1、平板集热器与真空管集热器的性能比较1XINYU UNIVERSITY毕业设计（论文）（ 2013 届）题 目 平板集热器与真空管集热器的性能比较 二级学院 新能源学院 专 业 光热技术及应用 班 级 光热技术及应用一班 学 号 1003040128 学生姓名 骆 阳 春 指导教师 阮 仔 龙 平板集热器与真空管集热器的性能比较2平板集热器与真空管集热器的性能比较摘要能源危机和环境污染是人类正面临着的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是 21 世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是取之不尽用之不竭的可再生清洁能源对太阳能热水器的研究与开发也变得日益重要。集热器是太阳能热水器中最重要的一个部件
2、，太阳集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。本文主要写了平板集热器和真空管集热器的发展背景、工作原理、结构，然后再对两者进行性能比较，发现平板集热器能和建筑相结合，易于实现太阳能热水器与建筑一体化，但真空集热器结构灵活，转换效率高，非常适用于小型家庭用户，防冻防风能力强，使用寿命长，安装技术要求低且维修起来也更容易。关键词：平板集热器、真空管集热器、工作原理、性能比较平板集热器与真空管集热器的性能比较3Flat plate colle
3、ctor and vacuum tube collector performance comparisonAbstractThe energy crisis and pollution of environment is serious challenge for human being it is the most critical and influential technology areas . Solar energy is a regenerative and clean energy . The research of Solar Water Heater becomes mor
4、e and more important .Collector is one of the most important components in the solar water heater, solar collector is the core of heat absorption plate, its function is to absorb the suns radiation, and transfer heat to the heat transfer medium. When liquid as the medium, the absorption of heat plat
5、e has a tube plate, wing tube, flat cartridge, snake tube type, etc., the available metal materials and nonmetal materials. Heat absorption plate surface of the sun painted with black heat absorption coating. Wrote this paper plate collector and vacuum tube collectors development background, working
6、 principle, structure, and then comparing the performance between the two, can find flat collector and architecture combination, easy to realize integration of solar water heater and architecture, but the vacuum collector flexible structure, high conversion efficiency, very suitable for small family
