太陽能集熱器

太陽能集熱器的分類

1.按集熱器的傳熱工質(zhì)類型分:液體集熱器、空氣集熱器

2.按進(jìn)入采光口的太陽輻射是否改變方向分:聚光型集熱器、非聚光型集熱器

3.按集熱器是否跟蹤太陽分為:跟蹤集熱器、非跟蹤集熱器

4.按集熱器內(nèi)是否有真空空間分為:平板型集熱器、真空管集熱器

5.按集熱器的工作溫度范圍分為:低溫集熱器、中溫集熱器、高溫集熱器

6.按集熱板使用材料分別為:純銅集熱板、銅鋁復(fù)合集熱板、純鋁集熱板

平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。用平板型太陽能集熱器組成的熱水器即平板太陽能熱水器。

當(dāng)平板型太陽能集熱器工作時(shí)，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，然后傳遞給吸熱板內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出;與此同時(shí)，溫度升高后的吸熱板不可避免的要通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式向四周散熱，成為集熱器的熱量損失。

平板型太陽集熱器是太陽集熱器中一種最基本的類型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本適宜，還具有承壓 能力強(qiáng)、吸熱面積大等特點(diǎn)，是太陽能與建筑結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一。

根據(jù)IEA報(bào)告，截止到2004年底，平板型集熱器占總市場(chǎng)份額的35%，真空管集熱器占41%。如果不統(tǒng)計(jì)無蓋板的太陽能集熱器，歐洲、日本和以色列等國(guó)家均是以平板型集熱器為主，約占市場(chǎng)份額的90%;國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以真空管為主，2005年約占市場(chǎng)份額的87%，平板型集熱器只占12%。

國(guó)內(nèi)平板集熱器從上世紀(jì)80年代的市場(chǎng)統(tǒng)治地位逐步下滑到12%左右，有眾多因素造成的:1)直接系統(tǒng)的平板熱水器在冬季不能防凍，須排空，因此冬季不能使用并維護(hù)復(fù)雜;2)全玻璃真空管熱水器在大部分地區(qū)可全年使用;3)全玻璃真空管由于技術(shù)創(chuàng)新，成本大幅度降低，生產(chǎn)企業(yè)迅速增加，促進(jìn)太陽能熱水器市場(chǎng)迅速擴(kuò)大。因此，目前家用熱水器國(guó)內(nèi)市場(chǎng)格局是由于產(chǎn)品的特點(diǎn)和價(jià)格等因素形成的，可以預(yù)見在家用熱水器中低擋市場(chǎng)中仍將是全玻璃真空管熱水器為主。

國(guó)外太陽能市場(chǎng)始終以平板集熱器為主，是因?yàn)閲?guó)外太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的不同。國(guó)外系統(tǒng)一般采用間接系統(tǒng)、分體式系統(tǒng)和閉式承壓系統(tǒng)，這類系統(tǒng)一般初投資高，但系統(tǒng)可靠、維護(hù)成本低、水質(zhì)不會(huì)污染和系統(tǒng)壽命長(zhǎng)。針對(duì)這類系統(tǒng)，平板集熱器體現(xiàn)出其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4][5]:1)平板集熱器最適合用于承壓系統(tǒng);2)最適合于雙循環(huán)的太陽能熱水器;3)最有利于實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器與建筑結(jié)合;4)系統(tǒng)壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低;5)大多數(shù)情況下可以提供更多的生活熱水;6)平板集熱器用于太陽能采暖系統(tǒng)時(shí)能較方便解決非采暖季節(jié)的系統(tǒng)過熱問題。因此，在太陽能系統(tǒng)工程、分體式太陽能熱水器和對(duì)太陽能與建筑一體化有要求的場(chǎng)所，平板集熱器比全玻璃真空管集熱器在系統(tǒng)壽命、系統(tǒng)維護(hù)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)平板太陽能集熱器和國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距。國(guó)內(nèi)廠家送檢測(cè)試結(jié)果和部分SPF檢測(cè)報(bào)告對(duì)比可以看出[6]:我國(guó)太陽能集熱器瞬時(shí)效率的截距略低于國(guó)外產(chǎn)品，熱損系數(shù)差別較大。這表明現(xiàn)有產(chǎn)品在玻璃透過率、高效選擇性涂層和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面仍存在差距，因此國(guó)內(nèi)廠家需要努力提高平板太陽能集熱器產(chǎn)品性能，開展高效平板太陽能集熱器研發(fā)。尤其在寒冷地區(qū)或太陽能采暖等場(chǎng)合，集熱器熱性能對(duì)太陽能系統(tǒng)收益影響特別顯著。

