工质。吸收太阳能并转换成热能传递给工质。l(2)盖层盖层 允许太阳辐射透过但阻碍吸热体的长波辐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。射以减少吸热体的热损。l(3)保温层保温层 减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的热损。热损。l(4)工质及流动通道工质及流动通道 使工质能与吸热体发生热接触。使工质能与吸热体发生热接触。集热器的工质为流体集热器的工质为流体(液体或气体液体或气体)。l(5)支架及框架支架及框架 将集热器的各个部分连接成一个整将集热器的各个
4、部分连接成一个整体并支撑其重力体并支撑其重力。l 液体集热器用水或者水液体集热器用水或者水-防冻剂混合物作为工质，防冻剂混合物作为工质，有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质有时也用轻油、硅油、乙烯等作为工质。l 气体气体集热器以空气为工质。集热器以空气为工质。l 大多数液体集热器都采用管大多数液体集热器都采用管-平板结合式吸热体，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，有时也采用波纹金属板作为吸热体体。l 气体气体集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸热体背后的
5、通道，使空气与吸热体发生热接触；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状吸热体以及多孔吸热体等。l 盖层既可以使用玻璃，也可以采用透明塑料，层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数则由集热器的用途及其使用地点而定。l 在在低纬度处，通常只需一层，但在中高纬度处，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则有时需要两层甚至三层，以防止过多的热损失。l 所有所有盖层都必须对太阳辐射具有高透射率，而对盖层都必须
6、对太阳辐射具有高透射率，而对于热辐射则具有低透射率。于热辐射则具有低透射率。l 在集热器的背面和四周，必须放置足够的保温材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、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。地点以及设计而定。二、光学特性二、光学特性l 吸热体是低温集热器的最重要的部件，要求其对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。时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。l 黑体可以吸收所有波长的辐
7、射，吸收率最大，黑体可以吸收所有波长的辐射，吸收率最大，=1。l 根据根据基尔霍夫定律，黑体也具有最大的发射率基尔霍夫定律，黑体也具有最大的发射率。l 吸热吸热体对辐射的吸收和发射依赖于波长体对辐射的吸收和发射依赖于波长。l 利用利用这一点，可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。这一点，可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。l 选择性涂层在可见光区域具有很高的吸收率，但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在红外区域具有很小的发射率。l 有有很多选择性涂层在可见光区域的吸收率与红外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，即区域的发射率之比，即/都很高，如黑镍
