Chapter2 太阳能的收集与传导

1、第二章 太阳能的收集与传导 第一节 太阳能收集方式第二节 太阳集热器概述第三节 太阳集热器的分类第四节 平板型太阳集热器第五节 真空管太阳集热器第六节 太阳能热利用中的传热学基础主要内容第一节 太阳能收集方式光热收集：光热转换技术（核心部件是太阳能集热器）光电收集：光伏转换技术（核心部件是太阳能电池）光化收集：光化学制氢转换技术、光合作用第二节 太阳集热器概述什么是太阳集热器？第二节 太阳集热器概述许多人误认为太阳集热器（简称集热器）就是太阳热水器。集热器是热水器的一部分，它是决定热水器热性能优劣的一个关键部件。太阳集热器：太阳加热系统中，接收太阳辐射并向传热工质传递热量的部件 定义： 吸收太

2、阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置 对定义的理解：第一，太阳集热器是一种装置；第二，太阳集热器可以吸收太阳辐射；第三，太阳集热器可以产生热能；第四，太阳集热器可以将热能传递到传热工质。 太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。第三节 太阳集热器的分类按集热器的传热工质分类按是否聚光分类按是否跟踪太阳分类按集热器的工作温度分类按是否有真空空间分类一、按集热器的传热工质

3、分类液体集热器空气集热器聚光集热器非聚光集热器二、按是否聚光分类将太阳光聚集在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳能够利用直射辐射和散射辐射跟踪集热器非跟踪集热器三、按是否跟踪太阳分类低温集热器 工作温度在100以下中温集热器 工作温度在100-200高温集热器 工作温度在200以上。四、按集热器的工作温度分类平板集热器真空集热器五、按是否有真空空间分类太阳能集热器的分类第四节 平板型太阳集热器4-1 基本结构4-2 工作原理4-3 基本能量平衡方程及热损失分析4-4 透明盖板-集热板系统的辐射特性4-5 集热器效率方程及效率曲线4-6 集热器热性能试验与技术

4、要求 平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也是世界太阳能市场的主导产品，是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。 与聚光型集热器相比具有下列特点：结构简单，不需要跟踪；工作可靠，成本较低；可同时接收直射辐射和散射辐射；热流密度较低，工质温度较低，运行安全。 平板型太阳集热器的应用范围：为生活及服务业提供热水；用于采暖空调及制冷（目前国内已经有多处利用太阳集热器加上热泵进行采暖、空调和制冷的示范工程，经济效益十分明显）；为地下工程除湿、加温；提供工业用热水，如锅炉补水的预热，食品加工业、制革、印染、胶卷冲洗等用热水；为各种养殖业、种植业提供低温热水。1、透明盖板2、集热板（吸热板）3、隔

5、热层4、外壳4.1 平板型太阳集热器基本结构平板型集热器结构示意图五星家用平板太阳能热水器广东五星太阳能股份有限公司1、透明盖板主要功能：透射，透过太阳辐射 隔热，减少吸热板到环境的 热损失 保护，保护吸热板，使其不 直接暴露于大气中，免受灰 尘、雨雪的侵蚀透明盖板性能要求： 透过率高，吸收率和反射率低 热辐射（长波）透过率低 机械强度高 不透雨水 性能稳定透明盖板的材料 有平板玻璃和玻璃钢板两种。常用的盖板以普通玻璃为多，出口或高档产品都使用钢化玻璃盖板普通平板玻璃优点：红外透射比低导热系数小耐侯性能好缺点：冲击强度低，易破碎（可经过钢化处理）三氧化二铁吸收波长范围集中在2m以内的太阳辐射，