7、 users, anti-freezing windproof ability, long service life, low technical requirements for installation and maintenance is also more easy. Keywords: flat collectors；vacuum tube collectors； working principle； performance comparison 平板集热器与真空管集热器的性能比较4目录第 1 章 绪论 .21.1 太阳热水器国内发展概括 .21.1.1 太阳热水器行业现状 .21.
8、1.2 太阳热水器行业发展特点 .21.1.3 太阳热水器市场的现状 .31.1.4 太阳热水器的发展方向 .31.2 太阳热水器国外开发利用概括 .3第 2 章 平板集热器及真空管集热器的的发展概况 .42.1 平板集热器的发展概况 .52.1.1 平板集热器的定义 52.1.2 国内平板型太阳能集热器发展概况 .52.1.3 国外平板型太阳能集热器发展概况 62.2 真空管集热器的发展背景 72.2.1 真空管集热器的发展背景 .72.2.2 真空管集热器技术高速发展的现状与原因 .7第 3 章 平板集热器与真空管集热器的工作原理与结构 .83.1 平板集热器的工作原理 83.2 平板型太
9、阳集热器的结构 .83.3 真空管集热器的工作原理和类型 103.3.1 真空管集热器的工作原理 .103.3.2 真空管集热器的类型 10第 4 章 平板集热器与真空管集热器的性能比较 .114.1 材料、热性能的比较 124.2 平板集热器与真空管集热器的优缺点 164.2.1 平板集热器的优缺点 164.2.2 真空管集热器的优缺点 16第 5 章 应用与展望 175.1 平板型太阳能集热器的发展方向 17总结 .19参考文献 .20致谢 .20平板集热器与真空管集热器的性能比较5第 1 章 绪论1.1 太阳热水器国内发展概括1.1.1 太阳热水器行业现状1 据不完全统计，我国太阳热水器
10、生产企业（包括相关企业，如玻璃生产、真空镀膜设备生产、焊接设备、聚氨酯发泡设备及自动控制仪表零配件的生产等）已超过千家，但绝大多数十中小企业。据 2000 年不完全统计，年产值超过1000 万元的较大型和大型企业约 100 家，从事生产的企业职工约 6 万7 万人，包括营销人员、研发人员总行业数超过 50 万人。2 几年来太阳热水器年产销量的增长速度很快，平均增长速度约 15%30%。据不完全统计，2002 年全国太阳热水器总销量在 1107以上，年产值超过100 亿元人民币，全国太阳热水器的保有量约 2.5107。成为全世界太阳热水器年产销量及保有量最大的国家。家庭太阳热水器全国普及率不超过
11、 10%。3 国生产销售的太阳热水器类型品种很多，但基本上可以分为闷晒型、平板型、全玻璃真空管型和热管真空管型四大类型。近二三年来，真空管热水器市场份额增长速度很快，而闷晒型和平板型相对增长较慢。4 水器市场由几年前的厂家直销为主到现在已基本形成以生产企业为刻心的营销网络体系，有的是派员营销，有的成立各地营销中心，也有的采取一、二级代理制。个别销售较好的地区，如江苏南京等地，太阳热水器产品已进入大商场。生产企业员工和营销、施工、维护人员的比例由前几年的 3:1 变成现在的1:5，甚至还可能超过此比例。5 水器出口创汇近年有较大幅度的增加。产品出口西欧、东南亚和非洲有关国家，出口额约占国内年销量
12、总额的 1%。我国太阳热水器销售价只相当国际市场类似产品价格的 1/5 左右，具有巨大的出口潜力。但是我国出口太阳能热水器产品已发生多起索赔事件，对行业和企业均造成巨大的损失，故对待出口创汇应采取积极谨慎态度。1.1.2 太阳热水器行业发展特点由于我国是发展中国家，经济欠发达，为满足广大客户的需要，故太阳热水器产品绝大多数是价格比较便宜的非承压产品，承压产品较少，真空管热水器平板集热器与真空管集热器的性能比较6多，平板热水器少；整体热水器多，分离热水器少，而国外产品则与我国相反。1.1.3 太阳热水器市场的现状太阳热水器市场可分为两大类，第一类是比较成熟的市场。大中型生产企业比较集中，全国超亿
13、元产值企业几乎全部集中在第一类地区。市场销售势头也很好；第二类是准市场，即中小型企业纷纷建厂，市场销售已经开始启动。比较成熟的市场可分为华北市场（包括北京、天津、河北） ；华东市场（包括山东、上海、江苏、安徽、浙江） ；西南市场（包括云南及周边地区） ；华南市场（广东及周边地区） 。准市场可分为东北市场（黑龙江、辽宁、吉林） ；西北市场（陕西、山西、甘肃、宁夏、内蒙古和新疆） ；中原市场（河南、湖南、湖北、江西） 。1.1.4 太阳热水器的发展方向1、研制出合适与建筑结合的产品是当务之急。只有产品与建筑有机结合，才是太阳热水器在大中城市普遍推广应用的前提。2、市场对热水的需求领域是很广的。要靠