8、、黑锌、都很高，如黑镍、黑锌、黑铬等黑铬等。l 利用利用选择性涂层，平板型集热器具有较好的性能，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：但是也有两个缺点：l(1)选择性涂层对高温和气候条件比较敏感；选择性涂层对高温和气候条件比较敏感；l(2)成本较高。成本较高。l 对于不透明的吸收表面，有对于不透明的吸收表面，有+=1，其中，其中为反射为反射率。所以有：率。所以有：=1。l 在在短波区域，反射率短波区域，反射率很小，即很小，即很大；而在长波很大；而在长波区域，区域，很大，即很大，即很小，或者很小，或者很小。很小。l 吸热体上面的盖板应该具有很高的短波辐射透射吸热体上面的盖板应
9、该具有很高的短波辐射透射率率()和较低的长波辐射透射率和较低的长波辐射透射率。l 根据根据公式公式+=1，可知高透射率就要求具有低的，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率吸收率和反射率。l 盖板盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长波区域都要比较小波区域都要比较小。l 玻璃玻璃在可见光区域透射率约为在可见光区域透射率约为97%，在红外区的，在红外区的吸收率约为吸收率约为94%。l 根据基尔霍夫定律，红外区的高吸收率导致高发根据基尔霍夫定律，红外区的高吸收率导致高发射率，使得辐射热损失增加射率，使得辐射热损失增加。l 通过通过喷涂在红外区域透明的涂层
10、喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟如氧化铟(In2O3)，氧化锌氧化锌(ZnO2)，可以大大减少红外辐射热损失，可以大大减少红外辐射热损失。l 与与吸热体的选择性涂层类似，这些涂层暴露在高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，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。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。能够向工质有效传热。三、平板型集热器的能量分析三、平板型集热器的能量分析l 1、平板型集热器的能量平衡、平板型集热器的能量平衡l 平平板型集热器吸热
11、体的能量平衡方程如下：板型集热器吸热体的能量平衡方程如下：其中，其中，QA为吸热体接收的太阳辐射；为吸热体接收的太阳辐射；Qu为工质获得为工质获得的有效热；的有效热；QL为吸热体的热损失。为吸热体的热损失。l 热损失可以表示热损失可以表示为为l 其中，其中，Qk为吸热体的传导热损失，为吸热体的传导热损失，W；Qc为吸热为吸热体的对流热损失，体的对流热损失，W；Qr为吸热体向外的长波辐为吸热体向外的长波辐射热损失，射热损失，W。l 在实际工程中，热损失常用下式表示：在实际工程中，热损失常用下式表示：l 其中，其中，Qb为集热器背面热损失，为集热器背面热损失，W；Qs为集热器为集热器侧面热损失，侧
12、面热损失，W；Qf为集热器正面热损失，为集热器正面热损失，W。l 2、能量损失分析、能量损失分析l 平板型集热器的热损失平板型集热器的热损失QL可以表示可以表示为为l 其中其中：l T为吸热体温度，为吸热体温度，K；l T 为环境温度，为环境温度，K；l Ac为集热器面积，为集热器面积，m2；l UL为总热损系数，为总热损系数，W/(m2K)，为正面热损、背面，为正面热损、背面热损、侧面热损之和，即热损、侧面热损之和，即l(1)背面热损背面热损l 背面热损主要包括传导热损和对流热损背面热损主要包括传导热损和对流热损。l 典型典型的平板型集热器在吸热体的背面装有保温层的平板型集热器在吸热体的背面
13、装有保温层，其其热导率为热导率为k，厚度为，厚度为t。l 利用热阻的概念，可以得背面的热阻利用热阻的概念，可以得背面的热阻Rb为为l 其中，其中，Ri和和Rc分别表示保温层热阻和对流热阻；分别表示保温层热阻和对流热阻；hb为对流传热系数为对流传热系数。l 集集热器通过背面的热损速率为热器通过背面的热损速率为l 式中，式中，Ab表示背面的面积，表示背面的面积，Tb,为背面的气温。为背面的气温。l 上式与前式比较，可上式与前式比较，可得得l 其中其中l 大多数集热器都采用很厚的保温层，且所用材料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，的热导率都很低。因此，t/k常远大于常远