太陽能集熱器的定義是:吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱介質(zhì)的裝置。這短短的定義卻包含了豐富的含義:第一:太陽能集熱器是一種裝置;第二:太陽能集熱器可以吸收太陽輻射;第三:太陽能能集熱器可以產(chǎn)生熱能;第四:太陽能集熱器可以將熱能傳遞到傳熱介質(zhì)。

太陽能集熱器雖然不是直接面向消費(fèi)者的終端產(chǎn)品，但是太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。無論是太陽能熱水器、太陽灶、主動(dòng)式太陽房、太陽能溫室還是太陽能干燥、太陽能工業(yè)加熱、太陽能熱發(fā)電等都離不開太陽能集熱器，都是以太陽能集熱器作為系統(tǒng)的動(dòng)力或者核心部件的.

名稱:太陽能-集熱器

主題詞或關(guān)鍵詞:太陽能能源科學(xué)集熱器

效率比較高的集熱器由收集和吸收裝置組成。陽光由不同波長(zhǎng)的可見光和不可見光組成，不同物質(zhì)和不同顏色對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收和反射能力是不一樣的。黑顏色吸收陽光的能力最強(qiáng)，因此棉衣一般用深色或黑色布。白色反射陽光的能力最強(qiáng)，因而夏季的襯衫多是淡色或白色的。因此利用黑顏色可以聚熱。讓平行的陽光通過聚焦透鏡聚集在一點(diǎn)、一條線或一個(gè)小的面積上，也可以達(dá)到集熱的目的。紙?jiān)陉柟庹丈湎?，不管陽光多么?qiáng)，哪怕是在炎熱的夏天，也不會(huì)被陽光點(diǎn)燃。但是，若利用集光器，把陽光聚集在紙上，就能將紙點(diǎn)燃。集熱器一般可分為平板集熱器、聚光集熱器和平面反射鏡等幾種類型。

平板集熱器一般用于太陽能熱水器等。聚光集熱器可使陽光聚焦獲得高溫，焦點(diǎn)可以是點(diǎn)狀或線狀，用于太陽能電站、房屋的采暖(暖氣)和空調(diào)(冷氣)、太陽爐等。按聚光鏡構(gòu)造有"菲涅爾"透鏡、拋物面 鏡和定日鏡。

平面反射鏡用于太陽能塔式發(fā)電，有跟蹤設(shè)備，一般和拋物面鏡聯(lián)合使用。平面鏡把陽光集中反射在拋物面鏡上，拋物面鏡使其聚焦。

為了提高太陽集熱器的效率，唯一有效的辦法是在保持最大限度地采集太陽能的同時(shí)盡可能減小其對(duì)流和輻射熱損。采用優(yōu)質(zhì)選擇性吸收涂層材料和高透過率蓋板材料是滿足上述要求的重要途徑[7]。

隨著太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)選擇性吸收材料的研究工作已有二十年的歷史了。太陽集熱器的發(fā)展過程也是涂層技術(shù)的發(fā)展過程。期間經(jīng)歷了從非選擇性的普通黑漆到選擇性的硫化鉛、金屬氧化物涂料，從黑鎳、黑鉻到鋁陽極化涂層等一代接一代的更新?lián)Q代過程。隨著涂層技術(shù)的不斷進(jìn)步涂層性能得到了很大的提高。目前我國(guó)平板集熱器吸收表面主要采用鋁條帶上陽極化著色和銅條帶上黑鉻選擇性涂層。

間歇式磁控濺射鋁-氮-鋁材料選擇性吸收涂層的鍍膜生產(chǎn)技術(shù)是隨著真空管集熱器的產(chǎn)生而發(fā)展起來的，基本上代表了當(dāng)前我國(guó)中低溫選擇性吸收材料的生產(chǎn)水平。由于該涂層耐候性能較差，不適于平板集熱器的使用。