14、营销者去探讨摸索。以扩大产品的使用领域和范围。例如，商业服务业就有很多热水市场，如洗车业、餐馆业、洗浴业、洗染店、美容业。各种档次的宾馆和饭店；农业中的温室加热，牛场和畜养场都需要大量热水。沼气池的冬季加热保温以提高产气率，完全可以与太阳热水器相结合；工业中的皮革加工、蚕丝业、机械零工的清洗等。被动太阳房和太阳热水器结合在我国北方地区是一种值得倡议的冬季采暖模式，费用低，效果好。3、农村是我国未来太阳热水器的主要市场，关键是研发出性能较好、价格低廉、便于运输安装和运行可靠的太阳热水器。把太阳热水器送到千家万户的农民家庭，改善他们的生活条件。这样才能使我国真正进入小康社会。4、太阳热水器不仅在国
15、内有巨大的发展潜力，而且在国际市场出口前景非常看好，因为同样产品出口国际市场价格比国内高几倍。1.2 太阳热水器国外开发利用概括平板集热器与真空管集热器的性能比较71、美国1997 年 6 月，美国克林顿政府批准国会“百万太阳能屋顶计划” ，要求 2010年在 100 万个屋顶安装太阳能系统（光电系统、热水系统及空气即热系统）9月又下令在联邦有关部门安装 2 万个太阳能系统，进一步激励了太阳能产业的发展。该计划的实施将带动大批工业发展，并将解决 7 万人的就业问题。20 年前，美国有上千家太阳热水器生产企业，佛罗里达州就有 300 多家。由于能源危机的缓解，以及美国政府取消了补贴政策等因素，许
16、多企业纷纷下马，现在美国太阳能热水器企业仅剩 8 家。佛罗里达州波曼能源技术集团是美国最大的太阳热水器生产企业，年产平板全铜太阳热水器 7000 台。其中吸热板选择性涂层设备，投资 100 万美元，使涂层吸收率 大于等 0.940.95，发射率 =0.040.065。旧金山太阳能与热电联供技术服务公司实行供热水收费制度，销售给用户的真正的终端商品。该公司在我国驻美领事馆对面居民小区安装了 13 栋楼，有专人负责维修服务，实行热水计量收费。从 1982 年到现在，已经能正常使用，主要用太阳能供暖，天气不好用煤气，用户可全天侯使用热水，每年只要支付 150200 美元的费用，比烧煤气节省 1/3。
17、2、以色列以色列是一个太阳能资源很丰富的国家，由于政府对开发利用太阳能非常重视，而且制定了所有建筑物的供热水装置或系统必须是由太阳能供热，否则不得建造。有关法律促进了太阳热水器的普及，现全国家庭太阳热水器的普及率已达 85%。3、西欧欧共体为了有效地利用地方能源资源，保护环境，减轻欧共体成员国对进口能源的依赖性，纷纷提出了加紧开发再生能源的计划。为使太阳热水器市场重振旗鼓，欧洲太阳能工程咨询公司首次提出“太阳热水系统热能供给保证体制” ，服务法国、西班牙和德国实施已取得的良好的效果。近年来，太阳热水器欧洲市场的启动进入良性阶段。比利时政府提出了对太阳能、风能、水电资源相关工业实施财政援助，并减
18、免税收。丹麦政府建立了一套完善的“2000 年能源”1300 万欧洲货币单位的自助计平板集热器与真空管集热器的性能比较8划，力争在本世纪末使风能、太阳能及生物能源翻番。意大利政府通过一系列法律保护可再生能源项目的顺利进行。对购买太阳能、风能及地热工厂能源的供电部门实施优惠政策。荷兰政府积极倡导利用风能，拟在本世纪末使风能增大 10 倍，达到1106KW。荷兰政府为促进太阳能的发展与利用，于 1994 年 2 月和其太阳能工业公司、电力公司等 5 家公司，签署了长期合作协议书，协议要求将太阳能供热系统的价格降低 40%。4、日本为了支持新型太阳能住宅，日本政府决定补助一半的费用来发展这项事业，在
19、新的阳光计划中提出，新型太阳能住宅从 1994 年起成倍增加，1999 年计划 1.5万套，2000 年是三万套。目前日本各大公司之所以不顾是否合算而拼命竞争，是因为太阳能发电的潜在市场太大了。据不完全统计，日本家用太阳热水器的普及已超过 29%。5、韩国韩国政府十分重视可再生能源的应用。韩国的太阳集热器是平板型集热器，总安装量约 100Km2。就 1995 年而言，与其国土面积 22000Km2 比较，约 2 Km2 平均有 1集热器。韩国给予批准的可再生能源企业拨款与低息贷款，给用户低息贷款购买集热器和光伏电热等可再生能源，由正常的银行利息 12%降至 5%。韩国计划在 2002 到 20
