Chater 太阳能的收集与传导

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、按集集热器的的传热工工质分类类液体集热热器空气集热热器聚光集热热器非聚光集集热器二、按是是否聚光光分类将太阳光光聚集在在面积较较小的吸吸热面上上，可获获得较高高温度，，但只能能利用直直射辐射射，且需需要跟踪踪太阳能够利用用直射辐辐射和散散射辐射射跟踪集热热器非跟踪集集热器三、按是是否跟踪踪太阳分分类低温集热热器工作温度度在100℃℃以下中温集热热器工作温度度在100-200℃高温集热热器工作温度度在200℃℃以上。四、按集集热器的的工作温温度分类类平板集热热器真空集热热器五、按是是否有真真空空间间分类太阳能集集热器的的分类第四节平平板板型太阳阳集热器器4-1基本结构构4-2工作原理理4-3基本能量量平衡方方程及热热损失分分析4-4透明盖板-集热板系系统的辐辐射特性性4-5集热器效率率方程及及效率曲线4-6集热器热性性能试验验与技术术要求平板集热热器是太太阳能低温热利利用的基本部部件，也也是世界界太阳能能市场的的主导产产品，是是非聚光光类集热热器中最最简单且且应用最最广的集集热器。。与聚光型型集热器器相比具具有下列列特点：结构简单单，不需需要跟踪踪；工作可靠靠，成本本较低；；可同时接接收直射射辐射和和散射辐辐射；热流密度度较低，，工质温温度较低低，运行行安全。。平板型太太阳集热热器的应用范围围：为生活及及服务业业提供热热水；用于采暖暖空调及及制冷（（目前国国内已经经有多处处利用太太阳集热热器加上上热泵进进行采暖暖、空调调和制冷冷的示范范工程，，经济效效益十分分明显））；为地下工工程除湿湿、加温温；提供工业业用热水水，如锅锅炉补水水的预热热，食品品加工业业、制革革、印染染、胶卷卷冲洗等等用热水水；为各种养养殖业、、种植业业提供低低温热水水。1、透明盖板2、集热板（吸吸热板））3、隔热层层4、外壳4.1平板型太阳阳集热器器基本结结构平板型集集热器结结构示意意图五星家用用平板太太阳能热热水器广东五星星太阳能能股份有有限公司司1、透明盖板主要功能能：①透射，，透过太太阳辐射射②隔热热，减少少吸热板板到环境境的热损失③保护，，保护吸吸热板，，使其不不直接暴露露于大气气中，免免受灰尘、雨雪雪的侵蚀蚀透明盖板板性能要要求：①透过率率高，吸吸收率和和反射率率低②热辐射射（长波波）透过过率低③机械强强度高④不透雨雨水⑤性能稳稳定透明盖板板的材料料有平板玻璃璃和玻璃钢板板两种。常常用的盖板以以普通玻玻璃为多多，出口口或高档档产品都都使用钢钢化玻璃璃盖板普通平板板玻璃优优点：红外透射射比低导热系数数小耐侯性能能好缺点：冲击强度度低，易易破碎（（可经过过钢化处处理）三氧化二二铁吸收波长范围围集中在在2µm以内的太阳辐射射，Fe2O3含量对2.5µµm以上波长长的影响响很小，，因此红红外透射射比低国标（GB/T6424-1997）规定太太阳盖板板的透射射比不应应低于0.78玻璃钢板板玻璃纤维维增强塑塑料板优点太阳透射射比高导热系数数小冲击强度度高缺点使用寿命命短（不不能跟平平板玻璃璃相比拟拟）耐侯性能差—紫外线破破坏（通通过使用用高键能能树脂或或胶衣减减少紫外外线损坏坏的程度度）透明盖板板的层数数单层——绝大多数数双层——工作温度度较高或或气温较较低地区区三层及以以上——很少采用用，大幅幅度降低低太阳透透射比无盖板——气温较高高的地区区游泳池池加热透明盖板板与吸热热板的间间距国内外文文献提出出不同数数值共同点是是应大于于20mm2、吸热板吸热板是是平板型型集热器器内吸收收太阳辐辐射能并并向传热热工质传传递热量量的关键键部件。。基本上是是平板形形状平板式集集热器的的结构——集热板（（吸热板板）吸热板主主要有4种结构型型式：管板式翼管式扁盒式蛇管式管板式将排管与与平板以以一定的的结合方方式连接接构成吸吸热条带带，主要要有铜铝复合合吸热板板和全铜管板板吸热板板。