14、大于1/hb，故背，故背面热损系数简化为面热损系数简化为l 对常用的平板型集热器，对常用的平板型集热器，Ab=Ac，且，且Tb,=T，此时，此时背面热损系数即简化为背面热损系数即简化为k/t。l(2)侧面热损侧面热损l 侧面热损主要由热传导和对流造成侧面热损主要由热传导和对流造成。l 平平板型集热器的侧面通常由框架与保温层板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成。构成。l 由于框架的内部面对几种不同的温度，故侧面传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较保守的估计，可
15、以假定框架内部的温度处于最高可能的温度高可能的温度(即吸热体温度即吸热体温度T)，这样传热就变为，这样传热就变为一维的。一维的。l 侧面侧面热阻热阻Rs为为l 其中，其中，tm和和km分别为框架的厚度和热导率；分别为框架的厚度和热导率；hs为为侧面的对流传热系数。侧面的对流传热系数。l 集热器通过侧面的热损速率集热器通过侧面的热损速率为为l 式中，式中，As为垂直于传热方向的侧面总面积，一般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即等于侧面的高度与周长的乘积。l 与与式式l 比较，可得比较，可得l 其中其中l 由于通常框架是由薄金属制成的，即由于通常框架是由薄金属制成的，
16、即tm很小，且很小，且t/k远大于远大于1/hs，如果，如果Ts,=T，则侧面热损系数可，则侧面热损系数可以简化为以简化为l(3)正面热损正面热损l 集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种方式同时发生方式同时发生。l 传导传导通过盖层发生，而对流和热辐射则在吸热体通过盖层发生，而对流和热辐射则在吸热体和盖层的空隙之间以及最外层盖板与周围空气之和盖层的空隙之间以及最外层盖板与周围空气之间间发生。发生。l 设所考虑的集热器具有两层盖板，则在等效热回设所考虑的集热器具有两层盖板，则在等效热回路中的各种热阻如下：路中的各种热阻如下：l Rc,1：风力造成的
17、对流热阻；：风力造成的对流热阻；l Rr,1：外层盖板与天空之间的辐射热阻；：外层盖板与天空之间的辐射热阻；l R12：外层盖板的传导热阻；：外层盖板的传导热阻；l Rc,23：在两层盖板之间空气缝隙内的热阻；：在两层盖板之间空气缝隙内的热阻；l Rr,23：两层盖板之间的辐射热阻；：两层盖板之间的辐射热阻；l R34：内层盖板的传导热阻；：内层盖板的传导热阻；l Rc,45：内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻；：内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻；l Rr,45：内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。：内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。l 正面热损系数正面热损系数Uf即为即为Req的倒数，且通过
18、集热器正的倒数，且通过集热器正面的热损速率为面的热损速率为l 整个正面热回路的净有效热阻整个正面热回路的净有效热阻Req为为l 给定环境温度和吸热体温度后，可以通过热阻回给定环境温度和吸热体温度后，可以通过热阻回路的分析求得盖层表面的温度路的分析求得盖层表面的温度。l 例如例如，内盖层外表面的温度即为，内盖层外表面的温度即为l 综上所述，求解综上所述，求解Uf的步骤为：的步骤为：l(1)预估预估T1，T2，T3和和T4的值；的值；l(2)根据估计值求出所有热阻；根据估计值求出所有热阻；l(3)利用热阻求得正面热损系数利用热阻求得正面热损系数Uf；l(4)利用利用Uf计算计算Qf；l(5)根据热
