太阳能集热器及其在太阳能热利用中的应用

（1）太阳能集热器 太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。

1）平板集热器。平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。典型的平板集热器如图5-13所示。

图5-13 典型的平板集热器

①吸热体。它的作用是吸收太阳能并将其内的流体加热。它包括吸热面板和与吸热面板结合良好的流体管道。为提高吸热效率，吸热板常经特殊处理或涂有选择性涂层，所谓选择性涂层是对太阳的短波辐射具有很高的吸收率，而本身发射出的长波辐射的发射率却很低，这样既可吸收更多的太阳辐射能，又可减少吸热体因本身辐射而造成的对环境的热损失。

②透明盖板。它布置在集热器的顶部，其作用是减少集热板与环境之间的对流和辐射散热，并保护集热板不受雨、雪、灰尘的侵袭。透明盖板应对太阳光透射率高，而自身的吸收率和反射率却很低。为提高集热器效率可采用两层盖板。

③保温材料。它填充在吸热体的背部和侧面，其作用是防止集热器向周围散热。

④外壳。它是集热器的骨架，应具有一定的机械强度，良好的水密封性能和耐腐蚀性能。

经过多年发展，平板集热器的性能日益提高，形式多样，规格齐全，能满足各种太阳能热利用装置的需要。近年来真空管平板集热器有了很大发展，它是将单根真空管装配在复合抛物面反射镜的底面，兼有平板和固定式聚光的特点。它能吸收太阳光的直射和80%的散射。由于复合抛物面反射镜是一种性能优良的广角聚光镜，集热管又为双层玻璃真空绝热，隔热性能优良，工作流体通道采用不锈钢管，集热面为选择性吸收热表面，因此这种真空管平板集热器性能优良，工作温度最高可超过175℃。即使在环境温度比较低和风速较高的情况下，也有较高的效率，已广泛用于家庭热水采暖、空调和工业热利用中。图5-14为全玻璃真空集热管的示意图。

图5-14 全玻璃真空集热管的示意图

1—内玻璃管 2—外玻璃管 3—真空夹层 4—带有吸气剂的卡子 5—选择性涂层

2）聚光集热器。平板集热器直接采集自然阳光，集热面积等于散热面积，理论上不可能获得较高的运行温度。为了更有效地利用太阳能就必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。

聚光集热器通常由三部分组成聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是，自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。

提高自然阳光能量密度的聚光方式很多，根据光学原理可以分为反射式和折射式两大类。所谓反射式，是指依靠镜面反射将阳光聚集到吸收器上。常用的有槽形抛物面和旋转抛物面反射镜、圆锥反射镜、球面反射镜等。折射式则是利用制成棱状面的透射材料或一组透镜使入射阳光产生折射再聚集到吸收器上。

聚光集热器的跟踪装置大体上可以分为两类，两维跟踪系统和一维跟踪系统。前者的跟踪系统同时跟踪太阳的方位角和高度角的变化，通常采用光电跟踪方式。后者只跟踪太阳的方位角，对高度角只作季节性调整，通常采用光电跟踪或时钟机械跟踪。时钟机械跟踪精度虽比不上光电跟踪，但结构简单，维修方便，且无需外部动力，对一些小型聚光集热器颇为经济实用。

（2）太阳能热水器 太阳能热利用中历史最悠久，应用得最广泛的就是太阳能热水器。自1891年美国马里兰州的肯普发明第一台太阳能热水器以来至今已有一百多年的历史。发展到今天，日本就有一千万幢以上的住宅安装了太阳能热水器。

太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直流式和循环式。

图5-15 自然循环式太阳能热水器的示意图

①闷晒式。闷晒式的特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水升温到一定值时即可放水使用。②直流式。直流式热水器由集热器、蓄热水箱和相应的管道组成。水在这种系统中并不循环，故称直流式。为使集热器中出来的水有足够的温升，水的流量通常都比较小。③循环式。循环式太阳能热水器是应用最广的热水器。按照水循环的动力又可分为自然循环和强迫循环。图5-15就是自然循环式太阳能热水器的示意图。水箱中的冷水从集热器的底部进入，吸收太阳能后温度升高，密度降低。与冷水之间形成的密度差构成了循环的动力。当循环水箱顶部的水温达到使用温度的上限时，则由温控器打开电磁阀使热水流入热水箱，与此同时补给水箱自动补水。当水温低于使用温度的下限时，温控器使电磁阀关闭。这种装置可使用户得到所需温度的热水，使用起来非常方便。

因为自然循环压头小，对于大型太阳能供热系统通常就需要采用强迫循环，由泵提供水循环的动力。

（3）太阳能采暖 太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。

1）被动式太阳房。图5-16是最简单的自然供暖的被动式太阳房的示意图。这种太阳房白天的中午直接依靠太阳辐射供暖，多余的热量为热容量大的建筑物本体（如墙、天花板、地基）及由碎石填充的蓄热槽吸收；夜间通过自然对流使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。这种太阳房构造简单，取材方便，造价便宜，无需维修，有自然的舒适感，特别适合发展中国家的广大农村。

为进一步提高被动式太阳房的采暖率，增大接受阳光的窗户面积，同时采用隔热套窗和双层玻璃窗来防止散热是首先应采取的措施。对被动式太阳房的进一步改进是在向阳的垂直的玻璃窗面内装设厚约60cm的混凝土墙，墙涂黑，兼作集热和蓄热壁。玻璃窗面和墙面之间有30～50mm夹层。墙上下两端开有长方形的通气孔。当墙壁吸收阳光被加热后，夹层中的热空气就通过上端开孔流入房间中；冷空气则从下端开孔流进夹层，构成自然循环，从而达到采暖的目的。这种带蓄热墙的太阳房是1967年由法国人特朗布提出的，故这种结构的太阳房又称作特朗布墙太阳房。(www.xing528.com)

