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1、修修第大孝太阳能利用技术结课论文题目：太阳集热器研究院（部）：建筑城规学院专业：建筑学（太阳能建筑一体化）班级：建筑106姓名：J三学号：2010011276指导教师：舒海静完成日期：2013年6月28日摘要在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。由于用途不同，集热器及其匹配的系统类型分为许多种，名称也不同，如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉,以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。本文主要讨论太阳集热器在建筑中的应用。关键
2、词：太阳集热器；发展现状；工作原理；组成结构；设计方法；前景与革新；建筑一体化1前言1.1太阳集热器概述太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义：第一：太阳能集热器是一种装置；第二：太阳能集热器可以吸收太阳辐射；第三：太阳能能集热器可以产生热能；第四：太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核
3、心部件的。2太阳能集热器发展现状2.1我国平板集热器、真空管集热器现状概述太阳能光热应用中，平板集热器也是最早得到应用的产品，而且一度发展得很快。但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右的市场份额。首先，作为集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而导致热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器（系统）基本上都采用直接加热太阳能集热器中水的方法。如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常运转，严重时还会导致集热管的涨裂。而
4、随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏而受到了市场的欢迎。同时，由于全玻璃真空管技术的不断创新，使其成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进了全玻璃真空管型太阳能热水器市场的迅速扩大。另外，在商业运作方面，全玻璃真空管热水器被生产厂及商家宣传为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。其主要理由是真空绝热，这一宣传极易为我国大众接受。因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低端市场中全玻璃真空管热水器仍将占据主流。目前，随着太阳能光热利用技术的不断成熟，以及人们对于太阳能光热产品的要求不断提高，特别是太阳能与建
5、筑一体化技术的提出，平板集热器的优势日渐突出，其市场份额在近两年中也在逐步上升。2.2太阳集热器分类2.2.1按集热器的传热工程类型分类按集热器的传热工程类型，太阳能集热器可分为两大类型。(1)液体集热器。液体集热器是用液体作为传热工质的太阳能集热器。(2)空气集热器。空气集热器是用空气作为传热工质的太阳能集热器。2. 2.2按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类按进入采光口的太阳辐射是否改变方向，太阳能集热器可分为两大类型。(1)聚光集热器。聚光型集热器是利用反射器，透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳能集热器。(2)非聚光型集热器。非聚光型集热器是进入采光
6、口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳能集热器。3. 2.3按集热器是否跟踪太阳分类按集热器是否跟踪太阳，太阳能集热器可分为两大类型。(1)跟踪集热器。跟踪集热器是以绕单轴或双轴旋转方式全天跟踪式阳视运动的太阳能集热器。(2)非跟踪集热器。非跟踪集热器是全天都不跟踪太阳视运动的太阳能集热器。4. 2.4按集热器内是否有真空空间分类(1)平板型集热器。平板型集热器是吸热体表面基本上为平板形状的非聚光型集热器。(2)真空管集热器。真空管集热器是采用透明管(通常为玻璃管)并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳集热器。其中吸热体可以由一个内玻璃管组成，也可以由另一种用于转移热能的元件组成。5.
