平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置,它是一种特殊的热交换器,集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。平板太阳能集热器是由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。在加接循环管道,保温水箱后,即成为能吸收太阳辐射热,使水温升高。
平板太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件,也一直是世界太阳能市场的主导产品。平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。用平板太阳能集热器部件组成的热水器即平板太阳能热水器。平板太阳能集热器主要由平板太阳能集热器吸热板、平板太阳能集热器透明盖板、平板太阳能集热器隔热层和平板太阳能集热器外壳等几部分组成。
平板太阳能集热器的基本工作原理十分简单。概括地说,阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上,其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收,转变为热能,并传向流体通道中的工质。这样,从集热器底部入口的冷工质,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,蓄入贮水箱中待用,即为有用能量收益。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,构成平板太阳集热器的各种热损失。
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。
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:
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。
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。
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