20、06 年，可再生能源占国家总能源消耗份额是 2%。韩国的可再生能源研究与开发，起步晚于我国，但投资大，预计会有较快发展。第 2 章 平板集热器及真空管集热器的的发展概况2.1 平板集热器的发展概况2.1.1 平板集热器的定义平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单、平板集热器与真空管集热器的性能比较9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的最佳选择之一。目前，世界太阳能市场平板式和真空管式太阳能热水(器)系统并存，但所占市场份额不同。我国以真空管为主，真空管占 86%;欧、美、澳等发达国家截然相反，平板式占 90%以上。平板型太阳能热水
21、器作为太阳能热水器的一种主要产品类型，在国外已有多年的应用历史。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。很多企业和研究机构积极开展高效平板型集热器的研究和产业化，促进平板型集热器迈向新的发展。2.1.2 国内平板型太阳能集热器发展概况我国最早的太阳能热水淋浴室在 1958 年建成。70 年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响。1975 年，在河南安阳召开的“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会” ，进一步推动了我国太阳能事业的发展
22、。1979 年在西安召开了重点在推广和应用太阳能产品的第二届全国太阳能会议。1992 年世界环境与发展大会后，我国政府制定了中国 21 世纪议程 ，进一步明确了以太阳能为重点的发展项目。1995 年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要(19962010)，明确提出我国在19962010 年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。经过 20 多年的研究和科技成果转化，我国太阳能热水技术已日趋成熟太阳能热水器以其安全、节能、环保和实用等优点受到了广大用户的喜爱，太阳能热水器产业在一些地区已成为新的经济增长点。根据传热工质种类的不同，平板型太阳能集热器可分为
23、空气集热器和液体集热器两大类，目前大量使用的是液体集热器。根据吸热板芯使用材料的不同，平板型集热器可分为钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等;按结构型式的不同可分为管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器以及带平面反射镜的集热器和逆平板型集热器等;按盖板种类可分为单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料盖板集热器等。目前，国内外普遍使用的平板型集热器是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高平板集热器与真空管集热器的性能比较10频焊，国内以往采用介质焊。1995 年我国也研发成功了全铜高频焊集热器。80年代中期我国从加拿大引
24、进铜铝复合生产线，后经过消化吸收，国内现在已建成十几条铜铝复合生产线。为了提高对太阳能的吸收，减少集热器的热损失，提高集热器的整体效率，人们对用于太阳能集热器的关键部件太阳能集热条(俗称板芯)，特别是板芯所用的选择性太阳能吸收涂层等持续进行了多年的研究，已取得了相当好的成果。现在，国内已能生产高性能的 TiNO 系列选择性光热吸收涂层。另外，为了克服普通平板型太阳能集热器的缺点，应用热管的平板式太阳能集热器和热水器的研究开发，也取得了很好的结果。测试结果表明热管的单向导热特性大大减少了系统通过集热器的热损失。这种具有实际应用价值的热管平板型集热器对大规模集中供热，特别是实现集热器、热水器与建筑
25、的一体化，是非常有意义的。在高效涂层、高透过率盖板及密封保温等高新技术的支持下，一大批具有优异热性能的平板型集热器产品如模块式太阳能集热器、热管平板式太阳能集热器和热水器等被生产出来，这对平板式2.1.3 国外平板型太阳能集热器发展概况平板型太阳能集热器早在 17 世纪后期被发明，直至 1960 年以后才真正被深入研究并进入实际应用，可以说平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。太阳能热水技术是太阳能光热利用中技术最成熟、实际应用最多并在经济上能与常规能源相竞争的一种可再生能源利用技术。20 世纪初，美国最先开始使用太阳能热水器来获取生活热水。二战后，以色列和澳大利亚等一些国家也相
