太阳能集热器的分类及不确定性因素

驱动太阳能热利用发展的基本因素包括：

1）环境可持续性：降低储量有限的化石能源消耗，减少全球温室气体排放，缓解当地空气污染；

2）能源安全分散化：降低集中式能源系统对地缘政治、价格波动、自然灾害、人为破坏和攻击等因素的依赖性；

3）商业机会：为国家和地区提供太阳能热生产、服务及供应等工作机会；

4）经济可行性：在很多情况下，太阳能热利用是最可行的选择。

太阳能热利用系统的应用形式包括：

1）不同规模的供热系统，通常使用热水或者热空气作为媒介；

2）并网的大规模高温太阳能热发电系统；

3）采用太阳能热驱动的冷却、海水淡化、干燥、烹饪、水净化、制冷和工业应用等系统。

应设法使太阳能热利用系统具有最佳的生命周期，并包含以下特征：

1）高效的太阳能转换效率；

2）与全天负荷或全年负荷的逐时变化相匹配，如有必要可利用储能设施；

3）与负荷的能量和温度相匹配，如有必要可利用储能设施或热泵；

4）初始投资低；

5）运营费用低；

6）对运行环境影响小；

7）对物化环境影响小；(www.xing528.com)

8）稳定性、耐久性和安全性高。

从概念上来讲，太阳能热利用系统可实现太阳能的收集、热流体分配、储热以及对取热和热循环的控制。各部件有各自单独的功能，也可以相互配合实现多种功能。例如，联合太阳能集热和储热系统可应用于太阳能热水器、非对流太阳池以及直接受益式太阳房供暖等。每个系统部件的最佳参数取决于当地太阳能资源的特点、环境温度和负荷温度以及热能利用随时间变化的规律。

图1.1 太阳能集热器的分类及其主要特点

在较短的时间段（如1h或更短时间）内，太阳辐照度、环境温度以及输出能源的利用模式（如太阳能热水器输出的热水利用模式）常常是不确定的，特别是在高纬度和易产生热带风暴的地区以及山区。随着太阳辐射累积计算的时间尺度从小时、天、月、季度逐渐增大到年，太阳辐射的变化模式一般逐渐减小。阳光充足的地区，即使在较短的时间间隔内太阳能也表现出一定的稳定特性；在这种地区，跟踪型太阳能集热器上的太阳辐射特性（如法向直射辐射）也会快速变化。在一些特定的应用形式下，控制负荷的变化可以使系统具有更好的可预测性。

太阳辐射具有以下的特点：

1）系统性变化规律：昼夜循环和年度循环；

2）随机性变化规律：主要由云层覆盖的程度和特性造成；

3）高纬度地区能源密度低：虽然夏季晴空正午时的能源密度约为900Wm^-2，但是年均密度可能仅略大于100Wm^-2；

4）常利用热储存：为完全满足夜间或者低辐照度期间许多应用形式的需求。

尽管太阳能和许多热负荷都有随机性的特点，但是热收集、热传输和热储存通常是采用确定的系统，可作为难以预测的瞬时输入和输出之间可预测的中间量。

太阳能集热器一般至少可分为15种类型，如图1.1所示。分类的依据为聚光的程度，其中聚光型集热器需要配置太阳能跟踪系统。

按国际通行评定程序对太阳能热利用装置部件或系统进行测试的结果，为部件或系统的选择提供了依据。对于小型装置，其额定性能往往取决于单台机组。而对于大型的、更复杂或特殊的应用形式，则有必要使用计算机辅助设计工具。设计工具的理论分析模型也用于性能预测。图1.2显示了这些与太阳能热系统开发相关的其他活动之间的联系。

图1.2 太阳能热系统设计和创新的主要方面及其之间的联系