目前，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是歐洲，選擇性吸收涂層的生產(chǎn)主要有兩個(gè)特點(diǎn)，其一是采用真空鍍膜技術(shù)，其二是采用卷繞式連續(xù)鍍膜方式。即使是濕法鍍膜也采用連續(xù)鍍膜工藝。如丹麥的BATEC公司是生產(chǎn)黑鉻吸收涂層的，在銅條帶上采用連續(xù)電鍍的方法進(jìn)行生產(chǎn)。年生產(chǎn)能力為十幾萬平米，產(chǎn)品的光學(xué)性能及耐候性都很理想。 此外，德國(guó)幾個(gè)生產(chǎn)選擇性涂層的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法和連續(xù)生產(chǎn)方式進(jìn)行吸收涂層生產(chǎn)的。

真空鍍膜技術(shù)生產(chǎn)工藝不存在污染問題，涂層光學(xué)性能優(yōu)良，但連續(xù)化生產(chǎn)線投資較大，涂層生產(chǎn)成本較高，有些真空鍍膜涂層耐候性能不很理想。濕法鍍膜技術(shù)采用電化學(xué)方法生產(chǎn)，工藝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)控制不當(dāng)，容易造成一定程度的污染，但涂層(如黑鉻涂層)連續(xù)化生產(chǎn)線投資較小，涂層具有優(yōu)良的光學(xué)性能而且也具有非常優(yōu)異的耐熱耐濕耐候性能，是一種性價(jià)比較高的太陽能選擇性涂層。

北京市太陽能研究所有限公司于2003年開始黑鉻選擇涂層生產(chǎn)工藝的研究，于2004年建成國(guó)內(nèi)第一條黑鉻太陽能選擇涂層連續(xù)化生產(chǎn)線，產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)[8]:涂層的吸收率α≥0.93，紅外發(fā)射率ε≤0.10，性能達(dá)到國(guó)外平板太陽能集熱器涂層先進(jìn)水平。

北京市太陽能研究所有限公司也開展耐候性涂層真空鍍膜生產(chǎn)技術(shù)的研究。研制了不銹鋼氮化物和不銹鋼碳化物的金屬陶瓷選擇性吸收涂層，為實(shí)現(xiàn)該膜層的生產(chǎn)，研制了一臺(tái)三靶磁控濺射真空鍍膜機(jī)并成功的進(jìn)行了中試。通過小批量試生產(chǎn)制備出合格產(chǎn)品用于平板集熱器。

目前，國(guó)內(nèi)多家研究結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠家均在開展用于平板集熱器的高性能太陽能選擇性涂層生產(chǎn)工藝和設(shè)備研究。因此與國(guó)外在太陽能選擇性涂層方面的技術(shù)差距將會(huì)越來越小，這為國(guó)內(nèi)平板集熱器技術(shù)的提升打下基礎(chǔ)。

1)平板集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本適宜，還具有承壓能力強(qiáng)、吸熱面積大等特點(diǎn)，最有利于實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)與建筑結(jié)合;

2)采用回流排空技術(shù)，平板集熱器太陽能系統(tǒng)可以方便地解決防凍和防過熱等技術(shù)難點(diǎn);

3)高效平板集熱器太陽能系統(tǒng)在同等面積前提下與真空管太陽能系統(tǒng)相比，可以提供更多生活熱水; 4)國(guó)內(nèi)平板集熱器性能和質(zhì)量與國(guó)外的產(chǎn)品相比，仍存在一定差距。在選擇性涂層、蓋板玻璃、優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等方面有待于進(jìn)一步提高。

關(guān)于平板集熱器太陽能系統(tǒng)，業(yè)界存在一些誤解。其一是平板集熱器太陽能系統(tǒng)四季全天候運(yùn)行問題，很多人認(rèn)為平板集熱器太陽能系統(tǒng)不能在冬季運(yùn)行，實(shí)際上這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。目前，平板集熱器太陽能系統(tǒng)一般采用回流排空技術(shù)及二次循環(huán)技術(shù)(通過防凍液傳熱)，在北方地區(qū)可方便地解決集熱器過冬防凍問題，無集熱器凍壞的后顧之憂，并且可以解決夏季(或熱水負(fù)荷不匹配時(shí))系統(tǒng)過熱問題，這一特點(diǎn)對(duì)太陽能采暖系統(tǒng)非常有利。此外，回流排空防過熱、防凍技術(shù)方案在荷蘭等歐洲國(guó)家也大量使用，是一種非常成熟的技術(shù)方案[9]。