6、Fe2O3含量对2.5m以上波长的影响很小，因此红外透射比低国标（GB/T 6424-1997）规定太阳盖板的透射比不应低于0.78玻璃钢板玻璃纤维增强塑料板优点太阳透射比高导热系数小冲击强度高缺点使用寿命短（不能跟平板玻璃相比拟）耐侯性能差紫外线破坏（通过使用高键能树脂或胶衣减少紫外线损坏的程度）透明盖板的层数单层绝大多数双层工作温度较高或气温较低地区三层及以上很少采用，大幅度降低太阳透射比无盖板气温较高的地区游泳池加热透明盖板与吸热板的间距国内外文献提出不同数值共同点是应大于20mm2、吸热板 吸热板是平板型集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的关键部件。 基本上是平板形状平板式集热

7、器的结构集热板（吸热板）吸热板主要有4种结构型式：管板式翼管式扁盒式蛇管式管板式 将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带，主要有铜铝复合吸热板和全铜管板吸热板。结合方式：热碾压成型，高频焊接，超声焊接等主要特点：热效率高，铜材、无结合热阻水质清洁，水铜（无腐蚀）耐压能力强，高压空气吹胀成型保证质量，整个生产过程实现机械化吸热板的主要结构型式之一管板式翼管式 即带翅片的管，利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带，以铝合金吸热板为多。主要特点：热效率高，铝材、无结合热阻；耐压能力强，铝合金可以承受高压；水质不易保证，水对铝合金有腐蚀；动态特性差，吸热板有较大的热容量。吸热板的主

8、要结构型式之二翼管式吸热板的构造 扁盒式 将两块金属板分别模压成型，再焊接成一体构成吸热板，主要材料有铝合金或不锈钢以及镀锌钢等。主要特点：热效率高，无结合热阻；不需要焊接集管，一次模压成型焊接工艺难度大，焊接穿透和焊接不牢；耐压能力差，焊点不能承受高压；动态特性差，吸热板有较大的热容量；水质不易保证，水对铝合金有腐蚀。吸热板的主要结构型式之三扁盒式盘管式（蛇管式） 将金属管弯曲成蛇形，再与平板焊接构成吸热板，一般采用铜板（高频焊接和超声焊接），现在已很少使用。主要特点：不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性热效率高，无结合热阻；水质清洁，钢管不会被腐蚀；耐压能力强，铜管可以承受较高的压力；保证

9、质量，整个生产过程实现机械化流动阻力大，流体通道不是并联而是串联；焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。吸热板的主要结构型式之四蛇管式集热板性能要求： 吸收率高，热辐射率低 热转换效率高 对介质耐腐蚀性好 寿命长 工艺简单 价格便宜吸热板上的涂层吸热板上覆盖一层深色的涂层，最大限度吸收太阳能辐射能非选择性吸收涂层：光学特性与辐射波长无关的吸收涂层（普通黑板漆）选择性吸收涂层：光学特性随辐射波长不同有显著变化， 选择性涂层以色列科学家泰伯（Tabor）20世纪50年代利用太阳辐射光谱和物体辐射光谱的不同特性高的太阳吸收比低的发射率。太阳6000K，0.32um（波长）吸收；吸热体400K，230um

10、（波长）发射。吸热涂层的性能直接影响吸热板的热性能。普通黑板漆是一种非选择性涂料，其太阳吸收率与长波发射率相等，它可用于低温集热器。对于中高温集热温度的集热器应采用选择性涂料。对太阳能涂料的技术要求： 有较高的选择性能，即 ；附着力强，不起皮；耐候性好。制备方法涂层材料发射率喷涂硫化铅、氧化钴、氧化铁等0.30.5化学氧化铜、氧化铁0.180.32电化学黒铬、黑镍、黑钴0.080.20真空蒸发黑铬/铝、硫化铅/铝0.050.12磁控溅射铝-氮/铝、铝-氮-氧/铝0.040.093、隔热层（保温层）为降低热损失和提高集热效率，在集热板的底部和四侧，必须填充一定厚度而绝热性能良好的隔热层。特性要求