7、 2.5按集热器的工作温度范围分类(1)低温集热器。低温集热器的工作温度在100摄氏度以下的太阳集热器。(2)中温集热器。中温集热器的工作温度在100-200摄氏度的太阳集热器。(3)高温集热器。高温集热器的工作温度在200摄氏度以上的太阳集热器。3太阳能集热器工作原理5.1 平板太阳能集热器工作原理能集热器的基本工作原理十分简单。概括地说，阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中
8、待用，即为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。这就是平板太阳集热器工作原理。6. 2全玻璃真空管集热器工作原理理是太阳光透过外玻璃管照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热介质，由于夹层之间被抽成真空，有效降低了向周围环境散失的热损失,使集热效率得以提高。4太阳能集热器组成结构6.1 平板太阳能集热器组成结构吸热板玻璃或板光体/保温材料/图17平板太阳能集热器的基本结构平板型太阳能一般由吸热板、玻璃盖板、保温层和外壳四部分组成，具体结构如图IT所示。6.1.1 吸热板（或吸热板芯）吸热板式吸收太阳辐射
9、能量并向集热器工作介质传递热量的重要部件。具体形状如图12所示。带肋片的管子（b）缝瘴（C）K面饵（d）濠饵（点煤）/45020Omm（C）铜相（全铜）复合图1-2吸热板的断面形状目前国内己大量采用铜材作为吸热板的材料，也有采用铝合金、钢材、镀锌板和不锈钢材料作为吸热板的材料。吸热板的结构主要有管板式、扁合式、翼管式，目前国内市场上使用的较多是铜铝复合式。7. 1.2吸热板涂层太阳能吸收涂层可分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性涂料：非选择性涂料有黑银、黑铝和黑漆等，一般多用于常年环境温度较高的华南地区。选择性涂料：选择性吸收涂层可以用多种方法来制备，如喷涂方法、化学方法、电
10、化学方法、真空蒸镀方法、磁控溅射方法等。8. 1.3玻璃盖板玻璃盖板的作用是减小热损失。用于透明盖板的材料主要有两大类，平板玻璃和玻璃钢板，目前国内外使用更广泛的还是平板玻璃。9. 1.4保温层保温层的作用是减少集热器向四周散热，以提高集热器的热效率。这就要求保温层的材料保温性能好，即导热率小，不吸水。一般保温层的厚度在35cm厚，四周的厚度为保温层的一半。常用保温材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。目前使用较多的是岩棉。4.1.5外壳外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。一般材料有铝合金板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。为了提高外壳的密封性，有的产品己采用铝合金板一次
11、模压成型工艺。4.2真空管型太阳能集热器目前市面上全玻璃真空管太阳集热器主要有三大系列产品，分别是：普通型全玻璃真空管太阳集热器、热管式全玻璃真空管太阳集热器和U型管式全玻璃真空管太阳集热器三大系列产品。目前仍然以普通型全玻璃真空管太阳集热器为主。全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部分组成，其形状如图2-1。3.选择性吸收涂层 4.真空5.弗黄支架6.消，I剂7.保护用图27全玻瑞典空管结构示意图5太阳能集热器设计方法5.1 集热器的安装方位和倾角确定太阳集热器的定位时，需要考了集热器倾角和方位对太阳辐射能收集的影响。太阳集热器的安装位置不应有任何障碍物遮挡阳
12、光，并宜选择在背风处，以减少热损失；设计全年运行的系统，宜保证春分/秋分日（此时赤纬角3=0）阳光照射到集热器表面上的时间不少于6小时；主要在春、夏、秋三季运行的系统，宜保证春分/秋分日（此时赤纬角=0）阳光照射到集热器表面上的时间不低于8小时；主要设计在冬季运行的系统，宜保证在冬至日（此时赤纬角=-2357,）阳光照射到集热器表面上的时间不少于4小时；太阳集热器与障碍物之间的距离宜大于太阳光不被遮挡的日照距离。太阳集热器的倾角和方位对太阳辐射能量收集会产生一定的影响，为了更充分地利用太阳能量，希望投射到集热器采光面上的太阳能越多越好。由于太阳与地球相对位置的不断变化，集热器上所收集到的太阳能