结合方式式：热碾压成型型，高频频焊接，，超声焊焊接等主要特点点：热效率高高，铜材材、无结结合热阻水质清洁洁，水＋＋铜（无无腐蚀）耐压能力力强，高高压空气气吹胀成型保证质量量，整个个生产过过程实现现机械化化吸热板的的主要结结构型式式之一管板式翼管式即带翅片片的管，，利用模模子挤压压拉伸工工艺制成成金属管管两侧连连有翼片片的吸热热条带，，以铝合合金吸热热板为多多。主要特点点：热效率高高，铝材材、无结结合热阻阻；耐压能力力强，铝铝合金可可以承受受高压；水质不易易保证，，水对铝铝合金有有腐蚀；动态特性性差，吸吸热板有有较大的的热容量量。吸热板的的主要结结构型式式之二翼管式吸热板的的构造扁盒式将两块金金属板分分别模压压成型，，再焊接接成一体体构成吸吸热板，，主要材材料有铝铝合金或或不锈钢钢以及镀镀锌钢等等。主要特点点：热效率高高，无结结合热阻阻；不需要焊焊接集管管，一次次模压成成型焊接工艺艺难度大大，焊接接穿透和和焊接不不牢；耐压能力差，，焊点不能承承受高压；动态特性差，，吸热板有较较大的热容量量；水质不易保证证，水对铝合合金有腐蚀。。吸热板的主要要结构型式之之三扁盒式盘管式（蛇管管式）将金属管弯曲曲成蛇形，再再与平板焊接接构成吸热板板，一般采用用铜板（高频频焊接和超声声焊接），现现在已很少使使用。主要特点：不需要另外焊焊接集管，减减少泄漏的可能性热效率高，无结合热热阻；水质清洁，钢管不不会被腐蚀；耐压能力强，铜铜管可以承受受较高的压力力；保证质量，整整个生产过程程实现机械化化流动阻力大，，流体通道不不是并联而是是串联；焊接难度大，，焊缝不是直直线而是曲线线。吸热板的主要要结构型式之之四蛇管式集热板性能要要求：①吸收率高，，热辐射率低低②热转换效率率高③对介质耐腐腐蚀性好④寿命长⑤工艺简单⑥价格便宜吸热板上的涂涂层吸热板上覆盖盖一层深色的的涂层，最大限限度吸收太阳阳能辐射能非选择性吸收涂涂层：光学特特性与辐射波波长无关的吸吸收涂层（普普通黑板漆）选择性吸收涂层：光光学特性随辐辐射波长不同同有显著变化化，选择性涂层层以色列科学学家泰伯（（Tabor）20世纪50年代利用太阳辐辐射光谱和和物体辐射射光谱的不不同特性高的太阳吸吸收比＋低低的发射率率。太阳6000K，0.3～2um（波长）——吸收；吸热体400K，2～30um（波长）——发射。吸热涂层的的性能直接接影响吸热热板的热性性能。普通黑板漆漆是一种非非选择性涂涂料，其太太阳吸收率率与长波发发射率相等等，它可用用于低温集集热器。对于中高温温集热温度度的集热器器应采用选选择性涂料料。对太阳能涂料料的技术要要求：有较高的选选择性能，，即；；附着力强强，不起皮皮；耐候性性好。制备方法涂层材料发射率喷涂硫化铅、氧化钴、氧化铁等0.3~0.5化学氧化铜、氧化铁0.18~0.32电化学黒铬、黑镍、黑钴0.08~0.20真空蒸发黑铬/铝、硫化铅/铝0.05~0.12磁控溅射铝-氮/铝、铝-氮-氧/铝0.04~0.093、隔热层（（保温层））为降低热损损失和提高高集热效率率，在集热热板的底部部和四侧，，必须填充充一定厚度度而绝热性性能良好的的隔热层。。特性要求（（指用作隔隔热层的绝绝热材料））：①导热系数数低②耐温性好好③性能稳定定，寿命长长隔热层的材材料保温层的材材料有岩棉棉、矿棉、、聚苯乙烯烯、硅酸铝铝纤维、聚聚氨酯发泡泡塑料等。。保温层的厚厚度一般控控制在15－30mm，也可用下下面经验公公式来计算算：式中——保温材料在在100℃时的导热系系数，W/(m.K)。4、外壳外壳是集热热器中保护护及固定吸吸热板、透透明盖板和和隔热层的的部件不仅要具有有构造材料料的功能，，而且要具具有装饰材材料的功能能材料：铝合金板、、不锈钢板板、碳钢板板、塑料、、玻璃钢等等太阳辐射透过透明盖盖板到达吸吸热板，被被吸热板上上的吸热涂涂层吸收后后，产生光光热效应，，转化为热热能而后通通过导热、、对流等方方式将热能能传给集热热排管和集集热管中的的水或其他他传热流体体，供使用4.2工作原理4.3基本能量平平衡方程及及热损失分分析1、基本能量量平衡方程程—单位时间内内集热器吸吸收到的太太阳辐射能能量，W—单位时间内内集热器有用能量收收益，W—单位时间内内集热器的的总散热损损失，W—单位时间内内集热器热容变化化率，W单位时间内内集热器吸吸收到的太太阳辐射能能量H为太阳辐照照度，W/m2；(τα)e为集热板-