19、回路图重新计算根据热回路图重新计算T1，T2，T3和和T4的值；的值；l(6)利用这些新的温度值，进行迭代计算，直到误利用这些新的温度值，进行迭代计算，直到误差在给定范围内差在给定范围内。四、集热器的效率四、集热器的效率l 集热器获得的太阳辐射集热器获得的太阳辐射为为l 其中，其中，Ig为太阳辐射强度，为太阳辐射强度，W/m2；为总透射率；为总透射率；为吸热体的吸收率；为吸热体的吸收率；Ac为集热器面积，为集热器面积，m2。l 因此因此l 其中，其中，UL为吸热体的总热损系数，为吸热体的总热损系数，W/(m2K)；T为为吸热体温度，吸热体温度，K；T为环境温度，为环境温度，K。l 由上面两式可
20、以得到由上面两式可以得到热损失可以表示为热损失可以表示为l 单位集热器吸热体面积得到的有效能量单位集热器吸热体面积得到的有效能量就是就是集热器的热效率定义为集热器的热效率定义为l 其中，其中，0=，为吸收率与透射率的乘积，通常称，为吸收率与透射率的乘积，通常称为光学效率或转换系数。为光学效率或转换系数。l 1、光学效率计算、光学效率计算l 计算光学效率，首先要确定盖板的总透射率。计算光学效率，首先要确定盖板的总透射率。l(1)确定确定反射系数反射系数l 通常，反射率通常，反射率和透射率和透射率可以用下式表示可以用下式表示：其中，下标其中，下标b和和s分别表示直射辐射和散射辐射，分别表示直射辐射
21、和散射辐射，下标下标R和和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。分别代表入射辐射的反射和透射部分。l 盖板内的辐射实际上是经过了盖板内的辐射实际上是经过了多次反射。多次反射。l 利用菲涅尔利用菲涅尔(Fresnel)公式，反射率可以表示公式，反射率可以表示为为l 其中，其中，1和和2分别为入射角和折射角。分别为入射角和折射角。l 根据光的折射定律，有根据光的折射定律，有l 其中，其中，n1，n2分别为空气和玻璃的绝对折射率；分别为空气和玻璃的绝对折射率；n21为玻璃相对于空气的相对折射率。为玻璃相对于空气的相对折射率。l 将上式带入前式，可将上式带入前式，可得得l(2)只考虑反射现象的透射率计算
22、只考虑反射现象的透射率计算l 只考虑入射光在玻璃盖板上下界面上的多次反射只考虑入射光在玻璃盖板上下界面上的多次反射和透射，不考虑玻璃吸收的情况，则总辐射中穿和透射，不考虑玻璃吸收的情况，则总辐射中穿过玻璃盖板的透射率过玻璃盖板的透射率r计算如下。计算如下。l 经过经过1次，次，2次，次，3次，次，n次，次，反射，各次透反射，各次透过玻璃盖板的辐射量可以表示过玻璃盖板的辐射量可以表示为为l 总的透过辐射总的透过辐射是是故故类似地，可以得到类似地，可以得到N层盖板的透射率：层盖板的透射率：l(3)只考虑吸收现象的透射率计算只考虑吸收现象的透射率计算l 玻璃的入射辐射中，有一部分会被玻璃吸收。光玻璃
23、的入射辐射中，有一部分会被玻璃吸收。光线经过的路线越长，被吸收的就越多线经过的路线越长，被吸收的就越多。l 与与一般传输定律类似，有一般传输定律类似，有l 式中，式中，A为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率；为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率；K为吸收系数，为吸收系数，1/m；m为光程，为光程，m。l 如果入射光的入射角为如果入射光的入射角为1，折射角为，折射角为2，封盖为，封盖为N层，每层的厚度为层，每层的厚度为t并且具有相同的吸收率，并且具有相同的吸收率，则则l(4)总透射率总透射率l N层盖板的系统的总透射率是层盖板的系统的总透射率是r，N和和A，N的乘积，的乘积，即即或者或者其中，其中，
24、2=arcsin(n12sin1)。l(5)光学光学效率效率l 总透射率与吸热体吸收率的乘积即为光学效率，总透射率与吸热体吸收率的乘积即为光学效率，如下式所示如下式所示：l 2、其他形式的效率方程、其他形式的效率方程l 由于吸热板温度不容易测定，而集热器工质的进由于吸热板温度不容易测定，而集热器工质的进口温度口温度Ti和出口温度和出口温度Te比较容易测定，所以集热器比较容易测定，所以集热器效率方程也可以用集热器平均温度效率方程也可以用集热器平均温度Tm来表示来表示：式中，式中，F为集热器效率因子，其物理意义是：集为集热器效率因子，其物理意义是：集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质热器实
