太阳能集热器

将太阳的辐射能转换为热能的设备

太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。由于用途不同，集热器及其匹配的系统类型分为许多种，名称也不同，如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉，以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。

简介

名称：太阳能-集热器

主题词或关键词：太阳能能源科学集热器

效率比较高的集热器由收集和吸收装置组成。阳光由不同波长的可见光和不可见光组成，不同物质和不同颜色对不同波长的光的吸收和反射能力是不一样的。黑颜色吸收阳光的能力最强，因此棉衣一般用深色或黑色布。白色反射阳光的能力最强，因而夏季的衬衫多是淡色或白色的。因此利用黑颜色可以聚热。让平行的阳光通过聚焦透镜聚集在一点、一条线或一个小的面积上，也可以达到集热的目的。纸在阳光照射下，不管阳光多么强，哪怕是在炎热的夏天，也不会被阳光点燃。但是，若利用集光器，把阳光聚集在纸上，就能将纸点燃。集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。

平板集热器一般用于太阳能热水器等。聚光集热器可使阳光聚焦获得高温，焦点可以是点状或线状，用于太阳能电站、房屋的采暖（暖气）和空调（冷气）、太阳炉等。按聚光镜构造有“菲涅尔”透镜、抛物面镜和定日镜。

平面反射镜用于太阳能塔式发电，有跟踪设备，一般和抛物面镜联合使用。平面镜把阳光集中反射在抛物面镜上，抛物面镜使其聚焦。

定义

太阳能集热器的定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义：第一：太阳能集热器是一种装置；第二：太阳能集热器可以吸收太阳辐射；第三：太阳能集热器可以产生热能；第四：太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。

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。无论是太阳能热水器、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.

分类

太阳能集热器的分类

1.按集热器的传热工质类型分：液体集热器、空气集热器

2.按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：聚光型集热器、非聚光型集热器

3.按集热器是否跟踪太阳分为：跟踪集热器、非跟踪集热器

4.按集热器内是否有真空空间分为：平板型集热器、真空管集热器

5.按集热器的工作温度范围分为：低温集热器、中温集热器、高温集热器

6.按集热板使用材料分别为：纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板

平板型

平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。

当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。

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%。

国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右，有众多因素造成的：

①直接系统的平板热水器在冬季不能防冻，须排空，因此冬季不能使用并维护复杂；

②全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用；

③全玻璃真空管由于技术创新，成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进太阳能热水器市场迅速扩大。因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主。

国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。

针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势④⑤：

①平板集热器最适合用于承压系统；

②最适合于双循环的太阳能热水器；

③最有利于实现太阳能热水器与建筑结合；

④系统寿命长，维护费用低；

⑤大多数情况下可以提供更多的生活热水；

⑥平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因此，在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。

目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出[6]：我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品，热损系数差别较大。这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距，因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能，开展高效平板太阳能集热器研发。尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合，集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。

平板涂层

为了提高太阳集热器的效率，唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损。采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径[7]。

随着太阳能热利用技术的发展，我国对选择性吸收材料的研究工作已有二十年的历史了。太阳集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。期间经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。

间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的，基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差，不适于平板集热器的使用。

目前，国际上发达国家，尤其是欧洲，选择性吸收涂层的生产主要有两个特点，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺。如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的，在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产。年生产能力为十几万平米，产品的光学性能及耐候性都很理想。此外，德国几个生产选择性涂层的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法和连续生产方式进行吸收涂层生产的。

真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题，涂层光学性能优良，但连续化生产线投资较大，涂层生产成本较高，有些真空镀膜涂层耐候性能不很理想。湿法镀膜技术采用电化学方法生产，工艺设计或生产控制不当，容易造成一定程度的污染，但涂层（如黑铬涂层）连续化生产线投资较小，涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能，是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

北京市太阳能研究所有限公司于2003年开始黑铬选择涂层生产工艺的研究，于2004年建成国内第一条黑铬太阳能选择涂层连续化生产线，产品经检测[8]：涂层的吸收率α≥0.93，红外发射率ε≤0.10，性能达到国外平板太阳能集热器涂层先进水平。

北京市太阳能研究所有限公司也开展耐候性涂层真空镀膜生产技术的研究。研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物的金属陶瓷选择性吸收涂层，为实现该膜层的生产，研制了一台三靶磁控溅射真空镀膜机并成功的进行了中试。通过小批量试生产制备出合格产品用于平板集热器。

目前，国内多家研究结构和生产厂家均在开展用于平板集热器的高性能太阳能选择性涂层生产工艺和设备研究。因此与国外在太阳能选择性涂层方面的技术差距将会越来越小，这为国内平板集热器技术的提升打下基础。

性能比较

关于平板集热器太阳能系统，业界存在一些误解。其一是平板集热器太阳能系统四季全天候运行问题，很多人认为平板集热器太阳能系统不能在冬季运行，实际上这种观点是错误的。目前，平板集热器太阳能系统一般采用回流排空技术及二次循环技术（通过防冻液传热），在北方地区可方便地解决集热器过冬防冻问题，无集热器冻坏的后顾之忧，并且可以解决夏季（或热水负荷不匹配时）系统过热问题，这一特点对太阳能采暖系统非常有利。此外，回流排空防过热、防冻技术方案在荷兰等欧洲国家也大量使用，是一种非常成熟的技术方案[9]。