透明盖板系系统的有效效透过率-吸收率乘积积；A为集热器面积单位时间内内集热器有用能量收收益Tf,i,Tf,o为集热工质质的入口和和出口温度；；G为集热器单单位面积的的工质质量量流量，kg/(m2·h)；cp为集热工质的的定压比热热容，kJ/(kg·℃)基本能量平平衡方程分分析单位时间内内集热器的的能量损失失UL为集热器总热损系数；Tp为集热板温度度；Ta为环境温度单位时间内内集热器热热容变化率率Cc为集热器热容，kJ/℃；T为集热器温温度；τ为时间稳态态工况况时时，，QS=0非稳稳态态工况况时时，当当dT/dt>0，QS>0；当dT/dt<0，QS<0基本本能能量量平平衡衡方方程程分分析析入射射到到集集热热器器最最外外层层盖盖板板上上的的太太阳阳辐辐射射能能中中被被吸吸热热体体所所吸吸收收的的百百分分率率称称为为集热热器器的的透透射射比比与与吸吸收收比比的的乘乘积积（（简简称称透透吸吸比比的的乘乘积积）），，表征征集集热热器器性性能能的的主主要要指指标标之一一，，除除了了与与盖盖层层和和吸吸热热体体材材料料或或涂涂层层有有关关以以外外，，还还取取决决于于盖盖层层数数与与直直射射辐辐射射的的入入射射方方向向。。透过过率率与吸吸收收率率的的乘乘积积集热热器器的的透透过过吸吸收收率率乘乘积积有效效透透过过率率-吸收收率率乘乘积积2、平板型型太太阳阳能能集集热热器器的的热热损系系数数集热热器热热损系系数数：集集热热器器中中吸吸热热板板与与周周围围环环境境的的传热热系系数数集热热器器的的热热损损失失示示意意图图集热热器器的的总总热热损损失失量量QL由顶顶部部、、边边缘缘及及底底部部热热损损失失三三部部分分组组成成，，即即：：Qt、Qb、Qe—顶部部、底底部部、、侧侧面面散散热热损损失失，，WUt、Ub、Ue—顶部部、底底部部、、侧侧面面热热损损系系数数，，W/(m2·K)At、Ab、Ae—顶部部、、底底部部、、侧侧面面面面积积，，m2UL———集热热器器总总热损损系系数数，，W/(m2·K)（1）顶顶部部热热损损系系数数集热热器器的的顶顶部部散散热热损损失失，，是是由由对对流流和和辐辐射射两两种种换换热热方方式式引引起起的的，，既既包包括括吸吸热热板板与与透透明明盖盖板板之之间间的的对对流流和和辐辐射射换换热热，，又又包包括括透透明明盖盖板板与与周周围围环环境境的的对对流流和和辐辐射射换换热热克莱莱恩恩提提出出Ut经验验公公式式（2）底底部部热热损损系系数数集热热器器底底部部散散热热损损失失是是通通过过底底部部保保温温层层和和外外壳壳以以热热传传导导方方式式向向周周围围环环境境散散失失热热量量（3）边边缘缘热热损损系系数数集热热器器边边缘缘散散热热损损失失是是通通过过侧侧面面保保温温层层和和外外壳壳以以热热传传导导方方式式向向周周围围环环境境散散失失热热量量减少少集集热热器器热热损损失失的的途途径径：：（1）减减少少吸吸热热板板与与透透明明盖盖板板之之间间的的对对流流热热损损失失（2）减减少少吸吸热热板板与与透透明明盖盖板板之之间间的的辐辐射射热热损损失失（3）增增加加透透明明盖盖板板层层数数可可同同时时减减少少吸吸热热板板与与透透明明盖盖板板之之间间的的对对流流及及辐辐射射热热损损4.4透明明盖盖板板-集热热板板系系统统的的辐辐射射特特性性（1）透透明明盖盖板板的的有有效效透透过过率率和和有有效效反反射射率率(2)单层层透透明明盖盖板板-集热热板板系系统统的的辐辐射射特特性性J1和Jp分别别为为透透明明盖盖板板和和集集热热板板的的有有效效辐辐射射能能,可以以看看作作透透明明盖盖板板和和集集热热板板的的反反射射辐辐射射能能。。根据据右右图图，，有有以以下下公公式式4.4透明明盖盖板板-集热热板板系系统统的的辐辐射射特特性性整理理以以上上公公式式可可得得：：可得得：：在在单层层透明明盖盖板板-集热热板板系系统统中中，，集热热板板的有有效效吸吸收收率率同理理，，透明明盖盖板板的有效透过率率定义义为4.4透明盖板-集热板系统的的辐射特性同理可得，透透明盖板的有有效反射率：：注意：透明盖板本身身的有效通过率率和有效效反射率与与透明盖板-集热板系统的有效透过率率和有有效反射率，，是两个个不同概念的辐辐射特性值。