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太阳能集热器的选型

Abstract：An Introduction of the advantages and disadvantages of the flat plate solar concentrator, the glass vacuum tube solar concentrator and the heat pipe solar concentrator, comprehensively evaluating the different kinds of the solar concentrator.

Key words: solar concentrator, type selection and comparison, comprehensive evaluation

摘要：对目前常用的平板型、玻璃真空管型及热管型等太阳能集热器的优缺点进行了介绍，并对各种太阳能集热器进行了综合比较。

关键词：太阳能集热器，选型比较，综合评价

胸针设计

1各种太阳能集热器的特点和应用范围

太阳能集热器的类型主要有：平板型太阳能集热器、真空管型太阳能集热器两大类。每一大类太阳能集热器又分多种品种，每一种的太阳能集热器各有其特点和应用范围。

1.1平板型太阳能集热器类

平板型太阳能集热器俗称平板集热器，其基本结构由透明盖板、吸热板、保温层和外壳组成。

其工作原理为：当太阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收涂层的吸热板上时，吸热板吸收太阳的辐射能，将其转换成热能，并将热能传给吸热板流道内的工质，使流道内的工质温度升高；从集热器进口进入吸热板的较低温度的工质，在吸热体流道内被加热升温后，从集热器出口流走，并将有用的热能带走；与此同时，吸热板温度升高，透过透明板和外壳向周围环境散失热能，为减少散热，在平板太阳集热器底部和边框四周填充保温材料。

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。减少这部分热损失的最有效措施是将其间的空气抽去，形成真空。但由于平板集热器的结构和形状等原因，这一措施一时还难于实现，因此，平板集热器只能运行在60℃ 以下的工作温度，若运行温度较高时，集热效率明显降低。在冬季，环境温度较低，平板集热器的热损失很大，还面临被冻坏的危险。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。

1.2真空管型太阳能集热器类

由若干支真空管按一定规则排成阵列，与联集管、尾架和反射器等组装成的太阳集热器模块称为真空管太阳集热器。由于真空管采用真空保温，因此，散热损失比平板集热器显著减小，在60℃以下的工作温度下，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。

近十几年来，真空管集热器得到了广泛的应用，并分化出许多类型的产品，不同类型的真空管集热器，其性能差别很大，应用范围也不同。现分述如下:

1.2.1全玻璃真空管太阳能集热器

1) 普通型全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管由玻璃管、太阳能吸收膜、真空夹层、外玻璃管、支撑卡子、吸气剂组成。

当太阳光透过外管，照射到内管外壁时，镀有选择性涂层的内管外壁将太阳能转变成热能，并传给内管中的工质。由于内、外管之间被抽成了真空，再加上选择性涂层对太阳光的高吸收率、低红外发射率，从而最大限度的减小了散热损失。

普通平板集热器的热损系数为，采用选择性涂层的平板集热器，其热损系数只能降到，而全玻璃真空管的热损系数都在以下，远小于平板集热器。因此全玻璃真空管的空晒温度可以达到200℃ 以上，能轻松的将冷水烧开。全玻璃真空管在中、高温区域具有较高的集热效率，同时在一18℃的温度下，仍能正常产生热水。

普通型全玻璃真空管的优缺点主要如下：

优点：太阳能集热效率高、成本低，因此在家庭太阳能热水器上被广泛采用。

缺点：真空管破碎后管内介质泄漏；真空管与联集管采用橡胶密封，不能承压运行。

2)改进型全玻璃真空管集热器。

为解决全玻璃真空管集热器易破碎和不能承压的缺点，太阳能生产厂家对其做了改进，推出了改进型的全玻璃真空管集热器。比较成熟的主要有U形管全玻璃真空管集热器和热管全玻璃真空管集热器。

U形管全玻璃真空管集热器工作原理是：在太阳光照射下，全玻璃真空管内管吸收太阳辐射能，内管内壁及内管内的空气被加热达到较高的温度，铝翼片将热能传递给U形铜管外壁，再传给U形铜管内的液体介质(一般为防冻液)，通过联集管内液体介质的循环流动，将热能带走。

U形管集热器的优缺点如下：

优点：1．真空管内不走水，不存在炸管泄漏问题；2．可以承压运行；3．可以任意摆放。

缺点：1．热效率显著下降；2．成本显著增加；3．系统阻力大，循环介质容易过热汽化。

小热管集热器是一种在全玻璃真空管内插入一根金属热管，热管受热端与真空管内壁通过翅片紧密结合，热管冷凝端插入联集管内，联集管外用保温材料保温，联集管左右留有介质进出管口。

