可持续能源前景论文
题目：太阳能集热器及性能
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太阳能集热器及性能
摘要：
太阳能集热器是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。太阳能集热器可以有多种分类方式, 例如, 按传热工质的类型可以分为液体集热器和空气集热器; 按进入采光口的太阳辐射是否改变方向可以分为聚光型集热器和非聚光型集热器; 按集热器是否跟踪太阳可以分为跟踪集热器和非跟踪集热器; 按集热器内是否有真空空间可以分为平板型集热器和真空管集热器; 按集热器的工作温度范围可以分为低温集热器(工作温度在100 ℃以下) 、中温集热器(工作温度在100～200 ℃)和高温集热器(工作温度在200 ℃以上), 等等。 而目前最常用的分类方式是将其分为平板型集热器和真空管集热器。 关键字：太阳能、集热器、热水系统
1太阳能集热器的现状
能源是人类社会发展的重要基础资源。人类目前正在大规模使用的石油、天然气、煤炭等化石资源是非再生能源，它们在地球地质年代形成，在人类可预期的时间内不能再生。就目前已探明的储量而言，势必有枯竭之日。据资料介绍，以目前储量计算，全世界石油还可以开采40.6年，天然气还可以开采65.1年，煤炭还可以开采155年。因此，节约能源，善用能源，提高能源利用率及单位能源产生的综合经济效益，是目前在能源消耗过程中必须解决的现实问题。
我国是一个能源总量比较丰富的国家，能源生产总量居世界第二位，但人均能源储量远远低于世界平均水平，整体的能源使用效率相对于发达国家严重偏低，只相当于节能水平最高国家的50%左右。面对这个现实，节约能源不仅是一件十分迫切的任务，而且是一项大有作为的事业。据有关资料介绍，如果采取有效的节能措施，提高能源的有效利用率20%，节能的能源数量将达到目前已知的天然气储量。
鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限, 以及正处于工业化进程中等情况, 应特别注意依靠科技进步和政策引导, 提高能源效率, 寻求能源的清洁化利用, 积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。
现在，我们正面临能源枯竭的危机，不得不重审自己的所作所为。节能和开发新能源这种措施的提出说明人们的意识已经觉醒。为了发展需要，我们必须开发新能源，又为了争得时间，就必须采取节能措施。
新能源是一个很笼统的说法，新能源的种类包括核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，还会有陆续的新能源被发现，不同专业对应不同的种类，像太阳能的一种，
太阳能集热器就是我所研究的方向。
太阳能热利用具有广阔的应用领域, 但最终可归纳为太阳能热发电(能源产出) 和建筑用能(终端直接用能), 包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。此外, 在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。
目前太阳能低温热利用所使用的集热器主要有平板集热器、真空管集热器和无盖板塑料集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。
平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。
根据IEA 报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。
如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87%，平板型集热器只占12% 。
国内太阳能市场与世界太阳能市场主流出现如此反差有很多原因。随着太阳能在住宅建筑中的扩大应用，和适应太阳能与建筑结合要求，业界近年来对平板型集热器给予高度关注，充分认识到其固有的优势。很多企业和研究结构积极开展高效平板集热器的研究和产业化，促进平板型集热器从受冷遇迈向新的发展。
太阳能热利用是太阳能利用的主要方式, 在包括太阳能热水供应、太阳能供热、太阳能空调等系统在内的所有太阳能利用系统中, 太阳能集热器是必不可少的组成部件, 其性能和成本对整个系统运行的成败起着至关重要的作用, 太阳能集热器的合理选择对太阳能热利用系统高效、经济的运行具有重要的意义。