另一個(gè)誤解是平板集熱器得熱量問題，很多人認(rèn)為平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)的得熱量(或產(chǎn)水量)要低于真空管集熱器熱水系統(tǒng)，實(shí)際檢測(cè)表明:采用黑鉻選擇涂層平板集熱器熱水系統(tǒng)產(chǎn)水量要高于相同總面積的真空管集熱器熱水系統(tǒng)[5]。測(cè)試結(jié)果如下:

圖2 黑鉻選擇涂層平板集熱器和真空管集熱器全年單位面積日均產(chǎn)水量比較

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在北京地區(qū)，高效平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)的產(chǎn)水量要高于同等面積的真空管集熱器系統(tǒng)。其中一個(gè)重要原因是同等面積下真空管集熱器采光面積要低于平板集熱器采光面積。

真空管集熱器就是將吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。用真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。

真空管按吸熱體材料種類，可分為兩類:一類是玻璃吸熱體真空管(或稱為全玻璃真空管)，一類是金屬吸熱體真空管(或稱為玻璃-金屬真空管)。熱管式真空管是金屬吸熱體真空管的一種，它由熱管、吸熱體、玻璃管和金屬端蓋等主要部件組成。

熱管式真空管與其他類型的太陽能熱水器相比，具有以下不可替代的優(yōu)點(diǎn):

1.耐冰凍:采用抗凍型熱管，即使在-50℃的嚴(yán)寒條件下也不會(huì)凍裂。

2.啟動(dòng)快:熱管的熱容量大，在陽光下幾分鐘后即可輸出熱量;而且在多云間晴的天氣，比其他熱水器能產(chǎn)生更多的熱水。

3.不結(jié)垢:由于水不直接流經(jīng)真空管內(nèi)，避免了因結(jié)水垢而引起的水道堵塞問題。

4.保溫好:熱管具有單向傳熱的特點(diǎn)，使熱水在夜間不會(huì)沿?zé)峁芟蛳律岬街車h(huán)境。

5.承壓高:由于玻璃管內(nèi)不盛水，連接成集熱器后可隨自來水和循環(huán)泵的壓力，因而在大中型熱水系統(tǒng)應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

6.耐熱沖擊性好:即使用戶偶然誤操作，陽光下空曬后的熱水器內(nèi)立即注入冷水，真空管也不會(huì)炸裂。

7.安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠:集熱器內(nèi)的真空管與集熱器間是"干性連接"，無熱水泄漏問題，安裝方便;即使有一根熱管出現(xiàn)問題，在維修過程中也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常使用。

正是由于熱管式真空管具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，才越來越受到各國(guó)太陽界的重視。北京市太陽能研究所的熱管式真空管集熱器經(jīng)過德國(guó)和瑞士檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試，產(chǎn)品熱性能指標(biāo)達(dá)到了九十年代國(guó)際先進(jìn)水平，成為了繼法國(guó)和英國(guó)之后世界上第三個(gè)可批量生產(chǎn)熱管式真空管集熱器的單位。

我國(guó)的住宅設(shè)計(jì)目前尚未考慮生活熱水供應(yīng)，而家里有熱水洗澡是小康生活的一個(gè)必要條件。我國(guó)能源供應(yīng)緊張，依靠常規(guī)能源不可能全部解決城市住宅生活熱水供應(yīng)。我國(guó)太陽能資源非常豐富，全國(guó)有三分之二以上地區(qū)年輻照總量大于502萬千焦/米2，年日照時(shí)數(shù)在2000小時(shí)以上;而且近年來太陽能熱水器發(fā)展迅速，使得利用太陽能供熱水不僅在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的，并已具備了與常規(guī)能源的競(jìng)爭(zhēng)力。

