書名：太陽能光熱總論
作者名：李新菊
本章字數： 4494字
更新時間： 2021-03-19 16:31:37

第8章太陽能窄縫式平板集熱器

王恒月黃永定虞云霞（江蘇奧萊佳太陽能科技有限公司）

摘要：1．太陽能平板集熱器的吸熱板，不在于“藍鈦”“黑鉻”或“陽極氧化”，而是在于把平面吸熱改為立體吸熱。

2．太陽能平板集熱器的核心技術是“窄縫”結構。

3．金屬窄縫式結構是金屬蜂窩結構最簡單易行的一種形式。

4．窄縫式太陽能平板集熱器是全面提高太陽能平板集熱器熱性能的保證。

5．塑料蜂窩結構使太陽能熱水器變成開水器[“太陽能”1985，No1]；金屬蜂窩結構，使太陽能熱水器變成中溫集熱器。

6．窄縫式太陽能平板集熱器比其他太陽能平板集熱器更適合于建筑一體化，特別適合裝置在光熱幕墻和陽臺上。

一、“藍鈦”與“窄縫理論”的比較

影響太陽能平板集熱器的熱性能是集熱器的“芯”——吸熱板，現在最好的吸熱板是采用德國的“藍鈦”，其指標：吸收率α=0.95，發射率Σ=0.05。但是，這種平板集熱器有以下兩個致命的弱點。

（1）太陽斜照時，平面的吸熱會大大減少。如圖1所示，平面的吸熱量為

圖1 平板吸熱

Q吸=α·sinθI

式中：α——平面的吸收率；

θ——太陽光與吸熱面的夾角；

I——太陽強度。

設α=0.96，當θ=90°，則Q吸=0.96I；當θ=30°，則Q吸=0.48I。

（2）吸熱面的自然對流熱損失無法避免，故集熱溫度一般都是低于100℃。

為了克服平面吸熱的缺點，我們把平面吸熱轉為立體吸熱。立體吸熱采用金屬蜂窗結構，金屬蜂窩結構采用窄縫式，如圖2所示。

圖2 窄縫結板吸熱

窄縫式平板集熱器的優點——太陽光熱只進不出。分別說明如下：

（1）增加吸熱量：除了采用高透過率的鋼化玻璃外，采用金屬“窄縫”結構是很好的辦法。普通平板是黑面吸熱，而“窄縫”則是黑體吸熱。在絕大多數情況下，太陽光都是斜照的，當陽光斜照到平面上時，一部分被吸收，另一部分被反射。對于“窄縫”來說，當陽光斜照窄縫時，一部分是被吸收，另一部分通過金屬面的多次反射與吸收，這就是黑體吸熱。所以，在同樣的條件下，“窄縫”比普通平板的吸熱量要多。

（2）全面降低輻射、對流及導熱的熱損失

1）抑制了自然對流損失

實驗證明，對于“窄縫”來說，當窄縫高度÷窄縫當量直徑≥5.0，空氣是無法自然對流了。實際上，浙江大學熱工程教研組在20世紀80年代發表的文章已經證明：在平板上加裝一定尺寸的塑料蜂窩，由本來產生50℃的熱水器，變成了100℃的開水器，在100℃時的熱效率為25%～30%（“太陽能”1985年No1，“蜂窩結構太陽能開水器”）。所以，塑料蜂窩結構，使太陽能平板集熱器，由熱水器變成開水器！這是“藍鈦”“黑鉻”所不能比的。

2）抑制了輻射熱損失

金屬“窄縫”是一個黑體，不但吸熱量多，而且輻射熱損失小。輻射熱損失的角系數φ=開口面積／吸熱面積。所以，對于平板來說φ=1.0。對于“窄縫”來說φ=1/30，這樣，金屬“窄縫”能大大降低輻射熱損失。所以，金屬蜂窩結構，不但抵制了自然對流熱損失，而且也抑制了輻射熱損失，使太陽能平板集熱器由熱水器變成中溫集熱器，這也是“藍鈦”“黑鉻”所不能比的。

3）降低了保溫材料的成本

應用“窄縫”理論，還可以解決平板集熱器底部保溫材料的問題。因為空氣的導熱系數為0.02W/（m·h·℃），是良好的絕熱體，其條件是空氣不能對流，而“窄縫”是抑制自然對流的。因此，利用“窄縫”理論，可以采用紙蜂窩作為底部的保溫材料，不但能絕熱，而且降低了造價。應該指出，現在國內用于冰箱、冰柜的真空絕熱板其導熱系數是很小的，但用于平板集熱器是底部保溫，不但價格昂貴，而且也沒有好處，因為導熱的傳熱量，不但取決于導熱系數，而且也決定于厚度。

假定窄縫式采用陽極氧化。一般陽極氧化可達到的指標：吸收率α=0.9，發射率Σ=0.15，采用窄縫式后的指標：吸收率α=0.99，發射率Σ=0.003，與藍鈦指標：吸收率α=0.95，發射率Σ=0.05相比，大大地提高了熱性能。

