太阳集热器与太阳热水器系统

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1、太阳集热器与太阳热水器系统陆维德（北京市太阳能研究所，北京100083）O引言太阳热水是太阳热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。80年代，日本、澳大利亚。美国、以色列和希腊等国家出现新兴的太阳热水工业。进入90年代，中国在改革开放政策指引下，人民生活水平提高，对生活热水需求日益增长，促进了太阳热水工业的迅速发展。至1998年底，我国已有近20肋多万m2的太阳热水器／系统为城乡居民提供生活热水，拥有量占世界总量的四分之一，已被国际上公认为太阳热水器生产总量最多、潜在市场最大的国家。在我国的某些地区，太阳热水的成本已

2、与电或煤气／天然气加热的热水成本相当或者更低些。这为太阳热水在我国进一步发展奠定了基础，我国太阳热水产业的兴起与发展，除了有市场需求之外，主要是80年代以来我国科技工作者勤奋努力，坚持科技转化为生产力的方向，走产、学、研相结合道路的结果。当前在我国太阳热水器市场上几乎全部是国产品，而且某些品牌的集热器已出口国外。1主要研究成果1．1平板集热器集热器是太阳热水系统中承担能量转换的核心部件。国际上从20世纪50年代开始对平板集热器的稳态传热性能进行了系统分析，建立了HWB（Hottel一Wortz一Bliss）模型，为平板集热器热性能

3、分析和试验奠定了理论基础。我国学者西北工业大学张鹤飞和美国伊里诺理工学院卓尔曼·拉凡，对带有V个180°转弯的蛇形管板式吸热板的热迁移因子几进行了数学分析，并将Whillier一Hottel对凡的分析式归结为该矩阵方程在N=1的特例，该理论成果已为JohnA.Duffie和WilliamA.Beckman收入他们的名著《SolarEngineeringThermalProcesses》（太阳热转换工程）一书第2版第6章13节中。在80年代，我国在提高平板集热器热性能方面的研究工作集中在以下几方面：⑴改进吸热板结构以改善吸热板对介质

4、的传热性能。我国最早的平板集热器是由黑白铁作坊制造的，用铁丝将自来水管捆扎在带半圆形槽的薄铁皮上，涂以黑板漆，边框为木板，经测试它的集热效率方程为η＝北京市太阳能研究所研制的“扁盒式”吸热板，将镀锌钢板冲压成流道形状，再以点焊／缝焊合成，旨在消除捆扎管板结构间巨大的接触热阻，使集热器的效率因子提高约20妥。上海市能源研究所用防锈铝挤压一次成型的铝翅式吸热板亦出于同一思路。此外，清华大学、中国科技大学及中科院广州能源研究所等也分别对平板集热器隔热层最佳厚度、集热器空气夹层的最佳间距进行了理论分析和传热实验研究，有的学者也提出了成本／

5、效率法的最佳化设计方法，为平板集热器优化设计奠定了基础。（2）抑制平板集热器夹层内空气的自然对流，减少集热器热损失，提高集热器热性能的研究。国外，在70年代Hollands等提出在平板集热器透明盖层与吸热板间的夹层中放置透明蜂窝结构来抑制夹层内空气自然对流的设想，80年代国际上兴起了对透明隔热材料（TIM）的研究与开发，其中透明蜂窝结构是TIM中的一个分支。我国浙江大学、中国科技大学在透明蜂窝结构最佳化方面进行了大量的理论分析、实验研究以及技术开发工作，表明它对平板集热器热性能有不同程度的改善；中科院广州能源研究所报道了透明V形结

6、构对平板集热器热性能的影响。目前，以色列和德国开发了用聚酯薄膜制成方形蜂窝结构的生产设备，实现蜂窝结构产品化，但因其价格偏高，供热系统的性能／价格比尚不理想，至今应用还不多。（3）光谱选择性吸收涂层的研制。选择性吸收涂层是降低吸热板表面红外发射比，从而减少集热器热损系数的有效途径。我国已开发的选择性涂料有硫化铅漆和染料丙稀酸树脂漆、电镀膜工艺有黑铬、铝阳极氧化、电镀镍和磁控溅射铝／氮／铝等涂层。热管式平板集热器通过调整工质的组成和充装量，使它具有防冻、防腐，防垢和热容小起动快、系统联接简单等优点，引起研究者和厂商的兴趣。20世纪7

7、0年代国外文献对其已有所报道。我国在80年代初开始研究，其中北京市太阳能研究所对重力热管的传热工质及其传热特性、最佳充装量、蒸发段与冷凝段的最佳设计等进行了较全面的基础性研究，从理论上分析了热管式平板集热器效率因子的表达式，并试验得出管板式重力热管平板集热器的瞬时效率方程，与同类型常规集热器的瞬时效率方程进行对比，同时还对两者的日效率试验结果进行了比较。得到的结论是：热管式集热器虽然具有上述一些优点，但其热性能方面并无优势。这一结论对热管集热器的开发具有指导意义。1．2全玻璃真空集热音与集热器1978年美国贝幸昆先生来华技术交流，

8、带了一支Owens一Illinois太阳公司的全玻璃真空集热管的样品。玻璃真空管的内管外表面有光谱选择性涂层，内外管间抽成高真空，大大降低了集热管的热损系数（约是平板集热器的1/6～1/7），而真空环境在平板集热器的构造中是难以实现的。这个新构思引