另一个误解是平板集热器得热量问题，很多人认为平板集热器太阳能热水系统的得热量（或产水量）要低于真空管集热器热水系统，实际检测表明：采用黑铬选择涂层平板集热器热水系统产水量要高于相同总面积的真空管集热器热水系统[5]。测试结果如下：

图2 黑铬选择涂层平板集热器和真空管集热器全年单位面积日均产水量比较

从测试结果可以看出，在北京地区，高效平板集热器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的真空管集热器系统。其中一个重要原因是同等面积下真空管集热器采光面积要低于平板集热器采光面积。

发展方向

针对国内平板集热器与国外的技术和质量的差距，应采取以下措施提高平板集热器的性能和质量：

1、研究开发适用于平板太阳能集热器的选择性涂层，涂层应具有高吸收率、低红外发射率、优异的耐热耐湿耐候性能和适宜的加工成本；

2、广泛采用低铁高透过率盖板玻璃。目前已有多个玻璃厂家开始生产适用于太阳能集热器的低铁玻璃，国内外玻璃质量差距越来越小；

3、重视集热器的优化设计，改善制造工艺，保证结构的严密性，减小集热器的散热损失；

4、选用钢化玻璃作为集热器盖板，提高集热器部件质量，采用优化结构设计，确保集热器可以经受防冰雹、淋雨、空晒、耐压、热冲击等性能试验，提高集热器寿命，减少系统维护费用；

5、为适应寒冷地区、太阳能采暖和空调以及工业加热等特殊要求，应开发高效平板集热器。尽快使双层盖板和透明蜂窝等技术产业化，并提高其性价比，使高效平板集热器有较强市场竞争力；

6、跟踪国外平板集热器先进技术和工艺，开发新型平板集热器太阳能系统，提高平板集热器市场占有率。

另外

1、平板集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，最有利于实现太阳能系统与建筑结合；

2、采用回流排空技术，平板集热器太阳能系统可以方便地解决防冻和防过热等技术难点；

3、高效平板集热器太阳能系统在同等面积前提下与真空管太阳能系统相比，可以提供更多生活热水；

4、国内平板集热器性能和质量与国外的产品相比，仍存在一定差距。在选择性涂层、盖板玻璃、优化设计和生产工艺等方面有待于进一步提高。

真空管

真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。

真空管按吸热体材料种类，可分为两类：一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管），一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃－金属真空管）。热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。

热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比，具有以下不可替代的优点：

1、耐冰冻：采用抗冻型热管，即使在－50℃的严寒条件下也不会冻裂。

2、启动快：热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量；而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水。

3、不结垢：由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。

4、保温好：热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。

5、承压高：由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势。

6、耐热冲击性好：即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂。

7、安装简便，运行可靠：集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。

正是由于热管式真空管具有以上诸多优点，才越来越受到各国太阳界的重视。北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试，产品热性能指标达到了九十年代国际先进水平，成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位。

我国的住宅设计目前尚未考虑生活热水供应，而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。我国能源供应紧张，依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应。我国太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/米2，年日照时数在2000小时以上；而且近年来太阳能热水器发展迅速，使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的，并已具备了与常规能源的竞争力。

太阳能热水器早在八十年代初就在我国开始推广，应用范围包括集体浴室、游游泳池加热、工农业生产等。市场发展势头正逐年向居民住宅用热水倾斜，在国内的一些地区如昆明已陆续出现太阳能热水器在住宅中的统一设计和安装，取得了良好的社会经济效益。

但是，太阳能热水器在北京等大中城市的推广速度极其缓慢。究其原因，主要是太阳能热水器的安装问题。由于太阳能热水器需要安装在屋顶，而北京的住宅建筑在设计时未考虑太阳能热水器的管线问题，势必要进行二次施工。要解决这个问题，就要使太阳能热水器作为住宅的必备设施，在设计时将太阳能热水器的管线与暖气管一样埋在墙内，与主体建筑同步完工。其优势是：

1、有利于节能和环保。每平方米太阳能热水器每年可节约100～150公斤标准煤，可减少温室气体及粉尘的排放。在太阳能热水器上安装辅助电加热设备，在冬天及连阴天可进行补充加热。这样就能达到大范围节约能源和保护环境的作用。

2、有利于建筑施工。由于太阳能热水器与建筑在设计和施工上均做到统一，避免了二次施工，还可起到保护屋顶和增加隔热的效果。

3、有利于城市美观。太阳能热水器住宅将形成城市建设的一种新景观，可美化城市建筑。

4、节省资金，经济实惠。太阳能热水器的技术已基本成熟，以北京市太阳能研究所的热管式真空管太阳能集热器为例，使用周期为15年，80%依靠太阳能，20%依靠辅助电加热，运行费用相对较低。

陶瓷

陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。

当陶瓷太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在陶瓷太阳能板上，被陶瓷太阳能板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。其整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色，无毒、无害、无放射性，阳光吸收率不会衰减，具有长期较高的光热转换效率。

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