25、际输出的能量与假定整个吸热板处于工质平均温度时输出的能量之比；平均温度时输出的能量之比；T是环境温度。是环境温度。l 尽管集热器平均温度可以测定，但由于集热器出尽管集热器平均温度可以测定，但由于集热器出口温度随太阳辐照度变化，不容易控制，所以集口温度随太阳辐照度变化，不容易控制，所以集热器效率方程也可以用集热器进口温度热器效率方程也可以用集热器进口温度Ti来表示来表示：l 式中，式中，FR为集热器热转移因子，其物理意义是：为集热器热转移因子，其物理意义是：集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于工质进口温度时输出的能量之比。质进口温度时输出的能量之比。
26、l 集热器热转移因子与集热器效率因子之间的关系集热器热转移因子与集热器效率因子之间的关系为为式中，式中，F为集热器流动因子为集热器流动因子。由于由于F1，所以，所以FRFFFR，所以，所以 FFR。l(3)效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大小小l 斜率值越大，则集热器总热损系数越大；反之，斜率值越大，则集热器总热损系数越大；反之，斜率值越小，则总热损系数越小斜率值越小，则总热损系数越小。l(4)效率曲线在效率曲线在x轴上的交点值表示集热器可以达轴上的交点值表示集热器可以达到的最高温度到的最高温度l 当集热器的散热损失达到最大时，集热器效率为当集热器
27、的散热损失达到最大时，集热器效率为零，此时集热器达到最高温度，也称为滞止温度零，此时集热器达到最高温度，也称为滞止温度或闷晒温度，该温度或闷晒温度，该温度为为第第2节节 真空管集热器真空管集热器l 为了减少传导、对流和辐射等换热损失，有人提为了减少传导、对流和辐射等换热损失，有人提出了将平板型集热器吸热体与透明盖层之间的空出了将平板型集热器吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的真空管集热器间抽成真空的真空管集热器。l 由于由于密封工艺和受力强度两方面的原因，平板型密封工艺和受力强度两方面的原因，平板型真空管集热器难以制造真空管集热器难以制造。l 将将集热器的基本单元集热器的基本单元集热管抽成真空
28、则是可集热管抽成真空则是可以实现的以实现的。l 一一台真空管集热器通常由若干只真空集热管组成，台真空管集热器通常由若干只真空集热管组成，真空集热管的外壳是玻璃圆管，其内部的吸热体真空集热管的外壳是玻璃圆管，其内部的吸热体可以是圆管状、平板状或其他形状可以是圆管状、平板状或其他形状。l 由于每台真空管集热器是由若干只真空集热管组由于每台真空管集热器是由若干只真空集热管组成的，因而真空管集热器的分类，实际上主要是成的，因而真空管集热器的分类，实际上主要是真空集热管的分类真空集热管的分类。l 按按吸热体的材料种类，真空管集热器可分为两大吸热体的材料种类，真空管集热器可分为两大类。类。l(1)全玻璃真
29、空管集热器全玻璃真空管集热器，是吸热体由内玻璃管组，是吸热体由内玻璃管组成的真空管集热器。成的真空管集热器。l(2)金属吸热体真空管集热器金属吸热体真空管集热器，是吸热体由金属材，是吸热体由金属材料组成的真空管集热器，有时也称为金属料组成的真空管集热器，有时也称为金属-玻璃真玻璃真空管集热器，其中最具有代表性的是热管式真空空管集热器，其中最具有代表性的是热管式真空管集热器管集热器。l 目前，真空管集热器应用于太阳能热水、采暖、目前，真空管集热器应用于太阳能热水、采暖、制冷空调、物料干燥、海水淡化、工业加热、热制冷空调、物料干燥、海水淡化、工业加热、热发电等诸多领域发电等诸多领域。一、全玻璃真空
30、管集热器一、全玻璃真空管集热器l 1、基本结构、基本结构l 全玻璃真空集热管由内玻璃管、外玻璃管、选择全玻璃真空集热管由内玻璃管、外玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成，其，其形状犹如一只细长的暖水瓶胆形状犹如一只细长的暖水瓶胆。l 全玻璃真空集热管采用一端开口，并将内玻璃管全玻璃真空集热管采用一端开口，并将内玻璃管和外玻璃管的一端管口进行环状熔封，另一端密和外玻璃管的一端管口进行环状熔封，另一端密闭成半球形圆头；内玻璃管用弹簧支架支撑，而闭成半球形圆头；内玻璃管用弹簧支架支撑，而且可以自由伸缩；内玻璃管和外玻璃管之间的夹且可以自由伸缩；内玻