26、继开展了研究、开发、生产和使用太阳能热水器的工作。1955 年，国际太阳能利用会议第一次提出了选择性涂层的概念，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展打下了基础。1973 年出现“能源危机”后，世界上形成了研究、开发、利用太阳能的热潮。发展太阳能利用技术和产品以节约常规能源，受到了工业化国家政府的普遍重视。对太阳能热利用技术的研发和产品的产业化，各国都给予了大力的支持和鼓励。平板集热器与真空管集热器的性能比较111980 年在联合国新能源大会的筹备会上，联合国的专家小组对太阳能热水器的发展前途给予了肯定的评价。1996 年，在津巴布韦召开的联合国世界太阳能高峰会议发表了哈拉雷太阳能
27、与持续发展宣言 ，太阳能利用的研究开发在世界范围内形成了又一个热潮。许多国家相继制定了太阳能发展计划。例如美国的“百万屋顶计划” ，德国的“1000 屋顶计划” ，意大利的“全国太阳能屋顶计划” ，日本的“七万屋顶计划”和“太阳计划”等。这些计划的实施，有力地促进了世界各国太阳能利用的发展：澳大利亚政府规定，在其北部地区新建的房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有 25%的新住宅安装了太阳能热水器;日本现在每年安装的太阳能热水器约 50 万台，计划以后家庭安装太阳能热水器的普及率超过 25%;在丹麦，Marstal 太阳能供热厂为 Aeroe 岛上 1250 户居民提供了区域供热。8000
28、 平方米的太阳能集热器阵列与 2100 立方米的储热水箱相联。6、7、8 月份可 100%由太阳能供热，全年能供给全区热需求的 12.5%;以色列政府制定了法规，要求新建住宅必须装有太阳能热水器，目前以色列已有 65%的住宅装有太阳能热水器，实现了太阳能热水器与建筑一体化的住宅设计计划;2003 年，奥地利等欧洲国家、印度、中国、日本、澳大利亚及美国等 21 个国家的太阳能发展报告显示出19822001 年太阳能集热器及热水器的制造及销售都有很大的发展。欧洲在2004 年安装的太阳能集热器面积为 1500 万平方米，截止到 2010 年已经累计达到了 1.0 亿平方米。大面积太阳能热水系统的研
29、究只是近十几年的事。现实情况下其规模只占小型家用太阳能热水系统的 20%30%。瑞典和德国已进行大面积屋顶集热模块的研制。它是作为建筑的一个构件和建筑结合，以实现太阳能热水系统和建筑的一体化，从而降低成本，提高建筑的整体性和美观性。2.2 真空管集热器的发展背景2.2.1 真空管集热器的发展背景平板型太阳集热器在吸热板与盖板间抽真空是减少吸热板与盖板间对流热损失的有效措施。特别是使用了使用了选择性涂层后，虽然吸热板在高温下具有平板集热器与真空管集热器的性能比较12了低发射率而减少了辐射损失，但由于吸热板与盖板间温差加大而使对流损失增大，故使用选择性吸收涂层后，最好同时抽真空。然而对于整块平板型
30、集热器夹层内抽真空是十分困难的，也是不现实的。因为一个大气压为 0.1MPa，相当于 1平板型集热器玻璃表面上将承受 1 MPa 的大气压，显然玻璃盖板是无法承受这样大的外力。但要做成圆形玻璃管，则承压就不成问题了。从真空工艺技术考虑，真空密封的玻璃外罩以圆形管为宜。因此，人们首先把内玻璃管外表面，利用真空镀膜机沉积选择性吸收膜，再把内管和外管之间抽真空，这样就消除了对流、辐射与传导造成的热损，使总热损降到最低。这就是研发与应用真空集热管的基本思路。将许多根玻璃真空管用联箱予以连接，就可以做成真空管太阳集热器。由于真空管太阳集热器采用了高真空技术和优质选择性吸收涂层，大大降低了集热器的总热损，
31、因而真空管太阳集热器可以在中、高温下运行，也能在寒冷的冬季及低日照与天气多变的地区运行，尤其在阴天及每天早晚和冬季具有比一般平板集热器高很多的集热效率。20 世纪 70 年代中期美国欧文斯公司首先研制开发了全玻璃真空太阳集热管。澳大利亚、日本、德国、荷兰、英国、加拿大、以色列、印度、前苏联也都对各种类型的真空集热管进行了研制与开发，主要用于获得生活热水、烧开水、采暖、空调和工业热水。我国与 20 世纪 70 年代末期，美籍华人贝律昆先生送给我国全玻璃真空管样品，引起国内同行的关注。不久，沈阳玻璃计器厂研制成全玻璃真空管集热器，并代表我国参加了 1982 年在美国田纳西州举办的世界能源博览会。接
