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太阳能集热系统设计介绍

时间:2019-05-28

太阳能集热系统的设计包括:太阳能集热器产品选型,太阳能集热器产品的效率计算、太阳能集热器面积的计算、太阳能集热器(及基础)平面布置设计等。


一、太阳能主要集热器产品介绍


现在,我国太阳热水系统中主要使用平板型太阳能集热器,全玻璃真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器三种类型。


1.平板太阳能集热器。


(1)结构及性能参数。


平板集热器主要由板芯、边框、玻璃盖板和背板等组成,各部分的材质及性能如图1和表1所示。

太阳能集热系统设计介绍

(2)产品特点及应用

太阳能集热系统设计介绍

平板型太阳能集热器和其他太阳能集热器相比具有三大特点:适合与建筑相结合,适合于做成承压系统;单位集热面积大,得热量高,全年同等单位面积产水量要高于其他类型太阳集热器。


由平板型太阳能集热器构成的太阳能热水系统,是最早使用且至今仍在广泛使用,并获得普遍好评的太阳能热水系统形式。平板型太阳集热器具有集热效率高,使用寿命长,承压能力好,耐候性好,水质清洁,平整美观等特点。平板型太阳集热器是使用最早且至目前仍在使用,被广泛应用并获得好评的太阳集热器形式。但平板型太阳能集热器是由铜铝等金属制造,冬季使用时有可能集热器内的水会结冰而使吸热板胀裂,因而容易被冻坏,过去常被用作三季太阳热水系统中使用。随着人们对太阳能产品使用要求的提高,同时考虑到平板型太阳能的优越性能和经久耐用的特点,尤其是对使用者投资来说,具有投入较低的费用而得到较大的产出热量的性能,与安装其他太阳能热水系统相比较可以节约大量的资金,有较好的经济性价比。


2.全玻璃真空管太阳能集热器


(1)单管结构


全玻璃真空集热管是由内玻璃管、外玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成,形状如一只细长的暖水瓶胆。


全玻璃集热管采用一端开口,将內玻璃管和外玻璃管的一端管口进行环状熔封;另一端都密闭成半球形圆头,内玻璃管用弹簧支架支撑,而且可以自由伸缩,以缓冲它热胀冷缩引起的应力;内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。弹簧支架上装有消气剂,在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体,保持管内真空度。目前我国已商品化生产的全玻璃真空集热管主要有外径Φ7mm、内径Φ37mm和外径Φ58mm、内径Φ47mm,长度为1500、1800m两种规格。玻璃真空管的内管外壁上镀有选择性吸收膜,外管为透哪破璃。其内管装满水,当接受太阳光照射时,管内的水由于密度差的变化,热水往上走、冷水向下去,从而形成循环换热。


(2)单管工作原理


白天在太阳照射下,太阳光透过集热管罩管后,全玻璃管的内管表面吸收涂层吸收转化成热能,并通过内管中的流体循环,最终将贮水箱中水加热。玻璃真空管太阳能集热器由于其采用了真空技术,可以使该产品一年四季都能够使用,解决了太阳能产品过冬抗冻的问题,也使太阳能产品在冬季的效率提高了许多:而且由于全玻璃直空集热管玻璃易得、工艺可靠、结构简单、成本较低,应用前景广泛。目前用该种产品制成的热水器已占我国太阳能热水器生产总量的80%以上。


(3)模块结构特点。


全玻璃真空管太阳能集热器其价格比较便宜官,且是真空技术与太阳能技术相结合的产物,在环境温度较冷的条件下也有较高的效率,因此它成为当今市场比较流行的太阳能集器产品之一,全玻璃真空管太阳能集热器主要由联箱、56支玻璃真空集热管、集热器支架、底托架、托碗等组成。全玻璃真空管太阳能集热器的联箱内胆一般采用优质SUs304不锈钢制作,厚度为0.5mm;联箱外壳采用SUS30不锈钢,厚度为0.3mm;内胆与外壳之间用厚度为50mm的聚氨酯发泡层填充。