图5-16 被动式太阳房的示意图

2）主动式太阳能采暖。主动式太阳房的结构形式很多，图5-17是一典型的无辅助锅炉的主动式太阳房。它利用集热器产生的热水采暖，结构简单，蓄热器置于室外，室内又是由地板供暖，故不占用室内居住面积是这种系统的一大优点。

图5-17 无辅助锅炉的主动式太阳房

因为太阳辐射受天气影响很大，为保证室内能稳定供暖，并在供暖的同时还能供热水，因此对比较大的住宅和办公楼通常还需配备辅助热水锅炉。来自太阳能集热器的热水先送至蓄热槽中，再经三通阀将蓄热槽和锅炉的热水混合，然后送到室内暖风机组给房间供热。这种太阳房可全年供热水。除了上述热水集热、热水供暖的主动式太阳房外，还有热水集热、热风供暖太阳房以及热风集热、热风供暖太阳房。前者的特点是热水集热后，再用热水加热空气，然后向各房间送暖风；后者采用的就是太阳能空气集热器。热风供暖的缺点是送风机噪声大，功率消耗高。

（4）太阳能海水淡化 地球上的水资源中含盐的海水占了97%，随着人口增加，大工业发展，使得城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计，1872年在北智利建立的，面积为44504m²，日产淡水17.7t。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年，可见太阳能海水淡化的悠久历史。20世纪70年代后，由于能源危机的出现，太阳能海水淡化也得到了更迅速的发展。

太阳能海水淡化装置中最简单的是池式太阳能蒸馏器（图5-18）。它由装满海水的水盘和覆盖在其上的玻璃或透明塑料盖板组成。水盘表面涂黑，底部绝热。盖板成屋顶式，向两侧倾斜。太阳辐射通过透明盖板，被水盘中的水吸收，蒸发成蒸汽。上升的蒸汽与较冷的盖板接触后被凝结成水，顺着倾斜盖板流到集水沟中，再注入集水槽。这种池式太阳能蒸馏器是一种直接蒸馏器，它直接利用太阳能加热海水并使之蒸发。池式太阳能蒸馏器结构虽简单，但产淡水的效率也低。

图5-18 池式太阳能蒸馏器

图5-19 平板型多效太阳能蒸馏器

还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳能的集热器和海水蒸发器组成，并利用集热器中的热水将蒸发器中的海水加热蒸发。图5-19就是德国设计的平板型多效太阳能蒸馏器的示意图。这种装置能连续制取淡水。

在干旱的沙漠地带将咸水淡化和太阳能温室结合起来非常有前途。图5-20就是这种装置的示意图。这种装置采用特殊的滤光玻璃，这种玻璃只阻挡阳光中的红外线，而让可见光和紫外线透过，以供植物光合作用之需。白天用盐水喷洒在滤光玻璃板上，吸走由于吸收红外线所产生的热量，然后流回热水池中。夜间储存的热水重新循环，向温室提供热量。洒在玻璃板上的盐水有一部分蒸发，产生的蒸汽凝结在温室外墙板的反面，然后顺板流入淡水回收池中。从海水或咸水中制取的淡水除用来灌溉温室中的植物外，剩余的淡水还可用于其他目的。

图5-20 太阳能咸水淡化温室

（5）太阳池 太阳池是一种人造盐水池。它利用具有一定盐浓度梯度的池水作为太阳能的集热器和蓄热器，从而为大规模地廉价利用太阳能开辟了一条广阔的途径。

1）太阳池工作原理。由于水对太阳辐射中的长波是不透明的，因此到达太阳池水面的长波部分（红外线）在水面以下几厘米就被吸收了。而短波部分（可见光和紫外线）则可穿过清水层达到太阳池涂黑的池底，并被池底吸收。太阳池中盐水的作用是利用一定的盐浓度梯度，阻止底层水和表层水之间的自然对流。由于水体和池底周围土壤的热容量非常大，这样太阳池就变成了一个巨大的太阳能集热器和蓄热体。为了进一步改善太阳池的性能，通常可以在池中部加一透明塑料制的下隔层，以进一步阻止池中水的自然对流。在池的顶部也加一上隔层，用以防止池表面水的蒸发并避免风吹的影响。建造良好的太阳池，其底层水可接近沸腾温度。图5-21为太阳池示意图。

2）太阳池的应用。太阳池的贮热量很大，因此可以用来采暖、制冷和空调。许多国家都利用太阳池为游泳池提供热量或为健身房供暖，或用于大型温室。其中利用太阳池发电是最为吸引人的。图5-22为太阳池发电系统的原理示意图。它的工作过程是先把池底层的热水抽入蒸发器，使蒸发器中的低沸点的有机工质蒸发，产生的蒸汽推动汽轮机做功；排汽再进入冷凝器冷凝。冷凝液通过循环泵抽回蒸发器，从而形成循环。太阳池上部的冷水则作为冷凝器的冷印水。因此整个系统十分紧凑。

图5-21 太阳池示意图

图5-22 太阳池发电系统的原理示意图

以色列20世纪80年代在死海建了一座功率为5MW的太阳池发电站。2000年以后，以色列的太阳池发电将达2000MW。美国已在建单机容量为30MW的太阳池发电站。由于太阳池发电的成本远低于其他太阳热发电方法，其价格还可同燃油电站竞争，因此21世纪将有较大发展。