如何选择太阳能集热器类型

太阳能集热器的类型与特点分析作者：夏伟淳来源：《中国科技博览》2018年第13期[摘要]随着环境的破坏和能源的大量消耗，发展新能源技术已经成为21世纪的重点领域，与传统能源相比，太阳能取之不尽、用之不竭，无污染，是一种理想的能源。

太阳能集热器是一种将分散的太阳辐射能集中起来并转换为热能的装置，在多个领域都有应用，本文就太阳能集热器的类型与特点进行分析。

[关键词]太阳能集热器类型特点中图分类号：R735 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）13-0040-01太阳能集热器是一种将分散的太阳辐射能集中起来并转换为热能的装置，是太阳能热利用系统中的关键装置和核心部分。

太阳能集热器可以应用于太阳能热水器、太阳能干燥器以及太阳能热电站等不同的领域。

要想更好地利用太阳能集热器，就必须了解太阳能集热器的分类及特点。

一、太阳能集热器的分类电子技术的发展为太阳能集热器类型的多样化发展提供了可能。

首先，按照进入采光口的太阳辐射方向可以把太阳能集热器分为聚光型集热器和非聚光型集热器；而依照传热工质类型，可以把太阳能集热器分为液体型集热器和空气型集热器；有真空空间的太阳能集热器是真空管型集热器，不存在真空空间的为平板型太阳能集热器。

其中平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器是我们日常生活中最为最为常见的类型。

1.平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器的主要构件有吸热体、透明盖板、隔热层和外壳等，在太阳能低温热利用体系中属于基本器件。

太阳光透过透明盖板投射在吸热体上，大部分太阳辐射能会被吸热体吸收，而后自动转换为热能，然后将热能传递给吸热体内的传热工质，温度会随着太阳辐射的增多而逐渐升高，有用热能慢慢在集热器中聚集。

同时，随着吸热体内温度的升高，透明盖板和外壳向会将吸附的热量向周围环境缓慢疏散，成为平板型太阳集热器的重要的热损失途径。

2.真空管型的太阳能集热器真空管型太阳能集热器是以平板型太阳能集热器为基础而研发的新型集热装置。

太阳能集热系统设计要点1.集热器选择：太阳能集热器是太阳能集热系统的核心部件，其选择对系统的效率和性能至关重要。

常见的太阳能集热器有平板式、真空管式和抛物面式等。

平板式集热器结构简单，造价低廉，适用于低温热水供应或采暖；真空管式集热器具有较高的效率和稳定性，适用于高温热水供应或其他高温热负荷；抛物面式集热器则可以实现对太阳光的更好聚焦效果。

