太阳能采集系统：集热器与太阳能电池

太阳能采集系统主要有集热器和太阳能电池。收集太阳能使其转换为热能被直接利用或用来取得机械能或电能的过程，称为太阳能集热过程。

太阳能集热器是太阳能热利用系统中的核心部件，其任务是收集太阳能并使其转化为热能。可以说，太阳能集热器是一种不燃烧的“锅炉”，又是一种特殊的热交换器，它使集热器中的工质与透过玻璃盖板的太阳光进行热交换。研制高效太阳能集热器的原则应是在尽可能多收集太阳辐射的同时，最大限度地抑制其向周围环境的热损，当然，还必须考虑材料、加工工艺、运行及维护费用等经济性问题。

集热器按是否聚光，可划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。一类是不带聚光镜的所谓平板型集热器，真空管型太阳能集热器及太阳池等集热器由于不带聚光镜，故可看做是特殊的平板型集热器。非聚光集热器能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低。另一类是带聚光镜的集热器。聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高的温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。太阳能电池则有单晶硅、多晶硅和非晶硅几种类型。

（一）直接法太阳能淡化设备

直接法太阳能蒸馏技术是受云雨变换这一自然现象启示，是人类最早了解的淡化方法。直接法太阳能蒸馏淡化技术是指直接从太阳能采集热量，使海水（或介质淡水）加热蒸发的过程。

1.顶棚式太阳蒸馏器

顶棚式太阳蒸馏器是最古老、最普遍的一种。如图4-11所示，顶棚式太阳蒸馏器由玻璃（或塑料膜）顶棚、淡水槽、海水池、太阳辐射吸收表面组成，实际上它类似一个温室。海水吸热后蒸发，在玻璃顶棚上冷凝成淡水，并沿倾斜玻璃表面流入淡水槽。这种蒸馏器的产水量很低，平均每天每平方米产水量只有2～4.8kg。1872年，世界上第一个实用化的顶棚式太阳蒸馏器在智利拉斯萨利那斯建成，每天产淡水22.5m3，供应矿工用水达40年之久。

图4-11　几种顶棚式太阳蒸饱器

1—透明顶棚；2—淡水槽；3—海水池；4—吸收表面

这类装置由于占地面积大，单位面积产水量低，目前在世界上已不多见。

2.热扩散型多效蒸馏器

简单的顶棚式太阳蒸馏器是单效蒸发，即蒸汽的潜热只用了一次，产水率不能再提高了。而一般的多效蒸发必须在容器内进行，不是升压就是减压，在顶棚式蒸馏器中无法进行。(www.xing528.com)

法国人发明了热扩散型多效蒸馏器，解决了以上难题。它不是用沸腾蒸发原理，而是用扩散蒸发原理，完全在常压下运行。图4-12所示装置由多层金属板重叠而成，最上面的板接受太阳辐射加热，在板的下表面贴有织物吸液蕊，利用毛细管作用吸附海水，受热后海水扩散蒸发，水蒸气在第二块板的上表面冷凝，同时把热量传给第二块板，使第二块板下面吸液蕊上的海水蒸发……最后一块板下面为环境温度，把热量释放给环境，在多层板中形成温度梯度。

图4-12　热扩散型多效蒸馏器断面图

1—透明玻璃罩；2—集热板；3—吸液蕊；4—塑料板；5—放热板；6—蒸馏水取出蕊；7—海水供给管；8—余水排放管；9—蒸馏水取出管；10—浓水排放管；11—绝热材料；12—橡胶板

日本发展了这项技术，10效蒸馏器每天每平方米可产淡水30kg以上，这是一个不小的突破。但是这种设备实用化技术问题还很多，不易长期运行。

（二）间接法太阳能淡化设备

间接法是指用集热器回收太阳热能，通过蓄热加热淡化器的方法，或用光电电池板转化为电能，再驱动淡化器。集热器主要有太阳池和真空管太阳能集热器等，淡化器可以是多效蒸发器、多级闪蒸器、高温电渗析器或反渗透淡化器等。

1.多效蒸馏淡化装置

真空管太阳多效蒸馏海水淡化流程中有三个主要部分：集热器、储热器和多效蒸发器。海水经各效预热器预热，逐渐升温，由第一效预热器进入第一效海水分布器，并均匀地淋洒到蒸发器的外表面，储热器的高温热水通过第一效蒸发器管内，使管外海水部分蒸发，所得蒸汽引入二效蒸发器管内冷凝，放出潜热，并作为二效蒸发器的热源，使二效海水分布器淋洒到二效蒸发器上的海水部分蒸发，依此类推直到末效。冷凝后的淡水由淡水泵输出。未蒸发的海水经节流孔也顺次进入二效、三效海水分布器，直到末效，浓海水由浓水泵输出。经合理设计，真空管集热器收集的太阳热除了供给蒸发器使用外，尚有多余的热量储存在储热器中，以备晚间使用，实现一天24小时连续运行。多效蒸发器做成一个整体，垂直排列，这样可以节省管线，减少热损失。

2.反渗透淡化装置

反渗透淡化运行的必要条件之一是需有驱动高压泵的电能。太阳光发电技术在海水淡化系统中的应用，使反渗透法能够在无商用电源或电力紧张的地区特别是海岛和沙漠地区淡化海水、苦咸水成为可能。20世纪80年代，以太阳能电池为电源的反渗透海水淡化装置开始在世界上运行。太阳能反渗透海水淡化主要由太阳能供电系统和反渗透系统组成，太阳能供电系统则由太阳能电池、蓄电池和直交变换器组成；反渗透淡化系统则由取水、前处理、反渗透器和排水系统组成。