其工作原理是：在太阳光照射下，全玻璃真空管内管吸收太阳辐射能，内管内壁内的翅片被加热，翅片将热能传递给热管吸热端，再通过热管传到热管的冷凝端，热管冷凝端再将热能传给联集管中的介质。

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小热管集热器同样解决了玻璃管破碎，介质泄漏等问题。

小热管集热器的优缺点如下：

优点：1．真空管内不走水，不存在炸管泄漏问题；2．可以承压运行。

缺点：1．热效率显著下降，冬季效果更差；2．成本显著增加。

1.2.2 玻璃一金属封接真空管太阳能集热器

1)玻璃一金属封接式真空管

玻璃一金属封接式真空管的结构与全玻璃真空管相似，所不同的是全玻璃真空管的吸热体是玻璃管，而玻璃一金属封接式真空管的吸热体是金属吸热片；全玻璃真空管的吸热体(内管)与外管是靠玻璃与玻璃熔封在一起，而玻璃一金属封接式真空管的吸热体与外玻璃管是靠玻璃与金属封接在一起的。由此可见，全玻璃真空管采用玻璃与玻璃熔封，其加工技术和工艺相对比较简单，成本低，但玻璃吸热体易破碎，可靠性差。玻璃一金属真空管采用玻璃与金属封接，由于金属与玻璃的热膨胀系数不同，在封接技术方面较为困难，因而工艺复杂，成本高，但金属传热体具有稳定、可靠、承压、耐冷热冲击等优点。

目前，国内生产的玻璃一金属封接式真空管主要有热管式和直流式两种。

2)玻璃一金属封接式热管真空管集热器

此种集热器也被称为大热管集热器，其工作原理是：太阳光透过玻璃管照射到金属吸热板上，涂有选择性涂层的吸热板将太阳辐射能转变成热能，吸热板上的热管吸热端吸收热能后，热管介质汽化并上升到热管冷凝端，热管冷凝端将热能传给铝传热块，铝传热块再传给铜管联集管内的介质(一般为水)。

大热管集热器的优缺点如下：

优点：80℃左右的工作温度段仍具有较高的热效率；系统可以直接用水作为传热工质，且大热管与联集管拆卸方便，因此安装和管理维护简单方便；系统传热工质仅在集热器联集管内流动，系统阻力小，不易过热，运行可靠；系统可承压运行，且不存在炸管泄漏问题。

缺点：大热管制造工艺复杂，技术含量高，成本较高。

1.2.3 CPC热管式真空集热器

CPC热管式真空管集热器是一种新型的太阳能集热装置。它由非跟踪聚焦型的复合抛物面聚光器CPC和热管式真空管（接收器）组成。CPC是一种非成像低聚焦的聚光器。它根据

边缘光线原理设计，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。热管式真空管将光能转化为热能，再由介质带走。

CPC热管式真空管集热器同时运用了真空技术和热管技术，具有热损失少、热容量小、热二极管特性、宽工作范围等优点，是一种性能良好的中温集热器。

2对太阳能集热器的要求和综合比较

2.1太阳能系统对太阳能集热器的要求主要应包括如下几点：

1)集热器在70℃ ～80℃的工作期间具有较高的热效率，以达到充分利用太阳能源的效果；

2)集热器能够承压运行，以确保系统工作可靠；

3)集热器能够水平放置，以方便楼面太阳能布局和整体美观协调等；

4)太阳能系统后期使用管理的方便性；

5)系统运行的可靠性；

6)太阳能系统的存在不会给机场、人流多的公共场所带来任何可能的安全隐患。

2.2各种太阳能集热器的综合评价

根据各种太阳能集热器的热效率、承压性能、布置方式、可靠性、后期管理及成本等方面综合评价，结果见下表。

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类型	平板太阳能集热器	全玻璃真空管太阳能集热器	U形管全玻璃真空管集热器	小热管集热器	大热管集热器	CPC热管式真空管集热器
效率	15%	60%	30%	37%	60%	60%
承压性能	承压	不承压	承压	承压	承压	承压
可靠性	易结冰	易破碎泄漏	易过热	可靠	可靠	可靠
管理方便性	电容器组需配备专用设备补充泄漏的防冻液	需更换	需配备专用设备补充泄漏的防冻液	方便	方便	易于安装、维修
管理方便性	防冻液需花较大成本	需更换	防冻液需花较大成本	方便	方便	易于安装、维修
载荷谱系统成本	低	低	较高	较高	最高	较高