32、着，以清华阳关太阳能设备有限责任公司与北京北方阳光太阳能设备有限公司合作，对真空集热管的选择性吸收膜及生产制作工艺进行卓有成效的研究开发和生产，殷志强教授等对有关工艺和技术进行了重大的改进，同时将该技术在扬州、泰安、和北京进行批量生产，使我国真空集热管在很短时间内达到国际先进水平，并成为产销量最大的国家，产品远销日本、西欧等国，目前该产品约占国内太阳热水器市场的 65%以上的份额。真空管太阳集热器按真空管封装结构，可分为全玻璃真空管太阳集热器和金属玻璃真空管太阳集热器两大类。2.2.2 真空管集热器技术高速发展的现状与原因平板集热器与真空管集热器的性能比较13尽管早在 1982 年我国真空管产
33、品就参加了在美国田纳西州举办的世界能源博览会，但真正的突飞猛进和全面发展是在 1995 年南京太阳能热利用行业会议以后。在“生产上规模、技术上水平、产品上档次、市场要规范”行业发展方针指导下，许多企业家意识到发展可再生能源环保产业的民族责任感，他们遵照市场经营规律，在短短的几年中就形成了一批大型骨干企业，如清华阳光、天普、皇明、力诺瑞特、太阳雨、辉煌、华扬等。这批大型企业分布在北京、河北、山东、江苏等地区，其主导产品是真空管集热器。在此期间，平板集热器由于防冻抗冻还未能妥善解决，而发展较迟缓。这批企业上马以后，为了让新型绿色能源走入千家万户，一方面进入了产品的科普宣传活动，如质量万里行活动。另
34、一方面在全国各省、地、市、县设立了各企业的销售中心，每个企业都有几百个甚至是上千个经销商。经过短短的几年努力，基本形成了全国太阳能销售、安装、服务体系，其总人数约为生产业企业的 5 倍左右，这批力量是行业发展的龙头，同时也是质量进步的动力和源泉。第 3 章 平板集热器与真空管集热器的工作原理与结构3.1 平板集热器的工作原理平板集热器的工作原理：太阳辐射穿过集热器的透明盖板,投射到表面涂有吸收层的吸热体上,其中大部分太阳辐射能被吸收体所吸收，转变为热能，并传到流体通道中的工质，这样从集热体底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质带着有用的热能从集热器的上端出口
35、，蓄入贮水箱待用即为有用的能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳能集热器各种热损失。这就是平板集热器的工作原理。3.2 平板型太阳集热器的结构平板集热器与真空管集热器的性能比较14平板集热器由透明盖板，隔热材料，吸热板，外壳等几部分组成。结构示意如图 21 所示。6 7 643512图 2-1 平板型太阳集热器组成示意图1-透明盖板；2-隔热材料；3-吸热板；4- 排管；5-外壳；6-散射太阳辐射；7-直射太阳辐射一、吸热板它也称吸热板芯，是吸收太阳辐射能并向水传递热量的部件。（一）吸热板的技术要求有一定的承压能力，与水的相容性好，热工性能优良，
36、加工工艺简单，成本合理。（二）吸热板的材料常用材料是铜、铝合金（要求防锈铝）、不锈钢、镀锌板。沿海水质较差地区，也有用塑料或玻璃钢等材料。（三）吸热板的涂层为增加吸热板的热性能，往往在金属表面上喷刷涂层。涂层有选择性和非选择性两种，所谓选择性涂料是对太阳的短波辐射具有高的吸收比 A，而长波发射率 e 较低的一种涂料，a/e1 来表示。若 a/e=1 称中性，吸收层是非选择性材料。一般在集热温度=环境温度+(1030)情况下，运行的吸热板可采用非选择性涂料，它们具有高的吸收比 a=0.920.96，但发射率也较高，当集热温度增高时热损失随之增大。二、盖板（一）盖板的作用平板集热器与真空管集热器的
37、性能比较15吸热板上表面需有盖板，要求它能透过可见光而不透过远红外线，这就使得进去的能量大于散失的能量，从而提高吸热板的温升，通常称盖板的这种作用为温室效应。（二）盖板的技术要求1、高全光透射比盖板对太阳光光谱的全透射比越高，则辐射至吸热板的光线就越强，所得到的热量越大，集热器的效率越高。2、冲击强度高盖板要求有高的耐冲击强度，即在使用中受到冰雹、石头等外力碰撞时，不致受损。3、良好的耐候性能如果盖板不具有良好的耐候性，则其透光性、强度等性能急速下降，最后导致整个集热器无法正常工作，使用寿命也大大缩短。4、绝热性能好集热器工作时，盖板热导率小，即隔热性能好，热量散失越少，集热器效率也越高。（三