4.4透明盖板-集热板系统的的辐射特性（3）两层或多层层透明盖板-吸热板系统的的辐射特性这种系统的辐辐射特性推算算的基本原理理与前述单层层系统是完全全一样的：对对于两层的系系统，将集热热板与其最靠靠近的一层透透明盖板合在一起作为为一个新的“集热板”。这样可以利利用前面的个个相关计算式式。对于多层层系统，可以以以此类推。。4.4透明盖板-集热板系统的的辐射特性（4）单层或多层透明盖盖板-吸热板系统的的透过率-吸收率乘积在太阳能平板集集热器设计中，经常用到到透明盖板-集热板系统的的辐射特性值值(τα)，这里的τ为透明盖板的的透过率，α为集热板的吸吸收率，均为为测量值为透明盖板系系统的漫反射射率，由于太太阳辐射在透透明盖板与集集热板之间往往复的反射和和吸收，可得得上面的公式4.4透明盖板-集热板系统的的辐射特性在计算太阳能能热系统的长长期性能时，，需要计算集集热器可能接受到的月平均透过率率-吸收率乘积通常有两种方方法：1.经验估值2.分析计算4.4透明盖板-集热板系统的的辐射特性4-5集热器效率方方程及效率曲曲线1、集热器效率率方程集热器效率定义：：在稳态（或或准稳态）条条件下，集热热器传热工质质在规定时段段内输出的能能量与规定的的集热器面积积和同一时段段内入射在集集热器上的太太阳辐照量的的乘积之比4-5集热器效率方方程及效率曲曲线1、集热器效率率方程2、集热器效率率曲线归一化温差T*：集热器工作温温度和环境温温度的差值与与太阳福照度度之比集热器工作温度：吸热板温度、、集热器平均均温度、集热热器进口温度度2、集热器效率率曲线4-6集热器热性能试验验与技术要求求一、平板型集集热器热性能能集热器的集热热效率是衡量其热性性能的主要指指标（1）集热器有功功功率的测定定（2）集热器效率率以吸热体面积积为参考以采光面积为为参考以总面积为参参考（3）瞬时效率曲曲线根据这些数据据点，用最小小二乘法拟合合，可得到集集热器瞬时效效率方程表达达式ηa——以采光面积为为参考的集热热器效率Tf,i*——以集热器进口口温度为参考考的归一化温温差η0a——以采光面积为为参考、Tf,i*=0的集热器效率Ua、a1a、a2a为常数二、平板型集集热器技术要求国家标准《平板型太阳能能集热器》GB/T6424—2007涉及到有关出出厂产品质量量检验和例行行试验方法与与检验规则等等可靠性试验验的内容。出厂检验指外外观检查和耐耐压试验。例行试验包括括热性能，空空晒、淋雨、、耐冻，强度度和刚度、涂涂层试验等内内容。三、测试标准准介绍现行的国家标标准有：全玻璃真空太太阳集热管，，GB/T17049-2005平板型型太阳阳能集集热器器，GB/T6424-2007玻璃-金属封封接式式热管管真空空太阳阳集热热管，，GB/T19775-2005太阳热热水系系统性性能评评定规规范，，GB/T20095-2006家用太太阳热热水系系统技技术条条件，，GB/T19141-2003真空管管型太太阳能能集热热器，，GB/T17581-2007太阳能能集热热器热热性能能试验验方法法，GB/T4271-2007家用太太阳热热水系系统热热性能能试验验方法法，GB/T18708-2002太阳热热水系系统设设计、、安装装及工工程验验收技技术规规范，，GB/T18713-2002民用建建筑太太阳能能热水水系统统应用用技术术规范范，GB50364-2005第五节节真真空空管太太阳能能集热热器一、全全玻璃璃真空空管集集热器器二、热热管真真空管管集热热器三、其其他形形式金金属吸吸热体体真空空管集集热管管四、金金属吸吸热体体真空空管集集热器器的特特点它是将将单根根真空空管装装配在在复合合抛物物面反反射镜镜的底底面，，兼有有平板板和固固定式式聚光光的特特点，，它能能吸收收太阳阳光的的直射射和80%的散射射真空管管集热热器真空管管式太太阳能能热水水器外外观图图就平板板型太太阳集集热器器而言言：传导热热损失失是由底底部和和侧面面隔热层层通过导导热换换热向向环境境散热热；对流热热损失失是由吸吸热板板与透透明盖盖板之之间的的空气通过对对流换换热向向环境境散失失；辐射热热损失失是由吸吸热板板与透透明盖盖板之之间以以及透透明盖盖板与与天空空之间间通过过辐射射换热热而向向环境境散热热。