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                                  平板太陽能集熱器工作原理及基本結構

                                  • 發布日期:2022/3/23 16:08:08 閱讀次數:6795

                                  • 什么是平板太陽能集熱器
                                    平板太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質傳遞熱量的裝置,它是一種特殊的熱交換器,集熱器中的工質與遠距離的太陽進行熱交換。平板型太陽能集熱器是太陽能集熱器中的一種類型。是由吸熱板芯、殼體、透明蓋板、保溫材料及有關零部件組成。在加接循環管道,保溫水箱后,即成為能吸收太陽輻射熱,使水溫升高。

                                    平板太陽能集熱器工作原理
                                    平板太陽能集熱器的基本工作原理十分簡單。概括地說,陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上,其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收,轉變為熱能,并傳向流體通道中的工質。這樣,從集熱器底部入口的冷工質,在流體通道中被太陽能所加熱,溫度逐漸升高,加熱后的熱工質,帶著有用的熱能從集熱器的上端出口,蓄入貯水箱中待用,即為有用能量收益。與此同時,由于吸熱體溫度升高,通過透明蓋板和外殼向環境散失熱量,構成平板太陽集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽集熱器工作原理。


                                    吸熱板
                                    吸熱板是平板型太陽能集熱器內吸收太陽輻射能并向傳熱工質傳遞熱量的部件,其基本上是平板形狀。
                                    1.吸熱板的結構形式

                                    在平板形狀的吸熱板上,通常都布置有排管和集管。排管是指吸熱板縱向排列并構成流體通道的部件;集管是指吸熱板上下兩端橫向連接若干根排管并構成流體通道的部件。吸熱板的材料種類很多,有銅、鋁合金、銅鋁復合、不銹鋼、鍍鋅鋼、塑料、橡膠等。吸熱板有如下主要結構形式
                                    (1)管板式。管板式吸熱板是將排管與平板以一定的結合方式連接構成吸熱條帶,然后再與上下集管焊接成吸熱板。這是目前國內外使用比較普遍的吸熱板結構類型。
                                    武漢市太陽能研究所于1986年從加拿大引進一條具有國際先進水平的銅鋁復合太陽條生產線,使我國平板型集熱器技術跨上一個新的臺階。該項技術是將一根銅管置于兩條鋁板之間熱碾壓在一起,然后再用高壓空氣將它吹脹成型。銅鋁復合太陽條的優點:熱效率高,熱碾壓使銅管和鋁板之間達到冶金結合,無結合熱阻;水質清潔,太陽條接觸水的部分是銅材,不會被腐蝕;保證質量,整個生產過程實現機械化,使產品質量得以保證;耐壓能力強,太陽條是用高壓空氣吹脹成型的。
                                    近年來,全銅吸熱板正在我國逐步興起,它是將銅管和銅板通過高頻焊接或超聲焊接工藝而連接在一起。全銅吸熱板具有銅鋁復合太陽條的所有優點:熱效率高,無結合熱阻;水質清潔,銅管不會被腐蝕;保證質量,整個生產過程實現機械化;耐壓能力強,銅管可以承受較高的壓力。
                                    (2)翼管式。翼管式吸熱板是利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側連有翼片的吸熱條帶,然后再與上下集管焊接成吸熱板。吸熱板材料一般采用鋁合金。翼管式吸熱板的優點:熱效率高,管子和平板是一體,無結合熱阻;耐壓能力強,鋁合金管可以承受較高的壓力。缺點:水質不易保證,鋁合金會被腐蝕;材料用量大,工藝要求管壁和翼片都有較大的厚度;動態特性差,吸熱板有較大的熱容量。
                                    (3)扁盒式。扁盒式吸熱板是將兩塊金屬板分別模壓成型,然后再焊接成一體構成吸熱板,吸熱板材料可采用不銹鋼、鋁合金、鍍鋅鋼等。通常,流體通道之間采用點焊工藝,吸熱板四周采用滾焊工藝。扁盒式吸熱板的優點:熱效率高,管子和平板是一體,無結合熱阻;不需要焊接集管,流體通道和集管采用一次模壓成型。缺點:焊接工藝難度大,容易出現焊接穿透或者焊接不牢的問題;耐壓能力差,焊點不能承受較高的壓力;動態特性差,流體通道的橫截面大,吸熱板有較大的熱容量;有時水質不易保證,鋁合金和鍍鋅鋼都會被腐蝕。
                                     (4)蛇管式。蛇管式吸熱板是將金屬管彎曲成蛇形,然后再與平板焊接構成吸熱板。這種結構類型在國外使用較多。吸熱板材料一般采用銅,焊接工藝可采用高頻焊接或超聲焊接。蛇管式吸熱板的優點:不需要另外焊接集管,減少泄漏的可能性;熱效率高,無結合熱阻;水質清潔,銅管不會被腐蝕;保證質量,整個生產過程實現機械化;耐壓能力強,銅管可以承受較高的壓力。缺點:流動阻力大,流體通道不是并聯而是串聯;焊接難度大,焊縫不是直線而是曲線。
                                    2.吸熱板上的涂層
                                    為了使吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能并將其轉換成熱能,在吸熱板上應覆蓋有深色的涂層,這稱為太陽能吸收涂層。
                                    太陽能吸收涂層可分為兩大類:非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。非選擇性吸收涂層是指其光學特性與輻射波長無關的吸收涂層;選擇性吸收涂層則是指其光學特性隨輻射波長不同有顯著變化的吸收涂層。
                                    一般而言,要單純達到高的太陽吸收比并不十分困難,難的是要在保持高的太陽吸收比的同時又達到低的發射率。對于選擇性吸收涂層來說,隨著太陽吸收比的提高,往往發射率也隨之升高;對于通常使用的黑板漆來說,其太陽吸收比可高達0.95,但發射率也在0.90左右,所以屬于非選擇性吸收涂層。
                                    選擇性吸收涂層可以用多種方法來制備,如噴涂方法、化學方法、電化學方法、真空蒸發方法、磁控濺射方法等。采用這些方法制備的選擇性吸收涂層,絕大多數的太陽吸收比都可達到0.90以上,但是它們可達到的發射率范圍卻有明顯的區別。從發射率的性能角度出發,上述各種方法優劣的排列順序應是:磁控濺射方法、真空蒸發方法、電化學方法、化學方法、噴涂方法。當然,每種方法的發射率值都有一定的范圍,某種涂層的實際發射率值取決于制備該涂層工藝優化的程度。