13、也是不断变化的。因而需要讨论一年中要得到最大太阳能量时，他们的倾角及方位是多少。根据软件的模拟结果对于在长时间内，大气条件不随季节性变化的地区太阳集热器方位及倾角的影响可根据太阳直接辐射估算。研究表明，当集热器的方位是正南方向，倾角为S=O.9时，得到的年直射辐射量最大；但如果增加考虑散射辐射的影响因素，则结果会有很大不同。由于散射辐射受大气条件、云量变化情况影响较大，而过去受条件限制缺乏相关资料，所以，长期以来沿用的太阳集热器定位原则是基于对太阳直接辐射的估计结果，即集热器方位朝向正南放置，倾角近似于当地纬度(即s=)时，可得到最大年太阳辐射能量；如果希望在冬季获得最佳的太阳辐射能量，倾角应
14、加大至约比当地纬度大10(即S=+10)；而在夏天，则应比当地纬度小10(BPS=-10o)。根据软件的模拟结果，太阳集热器宜朝向正南，或南偏东、偏西30的朝向范围内设置；受条件限制集热器不能按上述朝向范围设置时，也可加大偏东、偏西的角度或者完全偏东、偏西设置，但应根据相应的规定和标准设置。太阳集热器的倾角可选择在当地纬度10的范围内；受当地条件限制时，需要超出此范围的倾角时，也应按照相应的标准和规定设置，合理的增加集热面积，以达到对太阳能的充分利用。低纬度地区设置在墙面、阳台栏板上或作为阳台栏板使用的太阳集热器应以适当倾角安装，以增大太阳辐射热量。安装误差一般不超过3机多块太阳集热器在坡屋面
15、等建筑外围护结构上串、并联安装时，集热器上加上连接管等附件组成的集热器阵列总尺寸应与构成维护结构的建筑材料的模数相配，不影响建筑物的外观。5.2 贮水箱的设计太阳能热水系统的贮水箱必须保温。太阳能热水系统贮水箱的容积既与太阳集热器总面积有关，也与热水系统所服务的建筑物的要求有关，贮水箱的设计对对太阳集热系统的效率和整个热水系统的性能都有重要影响。5. 2.1贮水箱容积计算一般来说，对于每平方米太阳集热器总面积，需要的贮热水箱容积为40-100L,推荐采用的比例关系通常为每平方米太阳集热器总面积对应75L贮热水箱容积。需要精确计算时，可以通过计算机相关模拟软件进行长期热性能分析得到。5.2.2贮
16、水箱管路布置贮热水箱同时连接太阳能集热器和热水供应系统时，为很好的利用由于水箱内的分层效应，热水供应出水管一般安排在水箱顶部，自来水补水管一般插在水箱下部，出水口距离水箱底部10-15cmo集热系统的水箱出水口应距离水箱底部IOcm左右以防将水箱底部的部分沉淀物吸入集热器，集热系统的回水接到水箱上部辅助热源以下。6太阳能集热器前景与革新5.1 平板集热器的发展前景平板集热器在我国已有20多年的生产和应用经验。现在，平板集热器和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位，即使在北方地区也有不少用户。近年来由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运行等问题，直
17、插式全玻璃真空管集热器在实际使用中受到了限制。于是，平板集热器得到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展己呈现出诱人的前景。平板太阳能集热器的优势是易与建筑有机结合，且十分可靠，同时，平板集热器还能够代替传统物的屋顶和屋面，显著降低成本。这一优势也已逐渐为建筑师、建筑商所认同。我国平板太阳能集热器、热水器发展已显现新的商机，如能借鉴国外成功经验，发挥自己的优势，扬长避短，进行实事求是的宣传推广，平板集热器一定能发展起来。这对于完成我国的
18、可再生能源规划，实现我国节能减排的阶段性目标，有着非常重要的意义。6. 2平板集热器的技术革新方向第一，应针对平板型集热器研发新型保温材料，改进生产工艺，在各个环节控制散热，采用多重保温处理技术使太阳能系统更加稳定，免去客户在使用其他太阳能热水产品会产生的系统不稳定等后顾之忧。第二，平板太阳能生产企业应学习借鉴国内外先进的生产加工工艺，结合自身特点，勇于不断创新，采用高吸收率低发射率的太阳能集热板芯镀膜技术，从而提高平板集热器的集热效率。第三，采用高透过率低反射率的新型玻璃盖板，使采光效率更高。采用高效低铁玻璃，可见光直透率高达94%,太阳光直透率高达91.5%。第四，采用先进防水处理，将集热