减少热热损失失的措措施—抽真空空将吸热热板与与透明明盖层层之间间的空空间抽抽成真真空，存在在两个困困难：1m2的透明明盖板板上将将有10000Kg左右的的压力力；气密性性达不不到要要求。。圆管形形状——真空集集热管管真空管管集热热器——若干只只真空空集热热管组组成真空平平板玻玻璃太太阳能能集热热器20世纪80年代初初期，，美籍籍华人人贝律律昆先先生送送给我我国几几只全全玻璃璃真空空集热热管样样品；；沈阳玻玻璃计计器厂厂首先先研制制成功功，并并代表表中国国参加加1982年美国国举办办的世世界能能源博博览会会；国内科科研单单位和和企业业对全全玻璃璃真空空集热热管的的选择择性涂涂层及及其生生产制制作工工艺进进行了了开发发，做做了重重大改改进并并逐步步实现现了产产业化化；目前产产销量量居世世界首首位。。真空管管太阳阳能集集热器器的分分类按吸热热体的的材料料种类类，真真空管管集热热器可可分为为两大大类：：全玻璃真空空管集热器器——吸热体由内内玻璃管组组成的真空空管集热器器金属吸热体体真空管集集热器——吸热体由金金属材料组组成的真空空管集热器器，有时也也称为金属属-玻璃结构真真空管集热热器。其中中最具代表表性的是热管式真空空管集热器器1、全玻璃真真空集热管管的基本结结构一全玻玻璃真空集集热器全玻璃真空空集热管结结构示意图图1—内玻璃管；；2—外玻璃管；；3—选择性吸收收涂层；4—真空；5—弹簧支架；；6—消气剂2、规格生产地内径/mm外径/mm壁厚/mm长度/mm美国￠42￠5121200，1800日本￠30￠381.51500澳大利亚￠22￠301.41400￠30￠381.41400中国￠37￠471.61200，1500，1800￠47￠581.81500，1800，21003、全玻璃真真空太阳集集热管制造造工艺（1）拉封对内玻璃管管一段拉圆圆头，罩玻玻璃管拉圆圆头并接排排气尾嘴；；（2）清洗对内玻璃管管和罩玻璃璃管表面清清洗、烘干干，保证玻玻璃管表面面清洁，便便于镀膜和和保证全玻玻璃真空太太阳集热管管真空夹层层的真空品品质；（3）镀膜采用磁控溅溅射镀膜工工艺和设备备，在内玻玻璃管外表表面制备选选择性太阳阳吸收涂层层，并将内内玻璃管装装配到带有有弹簧卡子子的罩玻璃璃管内；（4）环封对全玻璃真真空太阳集集热管开口口端内玻璃璃管和罩玻玻璃管进行行熔封，使使内玻璃管管和罩玻璃璃管之间能能够形成真真空夹层；；3、全玻璃真真空太阳集集热管制造造工艺（5）排气对全玻璃真真空太阳集集热管进行行高温烘烤烤，对真空空夹层进行行排气，确确保真空夹夹层具有良良好的真空空品质，对对点焊在弹弹簧卡子上上的吸气剂剂蒸散，在在全玻璃真真空太阳集集热管圆头头段形成吸吸气剂膜，，以维持真真空夹层的的真空度；；（6）检验对成品全玻玻璃真空太太阳集热管管质量和性性能检验，，确保全玻玻璃真空太太阳集热管管技术指标标符合GB17019-2005的要求，或或公司企业业标准的要要求；（7）装箱对合格品全全玻璃真空空太阳集热热管进行包包装、入库库。全玻璃真空空集热管生生产工艺内管的清洗洗—切割—封圆底—二次清洗—镀膜安装支撑架架及消气剂剂装入外玻璃璃管，封口口检漏—真空排气—检测4、全玻璃真真空管集热热器的基本本结构南北向放置置东西向放置置二、热管真真空管集热热器1、热管式真真空管结构构123845671-热管冷凝段段，2-金属封盖，，3-玻璃管，4-金属吸热板板，5-热管蒸发段段，6-弹簧支架，，7-蒸散型消气气剂，8-非蒸散型消消气剂热管式工质质热容小，，启动快，，干性连接接，易安装装热管单玻璃璃集热器是带有平板板镀膜肋片片的热管。。热管的蒸蒸发端封接接在单层真真空玻璃管管内，其冷冷凝端插入入导热块或或直接插入入水箱里，，冷凝端将将所获得的的热能传给给水箱中的的水。热管单玻璃璃集热器结结构示意图图热管双玻璃璃真空集热热器是由清华大大学索兰环环能技术研研究所研制制的。该集集热管的蒸蒸发端以紧紧配合方式式插入双玻玻璃真空集集热管内的的弹性金属属肋片中，，冷凝端通通过硅胶圈圈插入水箱箱中。