Chapter ３ 太陽集熱器

Chapter ３太陽集熱器

3.1 概 述3.2 太陽能熱利用中的傳熱學基礎3.3 太陽集熱器的分類3.4 平板型太陽集熱器3.5 真空管太陽集熱器

3.1 概 述

太陽集熱器的定義是：吸收太陽輻射並將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。這短短的定義卻包括了豐富的含義：第一，太陽集熱器是一種裝置；第二，太陽集熱器可以吸收太陽輻射；第三，太陽集熱器可以產生熱能；第四，太陽集熱器可以將熱能傳遞到傳熱介質。

3.2 太陽能熱利用中的傳熱學 基礎

3.2.1 熱量傳遞的基本方式 傳熱學是研究物體之間或物體內部因存在溫差而發生熱能傳遞的規律。 熱能的傳遞是：傳導、對流和輻射。

1. 熱傳導 熱傳導是依靠物體質點的直接接觸來傳遞能量的。 傅立葉 (Fourier) 熱傳導定律，物體中的熱傳導速率（亦稱熱流率）是與溫度梯度及熱流通過的截面積成比例，即

k dT

q AdX

式中 qk── 熱傳導速率， W ； λ── 導熱係數 1 ， W/(m ． K) ； A ── 截面積， m2 ； T ── 溫度， K ； X ── 沿熱流方向的距離， m 。

2. 對流傳熱 對流傳熱只能在流體（液體和氣體）中發生。根據牛頓 (Newton) 冷卻定律，對流傳熱的換熱速率是跟表面與流體的溫度差以及與流體接觸的表面積成比例，即

c c s f( ) q h A T T

qc── 對流換熱速率， W ；hc── 對流換熱係數， W/(m2 ． K) ；A ── 與流體接觸的表面積， m2 ；Ts── 表面溫度， K ；Tf── 流體溫度， K 。

3. 輻射傳熱 輻射傳熱的過程是，物體的部分熱能轉變成電磁波。

蒂芬 - 玻耳茲曼 (Stefan-Boltzmann) 定律，物體的輻射功率是跟物體溫度的 4 次方及物體的表面積成比例，即

式中 qR── 輻射功率， W ； σ── 斯蒂芬 - 玻耳茲曼常數， 5.669×10-8W/(m2 ．K4) ； ε── 發射率； A ── 表面積， m2 ； T ── 表面溫度， K 。

4R q AT

3.2.2 太陽輻射的吸收、反射和透射 當太陽輻射投射在一個物體上時，部分輻射能量將被吸收，部分輻射能量將被反射，其餘的輻射能量將透過物體。根據能量守恒定律，應有

1

式中 α── 太陽吸收比； ρ── 太陽反射比； τ── 太陽透射比。

如果物體是不透明的

1

3.3 太陽集熱器的分類

3.3.1 按集熱器的傳熱介質類型分類1. 液體集熱器2. 空氣集熱器

3.3.2 依進入採光口的太陽輻射是否改變方向 分類1. 聚光型集熱器2. 非聚光型集熱器

3.3.3 依集熱器是否跟蹤太陽分類1. 跟蹤集熱器2. 非跟蹤集熱器

3.3.4 依集熱器內是否有真空空間分類1. 平板型集熱器2. 真空管集熱器

3.3.5 依集熱器的工作溫度範圍分類1. 低溫集熱器2. 中溫集熱器3. 高溫集熱器

各種太陽集熱器還可以進一步細分，以聚光型集熱器為例。

1. 依聚光是否成像 4. 其他聚光型集熱器 (1) 成像集熱器。 (1) 複合拋物面集熱器。 (2) 非成像集熱器。 (2) 多反射平面集熱器。 (3) 菲涅耳集熱器。2. 依聚焦的形式 (1) 線聚焦集熱器。 (2) 點聚焦集熱器。

3. 依反射器的類型 (1) 槽形拋物面集熱器。 (2) 旋轉拋物面集熱器。

3.4 平板型太陽集熱器

3.4.1 平板型集熱器的基本結構 平板型集熱器主要由吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成，如圖 3-1 所示。