2.集热面积设计：太阳能集热器的面积需要根据用户的热水需求和当地的日照情况进行合理设计。

面积过小可能无法满足需求，面积过大则会带来过度投资。

一般来说，每个用户的热水需求和日照条件都有所不同，因此需要根据具体情况进行计算和调整。

3.系统循环设计：太阳能集热系统的循环方式一般有自然循环和强迫循环两种。

自然循环是利用热水的密度差异实现自然对流，适用于低温热水系统；强迫循环则需要配备循环泵来强制循环热水，适用于高温热水系统。

循环管道的设计应考虑到循环效率、水压损失和管道阻力等因素，确保系统的正常运行。

4.热储备设计：为了确保系统在夜晚或连续阴天时仍能够正常供热，需要设计合适的热储备装置。

常见的热储备方式包括水箱、水塔和热储砂等。

热储备装置的容积设计需根据用户需求和系统运行条件进行合理配置，以确保系统的稳定性和可靠性。

5.系统管道及绝缘设计：太阳能集热系统中的管道需要合理布局和绝缘保护，以最大程度减少热损失和能量浪费。

管道的材质和直径应考虑到输送介质的压力和温度等因素，从而保证系统的运行效率和安全性。

同时，在低温系统中采用合适的绝缘材料将热量损失降至最低。

6.控制系统设计：太阳能集热系统需要配备合适的控制系统来实现对系统的监控和调节。

控制系统可以根据系统的运行状态和室内外环境的变化，切换系统的循环方式、改变集热器的角度或关闭循环泵等，以最大限度地提高系统的效率和性能。

7.维护和清洗：定期的维护和清洗对太阳能集热系统的正常运行至关重要。

太阳能集热器表面的灰尘、沙尘和雨水等会影响集热器的吸收效率，因此需要定期对集热器进行清洗和检查。

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。

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。

太阳能热水器的集热器选型与性能优化太阳能热水器作为一种环保、节能的能源利用设备，受到了越来越多家庭和企事业单位的青睐。

而其中最重要的组成部分就是集热器。

集热器的选型和性能优化对太阳能热水器的效率和使用寿命有着至关重要的影响。

首先，我们来看一下太阳能热水器的集热器选型。

太阳能热水器的集热器主要有平板式和真空管式两种。

平板式集热器是将太阳能转化为热能的关键部件，其主要由吸热板、导热板、隔热层和罩板组成。

平板式集热器具有结构简单、制造成本低等优点，适用于一般家庭和小型商业场所。

而真空管式集热器则采用了真空管的设计，具有更高的热转换效率和更好的保温性能，适用于大型商业和工业用途。

在选择集热器的时候，需要根据实际需求和使用环境来进行选择。

其次，我们来谈一下太阳能热水器集热器的性能优化。

性能优化主要包括提高热转换效率和延长使用寿命两个方面。

提高热转换效率可以通过以下几个方面来实现。

首先，选择合适的吸热板材料。

吸热板材料应具有良好的热导性和光吸收性能，以提高热转换效率。

其次，合理设计集热器的结构。

集热器的结构设计应考虑到光照角度、热损失和流体流动等因素，以最大程度地提高热转换效率。

此外，还可以采用辅助加热装置来提高热转换效率。

辅助加热装置可以在太阳能不足或天气不好的情况下提供额外的热能，保证热水的供应。

延长使用寿命是太阳能热水器集热器性能优化的另一个重要方面。

为了延长集热器的使用寿命，首先要选择耐候性好的材料。

太阳能热水器集热器常暴露在户外环境中，需要能够抵御紫外线、酸雨和高温等因素的侵蚀。

其次，要加强集热器的维护和保养。

定期清洗集热器的吸热板和罩板，清除上面的灰尘和污垢，以保证光的透过率和热的传导效果。

此外，还要检查集热器的密封性能，及时更换老化和损坏的密封件，防止漏水和热损失。

最后，要注意集热器的防冻措施。

在寒冷地区使用太阳能热水器时，需要采取相应的防冻措施，避免集热器因结冰而受损。

总之，太阳能热水器的集热器选型和性能优化对其效率和使用寿命有着重要的影响。

太阳集热器太阳集热器是吸收太阳辐射能并向工质（水或空气）传递热量的装置，它是太阳热水器最重要的组成部分，其性能与成本对太阳热水器的优劣起着决定性作用。

太阳集热器的分类1、根据收集太阳能量方法分类（1）聚光型太阳热水器它是利用抛物面或凹面镜收集太阳的直射辐射能量。

由于吸热面积小于采光面积，所以热损失小，适用于高温集热。

其装置结构可分为跟踪与不跟踪两种。

（2）平板型太阳热水器它的采光面积与吸热面积相等。

它不仅可接收直射辐射还可接收散射辐射，因此一般不需要跟踪。

2、根据吸收太阳能的工质不同分类（1）工质为液体（水）它称为液态集热器，太阳热水器大部分集热器均以水为工质，也有部分集热器采用耐低温防冻介质。

（2)工质为气体它称为空气集热器，是太阳能干燥装置的重要部件。

其干燥温度范围一般为40～70℃。

3、根据集热器吸热体的不同结构分类（1）平板集热器它是以金属或非金属做成吸热板的集热器，其集热温度一般为中温或低温，即环境温度为θ0＋（20～40）℃或环境温度为θ0＋（10～20）℃。