热管双玻璃璃集热器结结构示意图图2、重力热管管工作原理理1—工质液池；；2—蒸发段；3—蒸汽流；4—水箱内座；；5—冷凝段；6—回流液热管式真空空管集热器器工作原理理冷凝和蒸蒸发进行行热量的的传递蒸发段——吸收热量量冷凝段——释放热量量介质的流流动循环环铜-水热管、、碳钢-水热管、、铝-丙酮热管管、碳钢钢-萘热管、、不锈钢钢-钠3、热管的的传输能能力极限限音速限：：指从蒸发发段向冷冷凝端输输送的蒸蒸汽量大大到热管管内的蒸蒸汽速度度达到“音速”。携带限：：指当到达达上述音音速后，，若蒸发发段温度度继续升升高，蒸蒸汽的速速度高到到把从冷冷凝端回回流的液液体剪切切成液滴滴，并又又带回到到冷凝端端，这时时一方面面造成热热管冷凝凝端受撞撞击，另另一方面面造成蒸蒸发段过过热甚至至烧毁。。4、热管的的工作介介质及壳壳体材料料（1）管壳材材料的选选择（2）工作介介质的选选择5、热管元元件的设设计步骤骤（1）热管的的充液量量（2）确定工工作条件件（3）选择工工质及壳壳体材料料（4）选择壳壳体的直直径、厚厚度、长长度，并并进行强强度校核核（5）传输极极限的校校核三其其他形式式金属吸吸热体真真空管集集热管1、同心套管管式真空空集热管管2、U型管式真真空集热热管3、内聚光光式真空空集热管管4、直通式式真空集集热管5、储热式式真空集集热管不同类型型金属吸吸热体真真空管集集热器1、同心套套管式真真空集热热管同心套管管式真空空集热管管示意图图1—同心套管管；2—吸热板；；3—玻璃管太阳光穿穿过玻璃璃管，投投射在吸吸热板上上，吸热热板吸收收太阳辐辐射能并并将其转转换为热热能，传传热介质质（通常常是水））从内管管进入真真空管，，被吸热热板加热热后，通通过外管管流出。2、U型管式真真空集热热管主要由U型管、金金属吸热热板、玻玻璃管等等组成。工作原理理类似于于同心套套管。U形管式真真空集热热管示意意图1—U形管；2—吸热板；；3—玻璃管3、内聚光光式真空空集热管管内聚光真真空集热热管示意意图1—吸热体；；2—复合抛物物聚光镜镜；3—玻璃管主要由吸吸热体、、复合抛抛物聚光光镜（CPC）、玻璃璃管等组组成。吸热体通通常是热热管平行行的太阳阳光无论论从什么么方向穿穿过玻璃璃管，都都会被CPC反射到位位于其焦焦线处的的吸热体体上。4、直通式式真空集集热管直通式真真空集热热管示意意图1——吸热管；；2——玻璃管直通式通通常跟抛抛物柱面面聚光镜镜配套使使用，组组成聚光光型太阳阳集热器器。特点：运行温度度高，抛抛物面聚聚光镜的的开口可可以做得得很大，，使得集集热器的的聚光比比很高，，温度可可高达300～400℃℃；比较易于于组装。。5、储热式式真空集集热管储热式真真空集热热管示意意图1——吸热管；；2——内插管；；3——玻璃管主要由吸吸热管、、内插管管、玻璃璃管等几几部分组组成，吸吸热管内内储存水水，外表表面有选选择性吸吸收涂层层。白天天，太阳阳辐射能能被吸热热管转换换为热能能，直接接用于加加热吸热热管内的的水，使使用时，，冷水通通过内插插管渐渐渐注入，，同时将将热水从从吸热管管顶出；；晚上，，由于真真空夹层层隔热，，吸热管管内的热热水降温温很慢四、金属属吸热体体真空管管集热器器的特点点运行温度度高。所所有集热热器的运运行温度度可达70～120℃℃，有的集集热器甚甚至可达达300～400℃℃；承压能力力强。所所有真空空集热管管及其系系统都能能承受自自来水或或循环泵泵的压力力，多数数集热器器还可用用于产生生106Pa以上的热水甚甚至高压蒸汽汽；耐热冲击能好好（抗热震性性能）。承受受急剧的冷热热变化。平板集热器和真空管集热器对比国外应用现状状平板集热器85%~90%耐压系统防冻——双回路二次循循环国内应用现状状真空管集热器器85%多为常压系统统防冻-放空我国以简单、、实用、价廉廉为主真空管集热器器高速发展现现状与原因1982参加美国世界界能源博览会会1995年南京太阳能能热利用行业业会议“生产上规模、、技术上水平平、产品上档档次、市场要要规范”的行业发展展方针企业家意识到到发展可再生生能源环保产产业的民族责责任感，他们们遵照市场经经营规律，在在短短的几年年中就形成了了一批大型骨干企业业，分布在北京京、河北、山山东、江苏等等地区，其主主导产品是真真空管集热器器。