31、璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空层抽成高真空。l 内内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层，弹簧支玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层，弹簧支架上装有消气剂，用于吸收真空集热管运行时产架上装有消气剂，用于吸收真空集热管运行时产生的气体，保持管内真空度。生的气体，保持管内真空度。l 2、改进形式、改进形式l 由于真空集热管内装水，在运行过程中若有一只由于真空集热管内装水，在运行过程中若有一只管破裂，整个系统都要停止工作管破裂，整个系统都要停止工作。l 可以可以采用两种方法进行改进采用两种方法进行改进：l 一一种是将带有金属片的热管插入真空集热管中，种是将带有金属片的热管插入真空集热管中，使金属片紧靠在
32、内玻璃管的内表面使金属片紧靠在内玻璃管的内表面；l 另另一种是将带有金属片的一种是将带有金属片的U形管插入真空集热管形管插入真空集热管中，也使金属片紧靠在内玻璃管的内表面中，也使金属片紧靠在内玻璃管的内表面。l 这这两种改进形式的全玻璃真空集热管，由于管内两种改进形式的全玻璃真空集热管，由于管内没有水，不会因一只破损而影响系统的运行，因没有水，不会因一只破损而影响系统的运行，因而提高了产品的可靠性。而提高了产品的可靠性。二、热管式真空管集热器二、热管式真空管集热器l 热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种，它由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、
33、种，它由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分构成分构成，其中，其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。l 热管是利用汽化潜热高效传递热能的强化传热元热管是利用汽化潜热高效传递热能的强化传热元件件。l 蒸散蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的真型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的真空侧表面，像镜面一样，其主要作用是提高真空空侧表面，像镜面一样，其主要作用是提高真空集热管的初始真空度；非蒸散型消气剂是一种常集热管的初始真空度；非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，其主要作用是吸
34、收管内各温激活的长效消气剂，其主要作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。长期真空度。l 在热管式真空集热管工作时，太阳辐射穿过玻璃在热管式真空集热管工作时，太阳辐射穿过玻璃管后投射在金属吸热板上管后投射在金属吸热板上。l 吸热吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，再传板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，再传导给紧密结合在吸热板中间的热管，使热管蒸发导给紧密结合在吸热板中间的热管，使热管蒸发段内的工质迅速汽化段内的工质迅速汽化。l 工质工质蒸汽上升到热管冷凝段后，在较冷的内表面蒸汽上升到热管冷凝段后，在较冷的内表面上凝结，释
35、放出蒸发潜热，将热量传递给集热器上凝结，释放出蒸发潜热，将热量传递给集热器的传热工质的传热工质。l 凝结凝结后的热管液态工质依靠其自身的重力流回到后的热管液态工质依靠其自身的重力流回到蒸发段，然后重复上述过程。蒸发段，然后重复上述过程。l 若干只真空集热管连接起来，构成真空管集热若干只真空集热管连接起来，构成真空管集热器。器。l 当热管式真空管工作时，每只真空管将热量从热当热管式真空管工作时，每只真空管将热量从热管冷凝端释放出去，然后再通过导热块将热量传管冷凝端释放出去，然后再通过导热块将热量传导给连接管内的传热工质导给连接管内的传热工质。l 其其结果是，若干只真空集热管连续不断地加热传结果是