                                    透明蓋板
                                    透明蓋板是平板型集熱器中覆蓋吸熱板、并由透明(或半透明)材料組成的板狀部件。它的功能主要有3個:一是透過太陽輻射,使其投射在吸熱板上;二是保護吸熱板,使其不受灰塵及雨雪的侵蝕;三是形成溫室效應,阻止吸熱板在溫度升高后通過對流和輻射向周圍環境散熱。
                                    1.透明蓋板的材料
                                    用于透明蓋板的材料主要有兩大類:平板玻璃和玻璃鋼板。但兩者相比,目前國內外使用更廣泛的還是平板玻璃。
                                    (1)平板玻璃。平板玻璃具有紅外透射比低、導熱系數小、耐候性能好等特點,在這些方面無疑是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而,對于平板玻璃來說,太陽透射比和沖擊強度是兩個需要重視的問題。
                                    我國目前常用的透明蓋板材料是普通平板玻璃,據了解,國內3mm厚普通平板玻璃的太陽透射比一般都在0.83以下,有的甚至低于0.76。根據國家標準GB/T6424-1997的規定,透明蓋板的太陽透射比應不低于0.78。相比之下,發達國家的市場上已有專門用于太陽能集熱器的低鐵平板玻璃,其太陽透射比高達0.90~0.91。因此,我國太陽能行業面臨的一項任務是:在條件成熟時,聯合玻璃行業,專門生產適用于太陽能集熱器的低鐵平板玻璃。盡可能選用鋼化玻璃作為透明蓋板,確保集熱器可以經受防冰雹試驗的考驗。
                                    (2)玻璃鋼板。玻璃鋼板(即玻璃纖維增強塑料板)具有太陽透射比高、導熱系數小、沖擊強度高等特點,在這些方面無疑也是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而,對于玻璃鋼板來說,紅外透射比和耐候性能是兩個需要重視的問題。玻璃鋼板的單色透射比與波長關系曲線表明,單色透射比不僅在2pm以內有很高的數值,而且在2.5pm以上仍有較高的數值。因此,玻璃鋼板的太陽透射比一般都在0.88以上,但它的紅外透射比也比平板玻璃高得多。
                                    玻璃鋼板通過使用高鍵能樹脂和膠衣,可以減少受紫外線破壞的程度。但是,玻璃鋼板的使用壽命是無論如何不能跟作為無機材料的平板玻璃相比擬的。當然,玻璃鋼板具有一些平板玻璃所沒有的特點。例如:玻璃鋼板的質量輕,便于太陽能集熱器的運輸及安裝;玻璃鋼板的加工性能好,便于根據太陽能集熱器產品的需要進行加工成型。
                                    2.透明蓋板的層數及間距
                                    透明蓋板的層數取決于太陽能集熱器的工作溫度及使用地區的氣候條件。絕大多數情況下,都采用單層透明蓋板;當太陽能集熱器的工作溫度較高或者在氣溫較低的地區使用,譬如在我國南方進行太陽能空調或者在我國北方進行太陽能采暖,宜采用雙層透明蓋板;一般情況下,很少采用3層或3層以上透明蓋板,因為隨著層數增多,雖然可以進一步減少集熱器的對流和輻射熱損失,但同時會大幅度降低實際有效的太陽透射比。
                                    如果在氣溫較高地區進行太陽能游泳池加熱,有時可以不用透明蓋板,這種集熱器被稱為無透明蓋板集熱器,國際標準ISO9806-3就是專門適用于無透明蓋板集熱器的熱性能試驗。
                                    對于透明蓋板與吸熱板之間的距離,國內外文獻提出過各種不同的數值,有的還根據平板夾層內空氣自然對流換熱機理提出了最佳間距。但有一點結論是共同的,即透明蓋板與吸熱板之間的距離應大于20mm。