11、（指用作隔热层的绝热材料）： 导热系数低 耐温性好 性能稳定，寿命长隔热层的材料保温层的材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、硅酸铝纤维、聚氨酯发泡塑料等。保温层的厚度一般控制在 1530mm，也可用下面经验公式来计算：式中 保温材料在 100时的导热系数，W/(m.K)。4、外壳外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件不仅要具有构造材料的功能，而且要具有装饰材料的功能材料：铝合金板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等 太阳辐射透过透明盖板到达吸热板，被吸热板上的吸热涂层吸收后，产生光热效应，转化为热能而后通过导热、对流等方式将热能传给集热排管和集热管中的水或其他传热流体，供使用4.2 工作

12、原理4.3 基本能量平衡方程及热损失分析1、基本能量平衡方程单位时间内集热器吸收到的太阳辐射能量，W 单位时间内集热器有用能量收益，W 单位时间内集热器的总散热损失，W单位时间内集热器热容变化率，W单位时间内集热器吸收到的太阳辐射能量H为太阳辐照度，W/m2；()e为集热板-透明盖板系统的有效透过率-吸收率乘积；A为集热器面积单位时间内集热器有用能量收益Tf,i, Tf,o为集热工质的入口和出口温度；G为集热器单位面积的工质质量流量，kg/(m2h)；cp为集热工质的定压比热容， kJ/(kg)基本能量平衡方程分析单位时间内集热器的能量损失UL为集热器总热损系数；Tp为集热板温度；Ta为环境温

13、度单位时间内集热器热容变化率Cc为集热器热容，kJ/；T为集热器温度；为时间稳态工况时，QS=0非稳态工况时，当dT/dt0， QS0 ；当dT/dt0， QS平板集热器全玻璃真空管集热器对于普通太阳能热水器：玻璃真空管集热器便宜对于阳台式太阳能热水器以及承压装置：平板集热器便宜空气太阳能集热器用空气作为传热介质的太阳能集热器主要应用：太阳能干燥和太阳能采暖优点无结冰的危险、无腐蚀微小渗漏不影响工作和性能压力小直接利用，无二次换热缺点热导率小，水的1/20，效率低输送空气，需要消耗较大的能量/v/b/74867009-1623562771.html太阳能集热器项目展示第一节 太阳能热利用中的传

14、热学基础一、热量传递的基本方式二、太阳辐射的吸收、反射和透射一、热量传递的基本方式传热学研究物体之间或物体内部因存在温差而发生热能传递的规律。“物体”包括固体、液体和气体，在自然界，哪里有温差，哪里就会发生传热过程热能的传递三种实现方式：传导、对流、辐射热传导的定义热传导是依靠物质质点的直接接触来传递能量导热特点各种物质的导热机理气体和液体：分子或原子的相互作用或碰撞介电物质：晶体点阵或者晶格振动。其能量是量子化的，称之为声子，其热传导可看成是声子的相互作用和碰撞金属晶体：主要是电子的相互作用和碰撞，声子贡献小。导热基本定律固体金属导热系数一般在十几至几百/m，与导电性能一样，随温度的增加而缓

15、慢减小；其它固体导热系数一般比金属小一两个数量级（石墨、金刚石除外）；液体导热系数一般小于/m，除水和甘油等，绝大多数随温度升高而减小；大多数气体导热系数都小于0.1/m，一般随温度升高而增大。对流定义对流传热基本特点对流换热的基本定律表面传热系数辐射换热定义电磁波谱辐射换热基本特点二、太阳辐射的吸收、反射和透射不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色表面可以反射几乎90的可见光。 物体的表面越粗糙、颜色越深，吸收率就越高，反射率越低。 反射吸收非透明物体吸收太阳热太阳辐射在玻璃中传递过程将具有低发射率、高红外反射率的金属（铝、铜、银、锡等），使用真空沉