36、，若干只真空集热管连续不断地加热传热工质，使其温度不断上升，直到达到使用的目热工质，使其温度不断上升，直到达到使用的目的的。三、其他形式金属吸热体真空管集三、其他形式金属吸热体真空管集热器热器l 金属吸热体真空管集热器的吸热体都采用金属材金属吸热体真空管集热器的吸热体都采用金属材料，而且真空集热管之间也都采用金属件连接。料，而且真空集热管之间也都采用金属件连接。l 主要应用的形式有：同心套管式、主要应用的形式有：同心套管式、U形管式、储形管式、储热式、内聚光式和直通式等热式、内聚光式和直通式等。l 1、同心套管式真空管集热器、同心套管式真空管集热器l 同心套管式真空集热管，又称为直流式真空集热
37、同心套管式真空集热管，又称为直流式真空集热管，主要由同心套管、吸热板、玻璃管等几部分管，主要由同心套管、吸热板、玻璃管等几部分组成组成。l 所谓同心套管就是两根内外相套的金属管，它们所谓同心套管就是两根内外相套的金属管，它们位于吸热板的轴线上，与吸热板紧密连接位于吸热板的轴线上，与吸热板紧密连接。l 工作工作时，太阳光穿过玻璃管，投射在吸热板上时，太阳光穿过玻璃管，投射在吸热板上；l 吸热吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能板吸收太阳辐射能并将其转换为热能；l 传热传热介质从内管进入，通过外管时被吸热板加热，介质从内管进入，通过外管时被吸热板加热，然后热水流出外管。然后热水流出外管。l 2、U
38、形管式真空管集热器形管式真空管集热器l U形管式真空集热器主要由形管式真空集热器主要由U形管、吸热板、玻璃形管、吸热板、玻璃管等几部分管等几部分组成。组成。l 其其冷、热水从冷、热水从U形管的一端流入，从另一端流出。形管的一端流入，从另一端流出。l 3、储热式真空管集热器、储热式真空管集热器l 储热式真空集热管主要由吸热管、内插管、玻璃储热式真空集热管主要由吸热管、内插管、玻璃管等几部分管等几部分组成。组成。l 吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层。l 白天白天，太阳辐射能被吸热管转换成热能后，直接，太阳辐射能被吸热管转换成热能后，直接用于加热吸热管内的
39、水用于加热吸热管内的水；l 使用使用时，冷水通过内插管渐渐注入，同时将热水时，冷水通过内插管渐渐注入，同时将热水从吸热管顶出从吸热管顶出；l 夜间夜间，由于真空夹层隔热，吸热管内的热水降温，由于真空夹层隔热，吸热管内的热水降温很慢。很慢。l 4、内聚光式真空管集热器、内聚光式真空管集热器l 内聚光式真空集热管主要由吸热体、复合抛物聚内聚光式真空集热管主要由吸热体、复合抛物聚光镜、玻璃管等部分光镜、玻璃管等部分组成。组成。l 吸热体通常是热管，也可以是同心套管或吸热体通常是热管，也可以是同心套管或U形管，形管，其表面有中温选择性吸收涂层其表面有中温选择性吸收涂层。l 平行的平行的太阳光无论从什么
40、方向穿过玻璃管，都会太阳光无论从什么方向穿过玻璃管，都会被复合抛物聚光镜反射到位于其焦线处的吸热体被复合抛物聚光镜反射到位于其焦线处的吸热体上，然后仍按热管式真空集热管或直流式真空集上，然后仍按热管式真空集热管或直流式真空集热管的原理运行热管的原理运行。l 5、直通式真空管集热器、直通式真空管集热器l 直通式真空集热管主要由吸热管和玻璃管这两部直通式真空集热管主要由吸热管和玻璃管这两部分分组成。组成。l 吸热吸热管表面有高温选择性吸收涂层。传热介质从管表面有高温选择性吸收涂层。传热介质从吸热管的一端流入，经太阳辐射加热后，从吸热吸热管的一端流入，经太阳辐射加热后，从吸热管的另一端流出管的另一端
41、流出。l 直通直通式真空集热管通常与抛物柱面聚光镜配套使式真空集热管通常与抛物柱面聚光镜配套使用，组成聚光型太阳能集热器。用，组成聚光型太阳能集热器。l 金属吸热体真空管集热器有以下共同优点。金属吸热体真空管集热器有以下共同优点。l(1)运行温度高运行温度高。l 所有所有集热器的运行温度都可达到集热器的运行温度都可达到70120，有的，有的集热器甚至可达集热器甚至可达300400，使之成为太阳能中高，使之成为太阳能中高温利用必不可少的集热部件。温利用必不可少的集热部件。l(2)承压能力强承压能力强。l 所有所有真空集热管及其系统都能承受自来水或循环真空集热管及其系统都能承受自来水或循环泵的压力