太陽能熱水器早在八十年代初就在我國(guó)開始推廣，應(yīng)用范圍包括集體浴室、游游泳池加熱、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等?，F(xiàn)在的市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)頭正逐年向居民住宅用熱水傾斜，在國(guó)內(nèi)的一些地區(qū)如昆明已陸續(xù)出現(xiàn)太陽能熱水器在住宅中的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和安裝，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

但是，太陽能熱水器在北京等大中城市的推廣速度極其緩慢。究其原因，主要是太陽能熱水器的安裝問題。由于太陽能熱水器需要安裝在屋頂，而北京的住宅建筑在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮太陽能熱水器的管線問題，勢(shì)必要進(jìn)行二次施工。要解決這個(gè)問題，就要使太陽能熱水器作為住宅的必備設(shè)施，在設(shè)計(jì)時(shí)將太陽能熱水器的管線與暖氣管一樣埋在墻內(nèi)，與主體建筑同步完工。其優(yōu)勢(shì)是:

1.有利于節(jié)能和環(huán)保。每平方米太陽能熱水器每年可節(jié)約100~150公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少溫室氣體及粉塵的排放。在太陽能熱水器上安裝輔助電加熱設(shè)備，在冬天及連陰天可進(jìn)行補(bǔ)充加熱。這樣就能達(dá)到大范圍節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的作用。

2.有利于建筑施工。由于太陽能熱水器與建筑在設(shè)計(jì)和施工上均做到統(tǒng)一，避免了二次施工，還可起到保護(hù)屋頂和增加隔熱的效果。

3.有利于城市美觀。太陽能熱水器住宅將形成城市建設(shè)的一種新景觀，可美化城市建筑。

4.節(jié)省資金，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。太陽能熱水器的技術(shù)現(xiàn)在已基本成熟，以北京市太陽能研究所的熱管式真空管太陽能集熱器為例，使用周期為15年，80%依靠太陽能，20%依靠輔助電加熱，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低。

針對(duì)國(guó)內(nèi)平板集熱器與國(guó)外的技術(shù)和質(zhì)量的差距，應(yīng)采取以下措施提高平板集熱器的性能和質(zhì)量:

1)研究開發(fā)適用于平板太陽能集熱器的選擇性涂層，涂層應(yīng)具有高吸收率、低紅外發(fā)射率、優(yōu)異的耐熱耐濕耐候性能和適宜的加工成本;

2)廣泛采用低鐵高透過率蓋板玻璃。目前已有多個(gè)玻璃廠家開始生產(chǎn)適用于太陽能集熱器的低鐵玻璃，國(guó)內(nèi)外玻璃質(zhì)量差距越來越小;

3)重視集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善制造工藝，保證結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性，減小集熱器的散熱損失;

4)選用鋼化玻璃作為集熱器蓋板，提高集熱器部件質(zhì)量，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保集熱器可以經(jīng)受防冰雹、淋雨、空曬、耐壓、熱沖擊等性能試驗(yàn)，提高集熱器壽命，減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用;

5)為適應(yīng)寒冷地區(qū)、太陽能采暖和空調(diào)以及工業(yè)加熱等特殊要求，應(yīng)開發(fā)高效平板集熱器。盡快使雙層蓋板和透明蜂窩等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并提高其性價(jià)比，使高效平板集熱器有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;

6)跟蹤國(guó)外平板集熱器先進(jìn)技術(shù)和工藝，開發(fā)新型平板集熱器太陽能系統(tǒng)，提高平板集熱器市場(chǎng)占有率。

陶瓷太陽能集熱器主要有陶瓷太陽能板、透明蓋板、保溫層和外殼等幾部分組成。用陶瓷太陽能集熱器組成的熱水器即陶瓷太陽能熱水器。

當(dāng)陶瓷太陽能集熱器工作時(shí)，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在陶瓷太陽能板上，被陶瓷太陽能板吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，然后傳遞給吸熱板內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出。陶瓷太陽能板是以普通陶瓷為基體，立體網(wǎng)狀釩鈦黑瓷為表面層的中空薄壁扁盒式太陽能集熱體。其整體為瓷質(zhì)材料，不透水、不滲水、強(qiáng)度高、剛性好，不腐蝕、不老化、不退色，無毒、無害、無放射性，陽光吸收率不會(huì)衰減，具有長(zhǎng)期較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。