2 常见的太阳能集热器及性能
2.1 平板型太阳能集热器
平板型太阳能集热器一般由透明盖板、吸热板、保温层和外壳4 部分组成。平板集热器的主要热损失是吸热板和透明盖板之间的空间存在空气对流换热损失, 在冬季, 环境温度较低, 平板集热器的热损失很大, 还面临集热管破裂、冻结等问题。所以, 在寒冷地区, 平板集热器不能全年运行, 从而使平板集热器的应用范围受到了许多限制。
平板型太阳集热器和其他太阳集热器相比具有如下优点:①适合与建筑相结合;②适合承压系统;③单位集热面积大, 得热量高, 全年同等单位面积产水量要高于其他类型太阳能集热器;④后期维修维护费用少。平板型集热器在高温时热效率高, 低温时热效率较低, 具有承压高、热传递性能好等优点, 目前的应用主要集中在华南和云南地区. 从市场的角度来看, 受技术成熟度、价格等因素的影响, 在国内市场的占有率不足20 %,相比之下, 平板热水器在国外市场的占有率可达85 %左右。
随着太阳能与建筑一体化的实施, 目前国内已有多个城市要求新建12 层及以下住宅必须应用太阳能热水系统, 由于平板集热器兼具屋面和集热双重功能, 解决了普通真空管热水器由于必须放置在屋顶而带来的屋顶面积达不到配比量的问题, 为平板集热器的推广应用提供了有利的条件。
2.2 真空管型太阳能集热器 2.2.1 全玻璃真空管集热器
全玻璃真空管太阳能集热器是由多根全玻璃真空太阳能集热管插入联箱组成, 由于真空管采用真空保温, 进入玻璃管内的热能不易散失, 因此, 散热损失比平板集热器显著减小, 在60 ℃以上的工作温度下, 仍具有较高的热效率; 在寒冷的冬季, 仍能集热, 并有较高的热效率. 由于真空管太阳能集热器具有保温性能好、低温热效率高、成本低等优点, 适合在北方地区使用, 在家庭太阳能热水器上被广泛采用, 国内市场的占有率约80 %。 2.2.2 热管式真空管集热器
热管式真空管集热器是玻璃—金属封接的真空集热管的一种, 由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖等组成。
热管式真空管的优点主要来源于热管的独特传热方式, 它具有热性能好、热效率高、工作温度高等优点, 系统承压能力强、热容小、系统启动快, 抗严寒能力强, 可在北方地区全年使用。
2.2.3 CPC 热管式真空管集热器
上述三种集热器都是非聚光型集热器, 其共同的特点是直接采集自然阳光, 集热面积等于散热面积, 所以理论运行温度不可能太高。聚光集热器则可以通过聚集技术, 提高入射阳光的能量密度, 使之聚焦在较小的集热面上, 结合对集热面的处理以降低热损失, 提高集热温度和集热效率, 进而提高太阳能利用系统的总效率。
聚光集热器的种类和型式较多, 比较典型的有槽形抛物面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器(CPC)等, 其中又以复合抛物面聚光集热器最为典型,CPC 复合抛物聚光技术与热管式真空管相结合, 构成了CPC 热管式真空管集热器。这种集热器兼具聚光集热器和热管式真空管集热器共同的优点, 特别适用于有限空间条件下的使用以及高温介质的获取。 2.3 太阳能集热器的性能
集热器是太阳能热水器的核心部分, 为了大致了解集热器的性能, 我们可以采用一种简便的方法, 对它进行一些粗略的估算。 2.3.1 集热器的性能方程式
集热器的总光热性能, 通常可用集热器在某种运行工况下的总光热效率η来表示, 它定义为集热器收集到的有用热量与太阳入射热量之比。即η=收集的有用热量/太阳入射的热量。
以上定义的光热总效率η, 实质上是由两部分组成:1 )光效率;2) 热效率。对于某个具体的集热器, 光效率基本上是个恒定值, 而热效率则与其他很多运行因素有关。它可以通过如下性能方程式来表示:
η=A-BX
其中,A 为集热器的光学性能系数, 决定于玻璃的透过率τ, 涂层吸收率α, 以及入射阳光对倾斜面的修正系数ζ; B为集热器的热损失系数;X 为决定于集热器工作状态和环境条件的运行因子。 2.3. 2 性能系数的确定
确定不同集热器的结构, 式(1)中的光学性能系数A 可以分别采用下列公式计算: 对单层玻璃盖板平板集热器: A = ζτα。