42、，多数集热器还可用于产生泵的压力，多数集热器还可用于产生1MPa以上的以上的热水甚至高压蒸汽。热水甚至高压蒸汽。l(3)耐热冲击性能好耐热冲击性能好。l 所有所有真空集热管及其系统都能承受急剧的冷热变真空集热管及其系统都能承受急剧的冷热变化，即使对空晒的集热器系统突然注入冷水，真化，即使对空晒的集热器系统突然注入冷水，真空集热管也不会因此而炸裂空集热管也不会因此而炸裂。四、各种集热器的性能的比较与选择四、各种集热器的性能的比较与选择第第3节节 聚光型集热器聚光型集热器l 一、聚光型集热器的构造一、聚光型集热器的构造l 聚光型集热器主要包括三部分：聚光器、吸收器聚光型集热器主要包括三部分：聚光器
43、、吸收器和跟踪和跟踪系统。系统。l 抛物线抛物线型的反射镜可以将平行于其对称轴的光线型的反射镜可以将平行于其对称轴的光线聚集到其焦点处聚集到其焦点处。l 聚光聚光型集热器正是利用了这一特点，采用抛物线型集热器正是利用了这一特点，采用抛物线型的聚光器并将吸热体放置在焦点上。型的聚光器并将吸热体放置在焦点上。l 聚光器的主要材料是反射镜面，如把铝或银蒸镀聚光器的主要材料是反射镜面，如把铝或银蒸镀在玻璃上，或者蒸镀在聚四氟乙烯及聚酯树脂等在玻璃上，或者蒸镀在聚四氟乙烯及聚酯树脂等膜片上膜片上。l 对于对于玻璃反射镜，可蒸镀在镜子的正面或反面玻璃反射镜，可蒸镀在镜子的正面或反面。l 镀镀在正面，反射率
44、高，没有光透过玻璃的损失，在正面，反射率高，没有光透过玻璃的损失，但不易保护，寿命较短但不易保护，寿命较短；l 镀镀在反面，尽管由于阳光必须透过玻璃会引起一在反面，尽管由于阳光必须透过玻璃会引起一些损失，但镀层易保护，使用寿命较长，因而目些损失，但镀层易保护，使用寿命较长，因而目前应用较多。前应用较多。l 吸收器的主要构成部件是吸热体，其形状有平面吸收器的主要构成部件是吸热体，其形状有平面状、点状、线状，也有空腔结构状、点状、线状，也有空腔结构。l 在在吸热体表面往往有选择性吸收面，对太阳光的吸热体表面往往有选择性吸收面，对太阳光的吸收率很高，而在吸热体表面温度下的发射率很吸收率很高，而在吸热
45、体表面温度下的发射率很低低。l 还还可以在包围吸热体的玻璃等表面镀上一定厚度可以在包围吸热体的玻璃等表面镀上一定厚度的钼、锡、钛等金属制成的选择性透光膜的钼、锡、钛等金属制成的选择性透光膜。l 这种这种膜使可见光波长区域的光几乎全部透过，而膜使可见光波长区域的光几乎全部透过，而对红外波长区域的光则几乎完全反射对红外波长区域的光则几乎完全反射。l 这样这样，吸热体吸收了太阳辐射并变成热能再以红，吸热体吸收了太阳辐射并变成热能再以红外线辐射时，此膜可将热损耗控制在最低限度。外线辐射时，此膜可将热损耗控制在最低限度。l 集热器工作时，反射器的轴线要始终指向太阳。集热器工作时，反射器的轴线要始终指向太
46、阳。因此，和平板型集热器不同，聚光型集热器对太因此，和平板型集热器不同，聚光型集热器对太阳的位置进行跟踪是非常必要的阳的位置进行跟踪是非常必要的。l 跟踪跟踪的方式，有反射镜绕一根轴或两根轴转动的的方式，有反射镜绕一根轴或两根轴转动的单轴或双轴跟踪单轴或双轴跟踪。l 实现实现跟踪的方法，有程序控制式和传感器式跟踪的方法，有程序控制式和传感器式。l 程序控制程序控制式，是预先用计算机计算并存储设置地式，是预先用计算机计算并存储设置地点的太阳运行规律，然后依据程序以一定的速度点的太阳运行规律，然后依据程序以一定的速度转动光学系统，使其跟踪太阳转动光学系统，使其跟踪太阳。l 传感器传感器式，是用传感器测出太阳入射光的方向，式，是用传感器测出太阳入射光的方向，通过步进电机等驱动机构调整反射镜的方向，以通过步进电机等驱动机构调整反射镜的方向，以消除太阳方向同反射镜光轴间的偏差。消除太阳方向同反射镜光轴间的偏差。二、聚光比和最高集热温度二、聚光比和最高集热温度l 聚光比定义为聚光比定义为l 太阳的辐射光并不是完全平行的，其发散角太阳的辐射光并不是完全平行的，其发散角D=32。l 入射入射的太阳辐射经抛物形聚光器后形成焦平面。的太阳辐射经抛物形聚光器后形成焦平面。