在此期间，平平板集热器由由于防冻抗冻还未能妥善解解决，而发展展较迟缓。为了使绿色新新能源走向千千家万户一方面进入了了产品的科普宣传活动动，如质量万里里行活动。另一方面在全全国各省、地地、市、县设设立了各企业业的销售中心经过短短的几几年努力，基基本形成了全全国太阳能销售、安装、、服务体系平板太阳能集集热器技术发发展的现状与与问题上世纪70年代开始生产产钢管捆扎平平板集热器夏季使用为主主兼顾春秋，，冬季就停水水不用为研制防冻抗抗冻的高性能能平板集热器器，业内人士士主要对吸热热板焊接技术术、盖板、优优质选择性涂涂层、保温和和外壳等进行行了大量的研研发工作平板集热器技技术均有很大大进展存在的问题：：虽然有一批批多年坚持生生产平板集热热器的企业，，毕竟太少，，还未完成专专业化、标准准化、和社会会化的大规模模生产格局1、集热器集热热效率曲线如要求热水温温度不高——平板型集热器器要求热水温度度超过60摄氏度——真空管集热器器真空管-中高温应用两种集热器的的特点分析2、接受阳光的的有效面积太阳集热器通通过有效采光光面积获得能能量同样大的轮廓廓下，有效面面积越大，获获得能量越多多3、有效存水量量4、承压性能平板金属之间的连连接，满足承承压要求真空管真空管与水箱箱采用硅橡胶胶密封圈进行行链接，一一般难以满足足承压要求5、结垢以及固固体悬浮颗粒粒物排除平板集热器颗粒悬浮物随随水流进入储储水箱一般工作温度度低于60℃真空管集热器器：横排集热器——随水流进入储储水箱竖排集热器——沉积在管子底底端水质较差地区区3-4年填满半根集集热管造成堵塞，影影响管子吸热热性能6、使用寿命及及维修平板集热器寿命与建筑同同步，15、20年无问题接点少，几乎乎无泄露真空集热器普通玻璃——热胀冷缩或外外力破坏，维维修频繁钢化玻璃——价格贵，不易易坏，稳定性性好。不可避免存在在泄露问题，，尤其是大型型工程要求：1.热水器的结构构尺寸，包括括颜色应与建建筑相协调，，不应破坏建建筑的整体美美观。2.热水器的循环环管路和电控控制线路的安安装和布置应应与建筑室内内给排水、电电路安装技术术要求相一致致。3.满足热水器与与建筑结合后后的安全要求求，包括建筑筑结构不受损损坏，符合建建筑承重要求求，能满足抗抗风、防雷、、防冻抗冻、、电气、防渗渗漏等技术要要求。4.产品和零件的的使用寿命应应与建筑相匹匹配，若做不不到，也应考考虑维护和更更换的方便。。7、与建筑的结结合封闭的扁平金金属盒体极易形成建筑筑构建的一部部分，南墙、、阳台、屋面面结构强度易于于结合为一体体。7、与建筑的结结合8、关键影响因因素——造价造价：金属真空管集集热器>平板集热器>全玻璃真空管管集热器对于普通太阳能热热水器：玻璃真空管集集热器便宜对于阳台式太阳能能热水器以及及承压装置：平板集热器便便宜空气太阳能集集热器用空气作为传传热介质的太太阳能集热器器主要应用：太太阳能干燥和和太阳能采暖暖优点无结冰的危险险、无腐蚀微小渗漏不影影响工作和性性能压力小直接利用，无无二次换热缺点热导率小，水水的1/20，效率低输送空气，需需要消耗较大大的能量/v/b/74867009-1623562771.html太阳能集热器器项目展示第一节太阳能热利用用中的传热学学基础一、热量传递递的基本方式式二、太阳辐射射的吸收、反反射和透射一、热量传递递的基本方式式传热学研究物体之间间或物体内部部因存在温差差而发生热能能传递的规律律。“物体””包括固体、、液体和气体体，在自然界界，哪里有温温差，哪里就就会发生传热热过程热能的传递三三种实现方式式：传导、对流、辐射热传导的定义义热传导是依靠靠物质质点的的直接接触来来传递能量导热特点各种物质的导导热机理气体和液体：分子或原子子的相互作用用或碰撞介电物质：晶体点阵或或者晶格振动动。其能量是是量子化的，，称之为声子子，其热传导导可看成是声声子的相互作作用和碰撞金属晶体：主要是电子子的相互作用用和碰撞，声声子贡献小。。