                                    隔熱層

                                    隔熱層是集熱器中抑制吸熱板通過傳導向周圍環境散熱的部件。
                                    1.隔熱層的材料
                                    用于隔熱層的材料有:巖棉、礦棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用較多的是巖棉。雖然聚苯乙烯的導熱系數很小,但在溫度高于70℃時就會變形收縮,影響它在集熱器中的隔熱效果。在實際使用時,往往需要在底部隔熱層與吸熱板之間放置一層薄薄的巖棉或礦棉,在四周隔熱層的表面貼一層薄的鍍鋁聚酯薄膜,使隔熱層在較低的溫度條件下工作。即便如此,時間長久后,仍會有一定的收縮,所以使用聚苯乙烯時,應給予足夠的重視。
                                    2.隔熱層的厚度
                                    隔熱層的厚度應根據選用的材料種類、集熱器的工作溫度、使用地區的氣候條件等因素來確定。應當遵循這樣一條原則:材料的導熱系數越大、集熱器的工作溫度越高、使用地區的氣溫越低、則隔熱層的厚度就要求越大。一般來說,底部隔熱層的厚度選用30~50mm,側面隔熱層的厚度與之大致相同。


                                    外殼
                                    外殼是集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。
                                    1.外殼的技術要求
                                    根據外殼的功能,要求外殼有一定的強度和剛度,有較好的密封性及耐腐蝕性,而且有美觀的外形。
                                    2.外殼的材料
                                    用于外殼的材料有鋁合金板、不銹鋼板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。為了提高外殼的密封性,有的產品已采用鋁合金板一次模壓成型工藝。
                                    平板太陽能集熱器特點:
                                    平板型太陽能集熱器結構簡單,運行可靠,成本低廉,熱流密度較低,即工質的溫度也較低,安全可靠,與真空管太陽能集熱器相比,它具有承壓能力強,吸熱面積大等特點,是太陽能與建筑一體結合最佳選擇的集熱器類型之。
                                    通過了解什么是平板太陽能集熱器,平板太陽能集熱器工作原理,我們知道平板太陽能熱水器憑借與建筑結合的先天優勢,在太陽能與建筑一體化中扮演不可替代的作用。目前,平板太陽能集熱器已廣泛運用在各種企業事業單位、酒店賓館、工廠學校等,已成為健康生活的新風尚,享受來自太陽的免費熱水。


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