第13章 太阳能集热器

第2章太阳能集热器太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置，是太阳能热利用系统的核心设备。太阳能集热器可以按多种方法进行分类。按照传热工质的类型，可以分为液体集热器和空气集热器；按照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；按照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；按照集热器的工作温度范围，可以分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。第1节平板型集热器平板型集热器一般在100℃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。多用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。一、集热器的结构一般来说，平板型集热器由下列5个部件组成。(1)吸热体吸收太阳能并转换成热能传递给工质。(2)盖层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。(3)保温层减少吸热体不直接吸收太阳辐射部分的热损。(4)工质及流动通道使工质能与吸热体发生热接触。集热器的工质为流体(液体或气体)。(5)支架及框架将集热器的各个部分连接成一个整体并支撑其重力。液体集热器用水或者水-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。气体集热器以空气为工质。大多数液体集热器都采用管-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体，有时也采用波纹金属板作为吸热体。气体集热器则利用吸热体与盖层之间的通道或吸热体背后的通道，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、肋片和波纹状吸热体以及多孔吸热体等。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。在低纬度处，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。所有盖层都必须对太阳辐射具有高透射率，而对于热辐射则具有低透射率。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、地点以及设计而定。二、光学特性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，同时对于工作温度下的低温长波辐射的发射率较低。黑体可以吸收所有波长的辐射，吸收率最大，α=1。根据基尔霍夫定律，黑体也具有最大的发射率ελ。吸热体对辐射的吸收和发射依赖于波长。利用这一点，可以对吸热体表面覆盖选择性涂层。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。有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ε/α都很高，如黑镍、黑锌、黑铬等。利用选择性涂层，平板型集热器具有较好的性能，但是也有两个缺点：(1)选择性涂层对高温和气候条件比较敏感；(2)成本较高。对于不透明的吸收表面，有α+ρ=1，其中ρ为反射率。所以有：α=1—ρ。在短波区域，反射率ρ很小，即α很大；而在长波区域，ρ很大，即α很小，或者ε很小。吸热体上面的盖板应该具有很高的短波辐射透射率(τ)和较低的长波辐射透射率。根据公式α+ρ+τ=1，可知高透射率就要求具有低的吸收率和反射率。盖板对辐射的吸收，不论是在短波区域还是在长波区域都要比较小。玻璃在可见光区域透射率约为97%，在红外区的吸收率约为94%。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。通过喷涂在红外区域透明的涂层(如氧化铟(In2O3)，氧化锌(ZnO2))，可以大大减少红外辐射热损失。与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，成本也比较高。低温集热器可以有不同的设计，但主要的标准就是能够向工质有效传热。三、平板型集热器的能量分析1、平板型集热器的能量平衡平板型集热器吸热体的能量平衡方程如下：其中，QA为吸热体接收的太阳辐射；Qu为工质获得的有效热；QL为吸热体的热损失。热损失可以表示为其中，Qk为吸热体的传导热损失，W；Qc为吸热体的对流热损失，W；Qr为吸热体向外的长波辐射热损失，W。在实际工程中，热损失常用下式表示：其中，Qb为集热器背面热损失，W；Qs为集热器侧面热损失，W；Qf为集热器正面热损失，W。2、能量损失分析平板型集热器的热损失QL可以表示为其中：T为吸热体温度，K；T∞为环境温度，K；Ac为集热器面积，m2；UL为总热损系数，W/(m2·K)，为正面热损、背面热损、侧面热损之和，即(1)背面热损背面热损主要包括传导热损和对流热损。典型的平板型集热器在吸热体的背面装有保温层，其热导率为k，厚度为t。利用热阻的概念，可以得背面的热阻Rb为其中，Ri和Rc分别表示保温层热阻和对流热阻；hb为对流传热系数。集热器通过背面的热损速率为式中，Ab表示背面的面积，Tb,∞为背面的气温。上式与前式比较，可得其中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，t/k常远大于1/hb，故背面热损系数简化为对常用的平板型集热器，Ab=Ac，且Tb,∞=T∞，此时背面热损系数即简化为k/t。(2)侧面热损侧面热损主要由热传导和对流造成。平板型集热器的侧面通常由框架与保温层构成。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较保守的估计，可以假定框架内部的温度处于最高可能的温度(即吸热体温度T)，这样传热就变为一维的。侧面热阻Rs为其中，tm和km分别为框架的厚度和热导率；hs为侧面的对流传热系数。集热器通过侧面的热损速率为式中，As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。与式比较，可得其中由于通常框架是由薄金属制成的，即tm很小，且t/k远大于1/hs，如果Ts,∞=T∞，则侧面热损系数可以简化为(3)正面热损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。