太阳能集热器中减少热传递的方法

物体具有温度就发射出热辐射能。热辐射能是由于电子能量以及构成物质的分子和晶体结构振动和转动的能量发生变化而释放的能量。固体、液体和气体都能够发射和吸收热辐射。振荡电场与金属材料中运动自由电子的相互作用可以利用电子行为的经典模型（Drude，1904）来描述。根据测量材料的电性质，可以对光谱的光学性质进行预测。假设电子的表面散射可以忽略，光谱发射率随着波长和电导率的增大而降低。高效的太阳能收集需要表面具有对太阳辐射的高吸收率和对长波热辐射的低发射率。95%的太阳辐射能位于0.2～3μm的波长范围内；325K物体的99%热辐射在3.0～30μm的波长范围内。太阳能选择性表面在太阳光谱范围内具有高吸收率，在热辐射光谱中具有低发射率。高吸收率和低发射率间的截断波长为2～3μm。为了减少太阳能集热器吸热体表面和玻璃采光口盖板之间的热传递，可以使用低发射率吸热体表面或低发射率采光口盖板。低发射率盖板需要在玻璃盖板上涂覆红外涂层。通常，在吸热体使用低发射率表面的情况下，腔体内的自然对流换热则成为主要的热损失，因此有必要考虑在腔体间增加抑制对流的装置或将腔体抽为真空。

选择性表面具有高太阳辐射吸收率和低长波辐射发射率。只有很少一部分材料本身具有这种光学性质，例如硅和锗半导体。但是，这些材料也还会有0.3的太阳辐射反射率，需要在材料表面使用抗反射涂层。因此，使用这些材料的太阳能吸热体将变得昂贵。铜、镍和铝的红外辐射反射率≤0.95，但在太阳辐射范围内反射率较高。钨在波长0.6～2μm之间表现出微小的太阳辐射波长选择性。选择性表面的制备是将厚度为0.4～1.5μm的具有高太阳能辐射吸收率和良好的红外辐射透射率的材料层涂覆在金属上。这样，吸热体的太阳辐射吸收率由薄的涂层决定而红外辐射反射率则由金属材料决定。这种串联结构首次是由黑镍或镀镍钢构成（Tabor，1955）。黑镍是一种镍锌硫化络合物，其吸收率为0.96，而发射率通常低至0.08。铜的氧化层分别具有0.9和0.15的吸收率和发射率（Mar等，1976）。常见的“黑铬”选择性吸收表面包含有无定形氧化铬基体中的铬颗粒，经常用作抛光金属表面衬底的薄表面层（Lampert，1979；Lampert和Washburn，1979；Driver等，1975）。金属材料通常是镍或镀锡钢，其太阳辐射吸收率和长波辐射发射率分别为0.96和0.1。非金属材料对太阳辐射的反射率较低，但覆盖在金属表面可以对红外辐射产生较高的反射率，因此被称为“热镜”。其反射率随波长的变化如图3.32所示（Simonis等，1979）（见图3.32）。

从集热器吸热体到周围环境的热损失是由辐射、传导和对流共同作用产生的。在稳态条件下，这三种热传递方式相互作用形成特定的温度分布，它取决于几何形状、吸热体与周围环境的温差。通过掌握传热过程的细节，可以估计出局部对流传热系数。

当平板型集热器相对于水平面的安装角度为0°～75°时，可以用图3.33所示的关系式（Hollands等，1976）确定集热器内吸热板和玻璃盖板之间由浮升力驱动的对流热损失。用以确定Gr数的特征长度取为腔体内空气层的厚度。

图3.32 部分选择性表面的反射率随波长的变化

图3.33 平板型集热器中吸热体和盖板间空气层间隙的对流传热关联式(www.xing528.com)

聚光比为4.13时（Prapas等，1987b），CPC封闭腔体内Gr数的变化对热传递速率的影响如图3.34所示。

图3.34 确定CPC内部对流传热的关联式

使用图3.35可以确定由风掠过集热器顶部所引起的强制对流热损失（Sparrow，1979；Kothandaraman和Subramanyan，1977），相应的方程为Nu=0.86Re^0.5Pr^0.33。

图3.35 由风引起的采光口盖板对流热损失