38、）盖板的层数及间距盖板层数由使用地区的气候条件和工作温度而定，一般都为单层，只有在气温较低或者工作温度较高时，才用两层或者三层。盖板与吸热板之间的距离一般为 25以上。无选择性涂层平板吸热板与环境温度只差不同，集热器效率也不一样。但是盖板的层数也不是越多越好，因为层数越多到达吸热板的太阳辐射能将越差。盖板厚度 （）可根据国际标准化组织推荐的方法进行计算：若盖板的边长之比在 1 1.1 范围内=2.3 10-3A（）若盖板的边长之比在 1.11.5 范围内=3.3 10-3A（）式中 A盖板的面积，m 2三、保温层平板集热器与真空管集热器的性能比较16（一）作用保温层的作用是减少集热器向四周环境
39、散热，以提高集热器的效率。（二）要求保温层的要求是保温性能好，即材料的热导率小，要求不大于0.055W/（m ），不易变形或挥发，不产生有毒气体、不吸水。集热器底部材料的最小厚度为 100/1.45（m）式中 100保温材料在 100时所测得的热导率， W/（mK）。（三）材料保温层的材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯、发泡塑料等。四、外壳保温层外壳作用是将吸热板、盖板保温材料组成一个整体，因此它应有一定的刚度和强度，便于安装。其材料一般用钢板、铝型材、玻璃钢或塑料。为了确保外壳的使用寿命，有些外壳表面需进行喷涂处理。一般涂层要求薄而均匀，有较强的附着力和抗老化性能，耐湿热，不生锈。此外表面要
40、美观，无扭曲、污垢和伤痕。3.3 真空管集热器的工作原理和类型3.3.1 真空管集热器的工作原理真空管集热器的工作原理：真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损,真空管内管上的选择性涂层吸收太阳能热量后转化成热能加, 管中的水，真空管内热水往上运动，水箱中比重大的凉水下降，使水箱内水对 流循环温度不断升高。3.3.2 真空管集热器的类型真空管集热器按真空管封装结构，可分为全玻璃真空管太阳集热器和金属-平板集热器与真空管集热器的性能比较17玻璃真空管太阳集热器两大类。目前市场上真空管集热
41、器主要有三大系列产品：普通型全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器、U 型管式真空管集热器。下面介绍几种典型的真空管集热器全玻璃真空管集热器的工作原理全玻璃真空管集热器由内外两层玻璃管构成，内管外表面具有高吸收率和低发射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成真空，其形状如一个细长的暖水瓶胆，如图。它采用单端开口，将内外管口予以环形熔封，另一端是密闭半球形圆头，由弹簧支撑内外管，而且可以自由伸缩，以缓冲内管热胀冷缩引起的应力。弹簧卡上装有消气剂，当它蒸散后能吸收运行时产生的气体，保持管内真空度。一、全玻璃真空管的结构全玻璃真空管的构造由内玻璃管、太阳选择性吸收涂层、真空夹层、罩玻璃管、支承件（弹簧卡子）
42、、吸气剂等部分组成。1.内玻璃管用来作为水的流动管道；2.氧化铜、黑镍、黑铬、黑锌、黑铜等太阳选择性吸收涂料，是通过采用真空沉积、溅射技术、电化学处理等工艺均匀地涂在内玻璃管的外表面，用来吸收太阳辐射能；3.将涂有选择性涂层的内玻璃管封入罩玻璃内，然后将内外玻璃管之间抽成真空，形成真空度为 0.05Pa 的真空夹层，以减少由于空气对流和传导而引起的热损失，这与热水瓶的原理相似；4.全玻璃真空集热管采用单端开口设计，通过一端内、外管环形熔封起来，其内管另一端是密闭半球形圆头，弹簧卡子就是用来将该圆头支承在罩玻璃管的内部端，使得内玻璃管吸收太阳辐射而温度升高时，玻璃圆头形成热膨胀的自由端，从而缓冲
43、了热水器工作时引起真空集热管开口端部的热应力；5.真空管在受热后，原来被吸附在管壁上的微量气。二、金属-玻璃真空太阳集热器根据集热管的集热、取热不同结构，可分为 U 形管式、同轴套管，内聚光式、直通式和储热式，热管真空管。这里主要介绍一下热管真空管式集热器。平板集热器与真空管集热器的性能比较181. 热管的结构：热管式真空集热管由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分构成，其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。2. 热管工作原理：典型的重力热管如图所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质。当热管的蒸发段吸收外界热量，如来自太阳辐射的热量，加热