16、积技术，在玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层，这样就制成了 Low-e (Low-emissivity) 玻璃。对太阳辐射有高透和低透不同性能。低透low-e玻璃建筑物的热量传递太阳直射辐射大气长波辐射太空散射辐射对流换热地面反射辐射环境长波辐射地面长波辐射壁体得热建筑传热红外热像图太阳能工程中的表面技术 选择性吸收涂层材料减反射膜绒面技术1、选择性吸收涂层材料光谱选择性表面： 根据基尔霍夫定律，物体的吸收率： 物体对太阳辐射的吸收率： 为太阳辐射的单色辐射力希望集热器的吸收面对太阳辐射有尽可能高的吸收率而对红外辐射具有尽可能低的辐射率1、选择性吸收涂层材料由普朗克黑体辐射定律：高温黑体辐射的光谱

17、能量分布曲线总是位于低温黑体辐射的光谱能量分布曲线之上。问题：假设物体在短波区有很高的吸收率，在长波区有很低的辐射率，这样长波区吸收率也会低，根据上面的前提，导致吸收太阳辐射减少。1、选择性吸收涂层材料从太阳光谱能量分布曲线看出，在太阳辐射穿越地球大气层时，受到严重衰减，长波区域的能量已经很低，所以地面上的太阳辐射的光谱能量分布曲线和500K以下的黑体辐射的光谱能量分布曲线已完全错位，分布在不同的光谱区域范围内。1、选择性吸收涂层材料所以，不存在上面的问题，也因此可能实现通称的光谱选择性表面，就是在不同的光谱区域内实现不同的辐射换热特性（短波高吸收，长波低辐射）。这种特性按光谱分区，故称为光谱

18、选择性。1、选择性吸收涂层材料理想光谱选择性吸收表面特性1、选择性吸收涂层材料但是，这种理想的光谱选择性表面在实际中并不存在，因此需要采用各种表面技术，对吸收面进行处理，以得到各种光谱选择性涂层或膜，比如B-2隐形轰炸机表面的涂层，可以躲过红外探测器。1、选择性吸收涂层材料光谱选择型表面的分类：1.光谱选择性吸收表面2.光谱选择性透过表面1、选择性吸收涂层材料光谱选择性吸收表面分为两种：1.吸收-反射组合型 在辐射率低的金属表面涂着一层对太阳辐射吸收率很高，而长波热辐射透过率也很高的涂层，吸收指涂层对太阳辐射的吸收，反射指金属集体表面对长波热辐射的反射。2.反射-吸收组合型自然界有一种材料，对

19、长波热辐射有很高的反射率。这种特殊辐射性能的0.21m的涂层称为热镜。将热镜和黑色基体表面组合在一起，就得到反射-吸收组合型光谱选择性吸收涂层。1、选择性吸收涂层材料20世纪40年代Cabot最早提出光谱选择性吸收涂层的概念，并研制成样品，不能实用。1955年，以色列Tabor等人在第一届国际太阳能会议发表了光谱选择性吸收涂层的基础理论，并研究了电镀黑镍和铝板上涂布氧化铜。黑铬涂层集热板1、选择性吸收涂层材料光谱选择型吸收涂层的特征参数：设涂层的太阳辐射吸收率为红外辐射率为当接收表面达到某个能量平衡状态时，表面吸收的太阳辐射能等于它辐射的能量： 改写： 1、选择性吸收涂层材料为投射到表面上的太阳辐射强度称为光谱选择性吸收涂层的特征参数，在相同太阳辐射情况下， 越大，则表面可能达到的平衡点温度也越高。吸收涂层的临界温度， 越高，则集热器可能达到的运行温度也越高。注意：同一种涂层，对不同的太阳能资源地区，有不同的临界温度，应用效能也会有区别。半导体硅片对入射太阳辐射具有很高的反射率。为了提高硅太阳能电池的转换效率，必须在电池表面蒸镀一层减反射膜。2、减反射膜2、减反射膜减反射涂层是根据薄膜干涉原理蒸镀在太阳辐射接受表面上，从而能够有效地降低其光反射率。镀膜镜头，增加透光率，减少反射佳