对双层玻璃盖板平板集热器和真空管集热器: A =ζτ2α。
可以看到, 性能系数A 主要取决于集热器各部件所使用的材料。国产玻璃的透过率和选择性吸收涂层的吸收率如表2-1所示。
表2-1 国产玻璃的骰过率和选择性图层的吸收率 mm
集热器的热损失系数B, 主要取决于集热器的结构和各部件, 比较难以精确计算, 可以采用表2-2 所列的数值进行估算。
运行因子X 定义为X = (Tw - Ta ) /I,其中,Tw 为集热器工质的人口温度,℃;Ta为环境温度, ℃;I为太阳辐射量, 对平板集热器和真空管集热器, 采用集热器倾斜面上的太阳总辐射的数值, 可根据所要估算的具体运行情况进行计算。
表2-2 不同集热器的B 值
3. 集热器选择设计
考虑到集热面积较大，故采用SLU-1500/16型集热器，集热效率高。
3.1集热器的方向
太阳能集热器的最佳布置方位是朝向正南，根据本设计建筑实际情况，也采用正南方向布置。
3.2集热器的安装方位与倾角
全年使用的太阳能热水系统，集热器的安装倾角应等于当地纬度。为保证系统冬季的使用效果，本设计采用 安装倾角=当地纬度+10°。安装倾角误差一般不超过±3°。 3.3集热器前后排间距
由于地球绕太阳公转，本身又在不停地自转，且地球绕太阳的轨道式椭圆形的，因
此太阳相对地球的方位始终都在变化的，为保证太阳对集热器的辐射量，在集热器平行安装中，要在它们之间留下一定的空间，因此我们需要计算前后排之间的距离。
根据国家标准 Smax=Hcoths=cot（66.5−φ） （4-1） Smin=Hcoths=cot（90−φ） （4-2） φ当地纬度32°03′，计算得最大1.6H ，最小0.7H 。 3.4集热器组连接设计
集热器组的连接方式有三种。
①串联 一台集热器的出口与另一台集热器的入口相连。
②并联 一台集热器的出、入口分别与另一台集热器的出、如口相连。
③混联 若干集热器并联，各并联集热器组之间再串联，成为并串联；或若干集热器串联，各串联集热器组之间再并联，称为串并联。自然循环系统，因热虹吸压头较小，所以一般都采用阻力较小的集热器组并联方式。为防止流量分配不均，一般一组集热器面积不超过30m2。强制循环式太阳能热水系统，因采用水泵进行循环，压头较大，可
根据系统布置，灵活采用串并联或并串联的连接方式。
3.5集热器基础
为防止大风天气集热器损坏，集热器要固定在地面上，为了防止破坏防水层，要在屋顶制作水泥基础。 水泥基础的制作是通过加长的膨胀螺栓和结构层相连的基础施工方法，先在屋面上要安装基础的位置上打孔，该孔一定要穿透各种防护层并直接和结构层连通，清理出钻孔内的杂质后，往钻孔内灌入密封膏，同时插入加长膨胀螺栓，拧紧膨胀螺栓。把出屋
面的膨胀螺栓做支撑钢筋加以圈钢筋后浇筑混凝土基础；混凝土标号不应该低于C20。
在设计水箱形状时要考虑安装位置和检修通道的问题，水箱的入孔应设计在便于维修人员进出的位置；支架和保护材料应具有良好的强度和耐腐蚀性，内胆材料也应有良好的耐腐蚀性，不得含有妨害人身健康的重金属和各种有害物质；目前常用的水箱内胆材质有不锈钢，碳钢搪瓷和碳钢衬塑等形式，又以不锈钢(Q235A)内胆应用最广。
为了在阴、雨、雪天气，没有太阳辐照时，要在安装辅助能源系统提供制造热水所需的能量，因此辅助能源的总量必须大于太阳能热水系统的总能两需求。对于连续供水系统，如果使用电能，还要考虑是否实施峰谷电价，若实施了峰谷电价，就要考虑适当增加辅助能源功率，以便最大限度利用低谷电来降低成本。目前常见的辅助能源加热形式有：内置式电加热器，电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和燃煤锅炉。除内置电加热器外，其他辅助热源都要另外提供场地，对场地要求也比较严格，不适于安装在宿舍楼，故本设计选择内置电加热器。
水箱同样需要制作混凝土基础，制作方法同集热器基础制作。
参考文献
[1] 霍志臣, 罗振涛. 平板太阳能热水器发展概况[J]. 新能源市场, 2006, 10: 5-8 [2] 旷玉辉, 王如竹. 太阳能热利用技术在我国建筑节能中的应用与展望[J]. 制冷与空调, 200l, l (4): 27-34.
[3] 范海燕, 迟炳章. 太阳能集热器及其适用性浅析[J]. 青岛理工大学学报, 2009, 30(3): 118-120.
[4]许雪松, 朱跃钊. CPC 型热管式真空管集热器的热性能研究[J].