44、在液池中的工质（该工质一般沸点温度都比较低）并达到沸点后，工质迅速蒸发为蒸汽，由于蒸汽的密度小，沿热管内腔上升至冷凝端，受到冷凝端外部的水（或空气）如太阳能蓄水箱中的水，冷却放热并冷凝为液体。由于液体的密度大，且因热管的内壁面浸润性好，故沿壁面下流返回液池，又可再次蒸发，如此不断循环，将热量从一端到另一端。由于是相变传热，因此热管内热阻很小。图 3-1 热管的工作原理由此可见，热管的传热过程可以由以下环节构成：平板集热器与真空管集热器的性能比较19外界的热源传热给热管蒸发端冷凝端 加热水箱中的水凝液回流蒸发传热 冷凝传热第 4 章 平板集热器与真空管集热器的性能比较4.1 材料、热性能的比较1
45、、平板集热器采用全铜材料，吸热板常采用铜、铝合金（要求防锈铝） 、不锈钢、镀锌板。沿海水质较差地区，也有用塑料或玻璃钢等材料。盖板材料：我国盖板材料通常有三种，三种材料的性能的综合比较见表 4-1。表 4-1 国外常用三种材料盖板性能的综合比较材 料 全光透射比冲击强度耐热性 绝热性 耐老化性密度 可加工性成本HSG 高 中 优 良 优 高 差 高MMA 高 低 差 优 良 低 良 高ERP 高 高 良 优 良 中 优 中HSG高强耐热玻璃板。MMA甲基丙烯酸甲酯板。ERP玻璃纤维增强塑料板（即玻璃板）。保温层：保温层的材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯、发泡塑料等外壳：外壳材料一般用钢板、铝
46、型材、玻璃钢或塑料。2、真空管集热器的材料： 玻璃管材料应采用硼硅玻璃 3.3。平板集热器与真空管集热器的性能比较20a 其理化性能应符合 ISO3585:1998硼硅玻璃 3.3 性能与 QB/T2436全玻璃真空太阳集热管用玻璃管的要求，以及玻璃管太阳透射比 r0.89(大气质量1.5，即 AM1.5，按 ISO9806-1:1994 计算)。b 玻璃管上不大于 1mm 的结石不得密集，即 10mmX10mm 范围内不得多于一个，整支管子上不得多于五个，结石周围不得有裂纹，大于 1mm 的结石不允许存在。c 玻璃管上不大于 1.5mm 的节瘤不得密集，即 10mmX10mm 范围内不得多于
47、两个;整支管子上，不大于 2.5mm 的节瘤不得多于五个，大于 2.5mm 的节瘤不允许存在。 太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比 O.86(AM1.5)。太阳选择性吸收涂层的半球发射比 h0.080(80士 5)。选择性吸收膜很多，主要有：不锈钢-碳/铜选择性吸收膜、铝-氮/铝选择性吸收膜、AlN xYy选择性吸收膜、AlN xOy-Ag/s.s 选择性吸收膜、TiC x/Cu 选择性吸收膜。我国大多数真空集热管生产厂家采用铝-氮/铝选择性吸收膜 吸气剂应符合 GB/T9505蒸散型钡吸气剂的规定。2、2 热损失系数的比较1、平板集热器的热损失基本能量平衡方程：根据能量守恒定律，在稳定状态下，集
48、热器在规定时间内输出的有用能量等于同一时段内人射在集热器上的太阳辐照能量减去集热器对周围环境散失的能量，即：QU = QA Q L （4、1）QU 集热器在规定时段内输出的有用能量，W；QA 为同一时段内入射在集热器上的太阳辐照能量,W；QL 为同一时段内集热器对周围环境散失的能量，W；集热器总热损系数集热器总热损系数定义为：集热器中吸热板与周围环境的平均传热系数。只要集热器的吸热板温度高于环境温度，则集热器所吸收的太阳辐射能量中必定平板集热器与真空管集热器的性能比较21有一部分要散失到周围环境中去。平板集热器的总散热损失是由顶部散热损失、底部散热损失和侧面散热损失三部分组成，即QL= Qt+
49、Qb+Qc= AtUt(tp-ta)+AbUb(tp-ta)+AcUc(tp-ta) （4、2）Qt 、Q b 、Q c为顶部、底部、侧面散热损失，W；Ut、U b、U c为顶部、底部、侧面散热损失系数，W/（K） ；At、A b、A c为顶部、底部、侧面面积，；（1）顶部热损失系数 Ut集热器的顶部散热损失是由对流和辐射两种换热方式引起的，它即包括吸热板与透明盖板之间的对流和辐射换热，又包括透明盖板与周围环境的对流和辐射换热。一般说来，顶部散热损失在数量上比底部散热损失、侧面散热损失都大的很多，因而是集热器总散热损失的主要部分。顶部热损失系数 Ut的计算比较复杂，因为在吸热板温度和环境温度数值都已经确定的条件下，透明盖板温度仍是个未知数，需要通过数学上的一代法才能计算出来。为简化计算，克莱恩提出了一个计算 Ut的经验公式：Ut = -1whfNTap1)/()(/34( 0.3 NfNpNpTaaTg/)12()1(