圖 3-1 平板型集熱器的結構示意圖

1. 吸熱板 吸熱板是平板型集熱器內吸收太陽輻射能並向傳熱介質傳遞熱量的部件，其基本上是平板形狀。

(1) 對吸熱板的技術要求 a. 太陽吸收比高。 b. 熱傳遞性能好。 c. 與傳熱介質的相容性好。 d. 一定的承壓能力。 e. 加工技術簡單。

(2) 吸熱板的結構型式 根據中國國家標準

圖 3-2 吸熱板結構型式示意圖

(3) 吸熱板上的塗層

2. 透明蓋板 它的功能主要有三個：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

吸熱板在溫度升高後通過對流和輻射向周圍環境散熱。

3. 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。

3.4.2 集熱器的基本能量平衡方程 根據能量守恒定律，在穩定狀態下，集熱器在規定時段內輸出的有用能量等於同一時段內入射在集熱器上的太陽輻照能量減去集熱器對周圍

環境散失的能量，即

式中 QU ── 集熱器在規定時段內輸出的有用能量， W ；

QA ── 同一時段內入射在集熱器上的太陽輻照能 量， W ； QL ── 同一時段內集熱器對周圍環境散失的能量， W 。

U A L Q Q Q

3.4.3 集熱器總熱損係數 集熱器總熱損係數定義為：集熱器中吸熱板與周圍環境的平均傳熱係數。只要集熱器的吸熱

板溫度高於環境溫度，則集熱器所吸收的太陽輻射能量中必定有一部分要散失到周圍環境中去。

圖 3-4 平板型集熱器散熱損失示意圖

如圖 3-4 所示，平板型集熱器的總散熱損失是由頂部散熱損失、底部散熱損失和側面散熱損失三部分組成，即

式中 Qt 、 QB 、 Qe── 頂部、底部、側面散熱損失， W ； Ut 、 UB 、 Ue── 頂部、底部、側面熱損係數， W/(m2 ． K) ； At 、 AB 、 Ae── 頂部、底部、側面面積， m2 。

L t b e

t t p a b b p a e e p a ( )+ ( )+ ( )

Q Q Q Q

AU t t A U t t A U t t

3.4.4 集熱器效率方程及效率曲線

1. 集熱器效率方程 集熱器效率的定義為：在穩態（或準穩態）條件下，集熱器傳熱介質在規定時段內輸出的能量與規定的集熱器面積和同一時段內入射在集熱器上的太陽輻照量的乘積之比，即

式中， η 為集熱器效率。

UQ

AG

2. 集熱器效率曲線 將集熱器效率方程在直角座標系中以圖形表示，得到的曲線稱為集熱器效率曲線，或稱為集熱器瞬時效率曲線。

圖 3-6 三種形式的集熱器效率曲線

3. 集熱器面積 (1) 吸熱體面積 (AA) 平板型集熱器的吸熱體面積是吸熱板的最大投影面積，見圖 3-7 。

(2) 採光面積 (Aa) 平板型集熱器的採光面積是太陽輻射進入集熱器的最大投影面積，見圖 3-8 。

(3) 總面積（表面積） (AG) 平板型集熱器的總面積是整個集熱器的最大投影面積，見圖 3-9 。

圖 3-7 平板型集熱器的吸熱體面積

AA ＝ (Z×L3×W3) ＋ [Z×W4×(L4 ＋ L5)] ＋ (2W6×L6)式中， Z 為翅片數量； L3 為翅片長度； W3 為翅片寬度； W4 ， W6 ， L4 ， L5 ， L6 見圖。

圖 3-8 平板型集熱器的採光面積Aa ＝ L2×W2

圖 3-9 平板型集熱器的總面積 AG ＝ L1×W1

L1 為最大長度（不包括固定支架和連接管道）W1 為最大寬度（不包括固定支架和連接管道）

3.4.5 平板型集熱器的熱性能試驗1. 集熱器有用功率的測定2. 集熱器效率的計算3. 統一化溫差的計算4. 瞬時效率曲線的測定

3.4.6 平板型集熱器的技術要求 平板型集熱器的技術要求，其主要內容歸納在表 3-5中。

試驗項目 技術要求

熱性能試驗 不低於 0.68FRUL 不高於 6.0W/(m2 ． K)

空曬試驗 應無變形、開裂及其他損壞悶曬試驗 應無洩漏及明顯變形內通水熱衝擊試驗 應無洩漏、變形、破裂及其他損壞外淋水熱衝擊試驗 應無明顯變形及其他損壞淋雨試驗 應無滲水和破壞強度試驗 應無損壞及明顯變形，塑料透明蓋板應不與吸熱板接觸剛度試驗 應無洩漏、損壞及過度永久性變形耐壓試驗 應無傳熱介質洩漏防雹（耐衝擊）試驗 應無劃痕、翹曲、裂紋、破裂、斷裂或穿孔

外觀檢查

吸熱板在外殼內應安裝平整，間隙均勻塗層應無剝落、反光及發白現象透明蓋板應與外殼密封接觸，應無扭曲及明顯劃痕隔熱層應當填塞嚴實，不應有明顯萎縮或膨脹隆起，不允許有發霉、變質或釋放污染物質的現象外殼的外表面應平整，無扭曲、破裂、應採取充分的防腐措施