传导通过盖层发生，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间发生。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：Rc,1∞：风力造成的对流热阻；Rr,1∞：外层盖板与天空之间的辐射热阻；R12：外层盖板的传导热阻；Rc,23：在两层盖板之间空气缝隙内的热阻；Rr,23：两层盖板之间的辐射热阻；R34：内层盖板的传导热阻；Rc,45：内层盖板与吸热体之间空气缝隙内的热阻；Rr,45：内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。正面热损系数Uf即为Req的倒数，且通过集热器正面的热损速率为整个正面热回路的净有效热阻Req为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。例如，内盖层外表面的温度即为综上所述，求解Uf的步骤为：(1)预估T1，T2，T3和T4的值；(2)根据估计值求出所有热阻；(3)利用热阻求得正面热损系数Uf；(4)利用Uf计算Qf；(5)根据热回路图重新计算T1，T2，T3和T4的值；(6)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。四、集热器的效率集热器获得的太阳辐射为其中，Ig为太阳辐射强度，W/m2；τ为总透射率；α为吸热体的吸收率；Ac为集热器面积，m2。因此其中，UL为吸热体的总热损系数，W/(m2·K)；T为吸热体温度，K；T∞为环境温度，K。由上面两式可以得到热损失可以表示为单位集热器吸热体面积得到的有效能量就是集热器的热效率定义为其中，η0=ατ，为吸收率与透射率的乘积，通常称为光学效率或转换系数。1、光学效率计算计算光学效率，首先要确定盖板的总透射率。(1)确定反射系数通常，反射率ρ和透射率τ可以用下式表示：其中，下标b和s分别表示直射辐射和散射辐射，下标R和e分别代表入射辐射的反射和透射部分。盖板内的辐射实际上是经过了多次反射。利用菲涅尔(Fresnel)公式，反射率可以表示为其中，θ1和θ2分别为入射角和折射角。根据光的折射定律，有其中，n1，n2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。将上式带入前式，可得(2)只考虑反射现象的透射率计算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，则总辐射中穿过玻璃盖板的透射率τr计算如下。经过1次，2次，3次，⋯，n次，⋯反射，各次透过玻璃盖板的辐射量可以表示为总的透过辐射是故类似地，可以得到N层盖板的透射率：(3)只考虑吸收现象的透射率计算玻璃的入射辐射中，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。与一般传输定律类似，有式中，τA为仅考虑吸收情况下玻璃盖板的透射率；K为吸收系数，1/m；m为光程，m。如果入射光的入射角为θ1，折射角为θ2，封盖为N层，每层的厚度为t并且具有相同的吸收率，则(4)总透射率N层盖板的系统的总透射率是τr，N和τA，N的乘积，即或者其中，θ2=arcsin(n12sinθ1)。(5)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：2、其他形式的效率方程由于吸热板温度不容易测定，而集热器工质的进口温度Ti和出口温度Te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Tm来表示：式中，F'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平均温度时输出的能量之比；T∞是环境温度。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，所以集热器效率方程也可以用集热器进口温度Ti来表示：式中，FR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质进口温度时输出的能量之比。集热器热转移因子与集热器效率因子之间的关系为式中，F为集热器流动因子。由于F1，所以FRF'1。3、集热器效率曲线将集热器效率方程在直角坐标系中以图形表示，得到的曲线称为集热器效率曲线，或集热器瞬时效率曲线。在直角坐标系中，纵坐标表示集热器效率，横坐标表示集热器工作温度和环境温度的差值与太阳辐照度之比，有时也称为归一化温度。假定UL为常数，则集热器效率曲线为一条直线。效率方程从图中可以得到如下几点规律。(1)集热器效率不是常数而是变数集热器效率与集热器工作温度、环境温度和太阳辐照度都有关系。集热器工作温度越低或者环境温度越高，则集热器效率越高；反之，则集热器效率越低。同一台集热器在夏天具有较高的效率，而在冬天具有较低的效率。在满足要求的前提下，应尽量降低集热器的工作温度，以获得较高的效率。(2)效率曲线在y轴上的截距值表示集热器可获得的最大效率图中(a)、(b)、(c)中，最高效率分别为FRτα，F'τα，τα。由于1F'FR，所以ταF'ταFRτα。(3)效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大小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。(4)效率曲线在x轴上的交点值表示集热器可以达到的最高温度当集热器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，也称为滞止温度或闷晒温度，该温度为第2节真空管集热器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间抽成真空的真空管集热器。由于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。将集热器的基本单元——集热管抽成真空则是可以实现的。一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，其内部的吸热体可以是圆管状、平板状或其他形状。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，实际上主要是真空集热管的分类。按吸热体的材料种类，真空管集热器可分为两大类。(1)全玻璃真空管集热器，是吸热体由内玻璃管组成的真空管集热器。(2)金属吸热体真空管集热器，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-玻璃真空管集热器，其中最具有代表性的是热管式真空管集热