全玻璃真空管集热器,采用的玻璃真空管集热器彩管面为圆柱形,真空玻璃集热管可采取横插式或竖向插入式放置。横插式对不同角度的太阳入射光都能保证由最大的采光面积。这样的条件也可以使集热器能够实现小角度安装,达到更好地利用建筑面积的作用。集热内实现的是热虹吸自然换热过程,将较热的水源不断地送入集热盒中。


3.热管式真空管集热器


(1)单管工作原理。


热管式真空管是我国开发成功的种金属吸热体真空管,于20世纪90年代中期投人市场,热管式真空管合应用了真空技术,热管技术,玻璃金属封接技术和磁控溅射涂层技术,不仅使用太阳能集热器能够全年运行,而且提高了工作温度、承压能力和系统可靠性,使太阳能热利用进入中高温领域。


热管式真空管的外形尺寸为Φ100mmx200mm,它主要由热管冷凝端、铜铝复合吸热片、热管蒸发段、外层玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成。


太阳光透过玻璃管,照射在吸热板上,高吸收率的太阳择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能,吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化,为保证汽化的工质迅速上升到冷凝端,真空管工作时与地面的倾角应大于15°,被汽化的工质上升到热管冷凝端向被加热的工质(水或空气)放出汽化潜热后,冷凝成液体,在重力作用下流回热管蒸发端,利用热管内少量工质的汽液相变循环过程,连续地将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端加热工质。


作为高效传热元件的热管由蒸发段和冷凝段两部分组成。蒸发段与吸热板紧密连接。吸热板表面磁控溅射AL-NAl选择性吸收涂层,吸收比大于0.93,发射率小于0.08。先进的热压封技术应用于玻璃金属之间的封接。玻璃管采用硼硅玻璃,透射率大于0.90。每支热管真空管的冷凝端通过导热块的导热,将热量传递给集管,被加热的工质(或水)经过集管时,将热量带走。在这个工作过程中,真空管的冷凝端与导热块是刚性连接。被加热工质不流经真空管,因此真空管的安装十分简便,而且管子不与介质发生干扰,即便真空管发生损坏,太阳能集热器的工作并不因此而中断。保温盒内填充了保温材料,有效地控制了运行过程中的热量损失。


(2)模块工作原理


热管式真空管集热器由真空管、集管和保温盒等部件组成。热管式真空管内不走水,加热系统与循环系统独立分隔,整个系统全部为金属连接,运行稳定可靠。每攴热管真空管的冷凝端为铝制导热块,可以迅速将热量传递给集管,被加热的工质(水)经过集管时,温度升高。在工作过程中,真空管的冷凝端与导热块是良好导热。被加热工质不流经真空管,无炸管、工质外无危险,集热管不与介质发生干扰,即便真空管损坏,也不影响系统正常运行。保温盒内填充的保温材料,可以有效地控制了运行过程中的热量损失。


(3)系统工作原理


热管真空管集热器吸收太阳辐射能转化为热能,热量不断被集热器吸收,由循环泵将贮水箱中低温水输入集热器,水被加热后再回到贮水箱,不断循环,累积加热,使水箱中的水达到使用的温度,循环泵的工作由温差控制仪控制其运行,当集热器与储热水箱温度差运到设定值时,循环泵工作;当温度差达不到设定值时,循环泵不工作。


热管式真空管与集管之间采用“干性连接”的方法,即热管冷凝段通过特殊的结构与集管连接,真空管与集管内的液体是不相通的。当太阳辐射能使热管工质受热后汽化,工质蒸汽在冷凝段凝结,从而加热集管内的液体。其结果是,许多根真空管连续不断地将太阳辐射能转换成热能,并传递给集管内的液体,使集管内液体的温度逐步升高,并储存到储热水箱中以备使用。