( )R e

F

表 3-5 平板型集熱器的技術要求

3.5 真空管太陽集熱器

按吸熱體的材料種類，真空管集熱器可分為兩大類。

(1)全玻璃真空管集熱器。

(2) 金屬吸熱體真空管集熱器。

3.5.1 全玻璃真空管集熱器1. 全玻璃真空集熱管的基本結構 全玻璃真空集熱管是由內玻璃管、外玻璃管

、選擇性吸收塗層、彈簧支架、消氣劑等部件組成，其形狀猶如一只細長的暖水瓶膽，如圖 3-11 所示。

圖 3-11 全玻璃真空集熱管結構示意圖

(1) 玻璃(2) 真空度(3) 選擇性吸收塗層

(1) 空曬性能參數的測定 (2) 悶曬太陽曝輻量的測定 (3) 平均熱損係數的測定

4. 全玻璃真空集熱管的改進型式 一種是將帶有金屬片的熱管插入真空集熱管中，使金屬片緊緊靠在內玻璃管的內表面，見圖 3-12(a) ；另一種是將帶有金屬片的 U 形管插入真空集熱管中，也使金屬片緊緊靠在內玻璃管的內表面，見圖 3-12(b) 。

2. 全玻璃真空集熱管的技術要求

3. 全玻璃真空集熱管的熱性能測試

圖 3-12 兩種改進型式的全玻璃真空集熱管

3.5.2 熱管式真空管集熱器

1. 熱管式真空集熱管的基本結構 熱管式真空集熱管是金屬吸熱體真空集熱管的一種，它由熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑等部分構成，其中熱管又包括蒸發段和冷凝段兩部分，如圖 3-13 所示。

圖 3-13 熱管式真空集熱管結構示意圖

(1) 熱管(2) 玻璃 - 金屬封接(3) 真空度與消氣劑

2. 熱管式真空集熱管的技術要求

3. 熱管式真空集熱管的熱性能測試

4. 熱管式真空管集熱器的基本結構 熱管式真空管集熱器由真空集熱管、導熱塊、連集管、隔熱材料、保溫盒、支架、套管等部分組成，如圖3-14 所示。

圖 3-14 熱管式真空管集熱器結構示意圖

3.5.3 其他型式金屬吸熱體真空管集熱器 金屬吸熱體真空管集熱器的共同優點如下：

(1) 運行溫度高。

(2) 承壓能力強。

(3) 耐熱衝擊能好。

金屬吸熱體真空管集熱器

1. 同心套管式真空管集熱器

圖 3-15 同心套管式真空集熱管示意圖

2.U 形管式真空管集熱器

3. 儲熱式真空管集熱器

圖 3-16 U 形管式真空集熱管示意圖

圖 3-17 儲熱式真空集熱管示意圖

4. 內聚光真空管集熱器

5. 直通式真空管集熱器圖 3-18 內聚光式真空集熱管示意圖

圖 3-19 直通式真空集熱管示意圖

3.5.4 真空管集熱器的熱性能試驗1. 瞬時效率曲線的測定

2. 真空管集熱器面積 國際標準 ISO 9488—1999 《太陽能術語》對真空管集熱器也提出了三種集熱器面積的定義，它們分別是：吸熱體面積、採光面積、總面積（表面積）。

(1) 吸熱體面積 (AA) 真空管集熱器的吸熱體面積是 吸熱體的最大投影面積，見圖 3-20 。

圖 3-20 真空管集熱器的吸熱體面積

AA ＝ N×(L3×W3) ＋ N×W4×(L4 ＋ L5)N 為真空管數量； L3 為吸熱體長度；W3 為吸熱體直徑或寬度； W4 ， L4 ， L5 見圖

(2) 採光面積 (Aa) 真空管集熱器的採光面積是非會

聚太陽輻射進入集熱器的最大投影面積。

圖 3-21 無反射器的真空管集熱器的採光面積

Aa ＝ L2×d×NL2 為真空管未被遮擋的平行和透明部分的長度；d 為外玻璃管內徑；N 為真空管數量

圖 3-22 有反射器的真空管集熱器的採光面積

Aa ＝ L2×W2

L2 為外露反射器長度； W2 為外露反射器寬度

(3) 總面積（表面積） (AG) 真空管集熱器的總面積 是整個集熱器的最大投影面積，不包括那些固 定和連接傳熱介質管道的組成部分，見圖 3-23 。

圖 3-23 真空管集熱器的總面積

AG ＝ L1×W1

L1 為最大長度（不包括固定支架和連接管道）；W1 為最大寬度（不包括固定支架和連接管道）