特种平板集热器集热温度可达中高温为θ0＋（40～70）℃。

（2）全玻璃真空管集热器它是以全玻璃真空集热管组合而成，其集热温度范围为中温或中高温，即θ0＋（20～40）℃或θ0＋（70～120）℃。

当然，中低温也可以应用，但却未能充分发挥其特性。

（3）热管真空管集热器它是以热管真空管组合而成。

其集热温度范围为中温或中高温，即θ0＋（20～40）℃或θ0＋（40～70）℃。

太阳集热器的结构实例全玻璃真空管集热器和热管真空管集热器的结构将在相应的章节中予以叙述。

这里仅重点介绍几种平板型集热器结构实例。

1、常用平板型集热器单层玻璃并带有黑色涂层的集热器；表面涂层为选择性吸收膜；盖板采用塑料薄膜，质量轻耐冲击，但抗老化差些；在盖板和吸热体之间放入垂直蜂窝透明材料，以减少热损失；均考虑在寒冷地区使用。

2、特殊用途平板集热器当平板集热器用于中高温（如制冷需在90℃左右）集热时，则必须做成选择性涂层并加入透明的玻璃棉，以减少热损提高集热温度，这种结构是为了减少盖板一侧的热损；而同时也是为了减轻质量。

全玻璃真空管太阳集热器的分类及特点目前市面上全玻璃真空管太阳集热器主要有三大系列产品，分别是：普通型全玻璃真空管太阳集热器、热管式全玻璃真空管太阳集热器和U型管式全玻璃真空管太阳集热器三大系列产品。

目前仍然以普通型全玻璃真空管太阳集热器为主，下面就三大系列产品的结构和特点逐一介绍。

（一）普通型全玻璃真空管太阳集热器1、组成：真空管、联箱、尾座、支架组成。

分横管和竖管两种。

（1）真空管构造：真空管是全玻璃真空管集热器的核心部件、是整个太阳能系统的发动机，其性能优劣决定着整个系统的得热性能和寿命。

真空管构造图④③⑦⑥⑤②①①罩玻璃管②内玻璃管③卡子④吸气剂⑤真空夹层⑥选择性吸收涂层⑦吸气膜（2）真空管材质要求：真空管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量5%以下；热稳定性好；热膨胀系数低为3.3×10-6/℃；耐热冲击性好，耐热温差大于200℃；有较高的机械强度；较好的抗化学腐蚀性能；具有良好的光学性能，透光率≥ 0.89）（3）真空管技术要求：①材料采用硼硅玻璃3.3；②空晒性能参数y≥175m2•℃/kW（当太阳辐照度G≥800W/ m2,环境温度t在8～30℃之间）③闷晒到水温增加35℃所需的太阳能曝辐量≤3.8MJ/ m2（当太阳辐照度G≥800W/ m2,环境温度t在8～30℃之间）④平均热损失系数≤0.9W/ m2·℃⑤真空度≤5×10-2Pa；⑥耐热冲击应能承受25℃以下冷水和90℃以上热水交替反复冲击3遍而不损坏；⑦耐压冲击应能承受0.6Mp的压力；⑧抗冰雹要求应在径向尺寸不大于25mm的冰雹袭击下不损坏。

（4）真空管镀膜技术目前真空管的镀膜工艺有两种：渐变镀膜工艺和干涉镀膜工艺，过去常用的“晒乐”真空管就是采用渐变镀膜工艺，为真空管式太阳能热水器的推广和普及奠定了坚实的基础；皇明太阳能推出的干涉镀膜工艺是真空管的镀膜技术得到进一步的发展，吸收率更高、散热率更低。

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。

一、太阳能热水器过热、过压保护传统的分体式太阳能热水器多采用U形管集热器或热管型集热器，以上两种集热器由于采用玻璃外管（如下图），内部呈真空状态，所以极易产生过热现象。

过热造成的危害一般是两方面：一是由于新房交工、装修期间或用户不使用期间极易造成集热器空晒，致使集热器吸热翅片温度超过160℃时产生氧化，因而损坏集热器或大大缩短其使用寿命和集热效率；二是水箱温度过热易造成烫伤、过压或水箱内胆搪瓷层脱落或开裂，因为造成水箱内胆损坏。

目前，电热水器的国家标准中规定，最高温度不允许超过75℃的原因也是基于以上原因。

综合上述因素，我公司推荐本项目使用平板分体式太阳能热水器。

平板集热器是一项很成熟的技术，在国外的市场占有率高达75%以上，在国内由于其价格较高，所以占有率较低。

平板集热器的优点一是在低温热水（60℃）应用中效率最高，平均热性能高于其它类型集热器10%以上；二是不会产生高温，因平板集热器不能采用真空工艺，所以在高温状态下其热损较大，故系统不会有高温、超压现象；三是安全，相比真空管型集热器，无炸管、漏水等安全隐患。