导热基本定律律固体金属导热热系数一般在在十几至几百百Ｗ/mＫ，与导电性性能一样，随随温度的增加加而缓慢减小小；其它固体导热热系数一般比比金属小一两两个数量级（（石墨、金刚刚石除外）；；液体导热系数数一般小于１１Ｗ/mＫ，除水和甘甘油等，绝大大多数随温度度升高而减小小；大多数气体导导热系数都小小于0.1Ｗ/mＫ，一般随温温度升高而增增大。对流定义对流传热基本本特点对流换热的基基本定律表面传热系数数辐射换热定义义电磁波谱辐射换热基本本特点二、太阳辐射射的吸收、反反射和透射不同的的表面面对辐辐射的的波长长有选选择性性，黑黑色表表面对对各种种波长长的辐辐射几几乎都都是全全部吸吸收，，而白白色表表面可可以反反射几几乎90％的可可见光光。物体的的表面面越粗粗糙、、颜色色越深深，吸吸收率率就越越高，，反射射率越越低。。反射吸收非透明明物体体吸收收太阳阳热太阳辐辐射在在玻璃璃中传传递过过程将具有有低发发射率率、高高红外外反射射率的的金属属（铝铝、铜铜、银银、锡锡等）），使使用真真空沉沉积技技术，，在玻玻璃表表面沉沉积一一层极极薄的的金属属涂层层，这这样就就制成成了Low-e(Low-emissivity)玻璃。。对太太阳辐辐射有有高透透和低低透不不同性性能。低透low-e玻璃建筑物物的热热量传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传热红红外热热像图图太阳能能工程程中的的表面面技术术选择性性吸收收涂层层材料料减反射射膜绒面技技术1、选择择性吸吸收涂涂层材材料光谱选选择性性表面面：根据基基尔霍霍夫定定律，，物体体的吸吸收率率：物体对对太阳阳辐射射的吸吸收率率：为太阳阳辐射射的单单色辐辐射力力希望集集热器器的吸吸收面面对太太阳辐辐射有有尽可能能高的的吸收率率而对红红外辐辐射具具有尽可能能低的的辐射射率1、选择择性吸吸收涂涂层材材料由普朗朗克黑黑体辐辐射定定律：高温温黑体体辐射射的光光谱能能量分分布曲线总总是位位于低低温黑黑体辐辐射的的光谱谱能量量分布布曲线线之上上。问题：假设设物体体在短短波区区有很很高的的吸收收率，，在长长波区区有很低的的辐射射率，，这样样长波波区吸吸收率率也会会低，，根据据上面面的前提，，导致吸吸收太太阳辐辐射减减少。1、选择择性吸吸收涂涂层材材料从太阳阳光谱谱能量量分布布曲线线看出出，在在太阳阳辐射射穿越地地球大气层时时，受受到严重重衰衰减减，长长波波区区域域的的能能量量已已经经很很低低，，所所以地地面面上上的的太太阳阳辐辐射射的的光光谱谱能能量量分分布布曲曲线线和和500K以下下的的黑体体辐辐射射的的光光谱谱能能量量分分布布曲曲线线已已完全全错错位位，，分分布布在在不不同同的光光谱谱区区域域范范围围内内。。1、选选择择性性吸吸收收涂涂层层材材料料所以以，，不存存在在上上面面的的问问题题，也也因因此此可可能能实实现现通通称称的的光光谱谱选择择性性表表面面，，就就是是在在不不同同的的光光谱谱区区域域内内实实现现不不同同的的辐辐射射换热热特特性性（（短短波波高高吸吸收收，，长长波波低低辐辐射射））。。这种种特特性性按按光光谱谱分分区区，，故故称称为为光光谱谱选选择择性性。1、选选择择性性吸吸收收涂涂层层材材料料理想光光谱选选择性性吸收收表面面特性性1、选择择性吸吸收涂涂层材材料但是，，这种种理想想的光光谱选选择性性表面面在实实际中中并不不存在在，因此需需要采采用各各种表表面技技术，，对吸吸收面面进行行处理理，以以得到各各种光光谱选选择性性涂层层或膜膜，比比如B-2隐形轰轰炸机机表面的的涂层层，可可以躲躲过红外探探测器器。1、选择择性吸吸收涂涂层材材料光谱选选择型型表面面的分分类：：1.光谱选选择性性吸收收表面面2.光谱选选择性性透过过表面面1、选择择性吸吸收涂涂层材材料光谱选选择性性吸收收表面面分为为两种种：1.吸收-反射组组合型型在辐射射率低低的金金属表表面涂涂着一一层对对太阳阳辐射射吸收收率很很高，，而长波波热辐辐射透透过率率也很很高的的涂层层，吸吸收指指涂层层对太太阳辐辐射的吸吸收，，反射射指金金属集集体表表面对对长波波热辐辐射的的反射射。2.反射-吸收组组合型型自然界界有一一种材材料，，对长长波热热辐射射有很很高的的反射射率。。这种种特殊辐辐射性性能的的0.2~1μm的涂层层称为为热镜。。将热镜镜和黑黑色基