19、器玻璃盖板与集热器边框实现无缝隙紧密结合,有效的防止雨水的渗透对集热器的影响。第五，采用先进的加工设备并不断创新生产工艺，在保证集热产品质量的前提下=WORD完整版.可编辑-专业资料分享=减少生产运行成本。7太阳能集热器与建筑一体化7.1我国太阳能建筑一体化的现状与存在的问题从目前国内使用太阳能的情况来看，在建筑中有效地利用太阳能还处于探索阶段。设计人员对太阳能的理解局限在被动式太阳能技术的应用上。一方面太阳能的产品与建筑物缺少有机的结合，另一方面由于建筑师缺乏对太阳能技术及太阳能产品（构件）的了解，也影响了太阳能产品的利用与建筑设计一体化的进程。过去一段时间内，由于安装太阳能热水器没有同建筑
20、设计有机地结合，或从建筑的整体造型考虑还不够，特别在住宅建筑的屋顶上，太阳能热水器的安装形成了规格各异、形式多变的屋顶，造成杂乱无章的无序状态，破坏了建筑的外观形象。如果不改变这种设计思想，观念不更新，不强调技术，最终将会影响到一个建筑群体的形象，甚至使整个城市的建筑风貌都会不同程度地受到破坏。如何在建筑上加以合理的布置和充分地利用太阳能资源，使太阳能产品能够规范地与建筑物相结合，使之成为建筑物有机的组成部分，是生产厂商与建筑师需要共同探讨研究的大课题。一体化的发展方向是解决这个问题的关键，建筑师应做到在建筑设计方案开始就应该把太阳能设备作为建筑的一个不可缺少的构件来考虑。7. 2太阳能集热器
21、在建筑中的一体化应用太阳能集热技术，通常是通过集热器把阳光中的热能储存到水或者其他介质中，在需要的时候释放出来，一定程度上满足建筑物的能耗要求。太阳能集热器可以有多种与建筑相结合的方式，例如用太阳能热水管代替屋面材料，可进行嵌入式的铺设，使之成为建筑的有机构件。而且太阳能集热器不但可设计在屋顶上，也可放置在东西山墙面上、阳台上或用作窗户上的遮阳板，屋顶可能是局部设置，也可能是成块的或成条状地设置，整个屋顶的造型可能是圆形的、抛物线形的，也可能是单坡倾斜的，等等。设计的可能性、美观性、适用性和经济性都应综合考虑。7. 2.1太阳能集热器与住宅屋顶的一体化设计7. 2.1.1太阳能集热装置与坡屋顶
22、的结合天窗式:将集热器镶嵌在建筑坡屋面上紧贴固定,覆盖部分屋面,形态类似坡屋面的天窗,与建筑浑然一体。此种方式与建筑的整合具有极高的灵活性。对于在旧房改造中使用提供了可能。由于平板式集热器的罩面玻璃比较特别,是透光率95%以上的透明漫反射玻璃,太阳高度较低时也不易产生镜面反射,仍能透过大部分的太阳光。阶梯嵌入式:将集热器呈阶梯状阵列镶嵌在建筑坡屋顶上,覆盖整个屋面,形成具有层次感的屋面形态。整体式:将集热板覆盖整个坡屋面,其材质和色彩构成了屋面形态。7. 2.1.2太阳能装置与平屋顶的结合飘板式:将集热器用钢结构支撑在平屋顶上,形成造型独特的飘板,加强了标识性,避免了里面的单调。适用于平屋顶多
23、层住宅及大跨度建筑。7. 2.1.3太阳能凉棚单独设置,与飘板式类似,集热器面积较小,造型更精致,可以与屋顶构架相结合，形成人们纳凉的场所。7. 2.2太阳能集热器与建筑墙面的一体化设计SAH系统由集热和气流输送两部分系统组成。冬季,白天室外空气通过小孔进入空气腔,在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射,受热压作用上升,进入建筑物的通风系统,然后由管道分配输送到各层空间。夜晚,墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收,在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量,又补充了热量。夏季,风扇停止运转,室外热空气可以从太阳墙底部及孔洞进入,从上面和周围的孔洞流出,热量不会进入室内。因为太阳墙设计方便
24、，作为外墙，美观耐用，所以应用范围广泛，可用于任何需要辅助采暖、通风或补充新鲜空气的建筑,建筑类型包括工业、商业、居住、办公、学校、军用建筑及仓库等。另外,该系统安装简便,能安在任何不燃墙体的外侧及墙体现有开口的周围,便于旧建筑的改造。7. 2.3太阳能集热器与建筑阳台及遮阳系统相结合将集合住宅中大量重复的建筑构件如遮阳板、阳台等与太阳能装置有机整合,在供给能源的同时可以为建筑增加迷人的细部。集热器可以与楼房阳台封装结合为一体，还可以将集热器安装在窗口上方的遮阳托架上,在起到遮阳作用的同时为用户提供热水,有效的利用了空间。参考文献1太阳能集热器与建筑的一体化设计方法初探21平板太阳能集热器的现状及未来发展浅析