二、市场情况目前我国太阳能集热器产品中，占绝对主导地位的全玻璃真空管集热器，其在与建筑物的结合方面却存在一系列问题：1、运行安全问题：玻璃管直接与被加热的流体接触，由于玻璃管易破碎，极易造成系统瘫痪。

2、密封可靠性问题：玻璃管与金属水箱密封只能靠硅胶圈，对硅胶耐温、耐老化的要求极高，稍有不慎会漏水；玻璃管中也易形成水垢，很难清除；室外管道在北方也存在冻裂的隐患，等等。

都影响系统的可靠性。

3、承压运行问题：由于真空管本身的耐压能力限制，以及真空管与水箱之间的软连接结构，使得系统不能承压运行，无法提供高品质的热水，限制了该类热水器的进一步推广和大面积系统的应用。

4、与建筑结合问题：现在的太阳能热水器在建筑上安装极为混乱，排列无序，给建筑景观、建筑安全性都带来了不利影响。

5、集热器寿命问题——玻璃管的绝热性能依赖真空夹层，真空度的保持年限无法达到建筑行业要求。

各种类型集热器性能优劣比较太阳能光热产业经过几十年的发展，现在已经呈现产品多样、类型多样、系统多样的格局，太阳能光热系统的核心元件——集热器也出现多种产品，概况起来有以下几种：图0、集热器种类结构图一、 结构特点和使用性能1、 真空管型集热器真空管型集热器包括全玻璃真空管型太阳能集热器、玻璃-金属结构真空管型集热器；全玻璃真空管型太阳能集热器根据使用的方式又可以细分为直插式集热器、U 型管式集热器和热管式集热器三种。

总体来说，真空管型集热器的吸热部件是真空管，具有以下特点：● 真空集热管具有真空夹层，空气对流和传导几乎为0，保温性能非常好（就象保温瓶一样），热损系数非常小，空晒温度达到200℃以上，部分达到280℃左右。

● 真空集热管是圆柱形的管状，太阳从不同方向入射时其截面不变，因此具有准跟踪性能，即早晚阳光较偏时得热量也较高。

同时对各个角度的光线都有吸收，对散射光吸收也较 好，因此在散射光较多的多云天气和略阴的天气，效率也较高。

图1、真空管接收光照示意图具体来讲，各种类型又具有各自的特点：1.1直插式真空管集热器此种类型集热器是水工质直接在真空管内流通，然后通过自然/强制循环，将热量存储并使用。

这种集热器在非承压状态下运行，对系统要求不高，安装方便。

但是直插式真空管集热器也有自身的缺点：系统抗冻性能差，对冬季防冻要求比较高；一旦发生真空管破裂，整个系统将停止运行，对维护要求比较及时；严禁在空晒状态下补水，避免发生真空管炸裂。

这种系统主要使用在低端家用系统、低端小工程和防冻要求不高的地区。

1.2U型管式和热管式真空管集热器U型管式和热管式真空管集热器是在真空管内装配U型铜管或者热管，对集热器进行空晒，通过循环在U型铜管或热管中的工质将热量带出，直接加热水或者在水箱内经过盘管换热加热水。

图2图3、U型管式真空管结构及传热示意图这种系统由于使用大量金属，所以初期投资相对较高，但总体的性价比仍然处于较高的水平，相比平板和玻璃-金属集热器具有优势；系统要经过两次换热，相比于直插式集热器，升温速度稍慢，但是从能量守恒的角度来讲，系统的得热量并没有减少，并且在继承了全玻璃真空管的高性能、可靠性高和准跟踪的优点的同时，还具有直插式集热器不可比拟的优势：a.运行安全系数高，工质在铜管和热管内循环，不直接在真空管内循环，整套系统可以承压运行，并且发生真空管破裂时整套系统正常运行；b.对防冻要求不高，由于管路中循环的是防冻液，工质冰点低；c.现场安装容易，装配简单。