應該指出：從圖3看出，降低輻射熱損失是提高集熱器工作溫度最有效的辦法。藍鈦達到Σ=0.05，真空管達到Σ=0.05，而我們達到Σ=0.003，我們從浙江大學熱工教研組的報告中看到，透明的塑料蜂窩，抑制了自然對流熱損失，把普通的熱水器變成了開水器。而金屬蜂窩，既抑制了自然對流的熱損失，也同時抑制了輻射熱損失，并且又增加了吸熱量，使普通的熱水器變成中溫集熱器。

圖3 有一層透明玻璃及吸收面涂黑的太陽集熱器的熱損*

環境溫度為20℃，風速2.5m/s

1—輻射和對流總熱損；2—吸熱面至玻璃的輻射熱損；

3—吸熱面至玻璃的自然對流熱損；tp—吸熱面溫度/℃

*選自葛新石、龔堡、俞善慶編著的《太陽能利用中的光譜選擇性途徑》一書，本書于1980年由科學出版社出版。

二、窄縫式平板集熱器與普通平板集熱器的比較（表1、表2）

表1 三種不同形式的太陽能集熱器的比較

表2 窄縫式平板集熱器與普通平板集熱器的比較

注：I—太陽強度，F—吸熱面積，α—吸熱板的吸熱率，ε—集熱板的發射率，σ—常數，θ—太陽光與吸熱面的夾角，ψ—輻射角系數，T集—集熱板的溫度，T環—環境溫度。

三、太陽能兩用集熱器的結構

人們通過“南墻計劃”或“屋頂計劃”來實現太陽能取暖。現在的太陽能取暖，都是通過太陽能加熱水，再通過熱水加熱空氣的辦法來完成的，這是笨方法。聰明的辦法是太陽能直接加熱空氣的辦法，即采用太陽能空氣集熱器的辦法，可以大大提高取暖效率。但是，單純的太陽能空氣集熱器也存在著一些問題：在不需要采暖的夏天，空氣集熱器失去意義；即使在冬天，也要采取蓄熱的辦法，來解決無太陽（晚上）時的取暖。但是，要用化學物質的相變蓄熱，在理論上是可以行的，在實際上很難長期運行。

所以，南墻計劃的核心技術是太陽能兩用集熱器——既能加熱水，又能加熱空氣，也能同時加熱水和空氣。這樣，就解決了采用單純空氣熱氣存在的上述問題。在夏天，兩用集熱器當作熱水器使用，提供熱水；在冬天，既加熱水，也加熱空氣。當不需要取暖時，可以把熱量儲存在水箱里，當無太陽時（晚上），讓兩用集熱器變成散熱器，把水箱中的熱量取出來加熱空氣，滿足取暖的需求。

太陽能兩用集熱器，采用以下兩種形式。

真空管兩用熱水器：采用玻璃熱管來實現的（專利申請號：201010233590.4，201020267384.0）。把玻璃熱管分為三段：下段為蒸發段，吸收陽光的熱量使熱管工質汽化。中段既是冷凝段，也是蒸發段。在有太陽時，中段作為冷凝段，把汽化冷凝下來的熱量傳給水箱里的水：在無太陽時（晚上），中段作為蒸發段，用水箱中的熱量加熱絲網中的熱管工質，使其汽化流向上段，把熱量傳給空氣。上端是冷凝段，把來自蒸汽段汽化了熱管工質的熱量傳給空氣。中段既是冷凝段，又是蒸發段，其關鍵技術在玻璃管內壁緊貼絲網材料，既能實現冷凝功能，又能實現蒸發功能。

平板兩用集熱器：采用翹片的結構來達到（專利申請號：200820077733.5，201020159552.4）。要提高平板集熱器的熱效率，關鍵是限制、減少自然對流熱損失與輻射損失。采用這種金屬窄縫式的結構就能起到這種作用。可以設想，當兩片形成的窄縫小到3mm或2mm或1mm時，而兩片的高度為數十毫米時，在這樣的窄縫中，空氣是無法自然對流的，只能靠空氣的分子傳導來散熱，而空氣的導熱系數為0.02kcal/（m·h·℃），比保溫材料聚氨酯的導熱系數還要低，這樣，就抑制了自然對流熱損失。另外，金屬片形成窄縫，相互輻射，相互吸熱，而只有很小一部分輻射從窄縫的口中損失。因此，窄縫的輻射熱損失只是普通平板集熱器的1/30。同時窄縫起到了絕對黑體的作用，吸收率達到1.0。而對于空氣集熱器，因為氣體的傳熱性能差，增加傳熱面積是強化傳熱的必然措施。所以要提高空氣集熱器的熱效率，只有采取翹片結構。窄縫與翹片相結合，這就是平板兩用集熱器的最合適的形式。

平板兩用集熱器用于南墻計劃或屋頂計劃如圖4、圖5所示。

圖4 平板兩用集熱器用于南墻計劃設計示意圖

圖5 平板兩用集熱器用于屋頂計劃示意圖

在夏天，風機停運，兩用集熱器作為熱水器使用，提供熱水。

在冬天，白天有太陽時，啟動風機，提供屋內暖氣，同時也加熱水箱中的水。如果屋內不需要暖氣，則停運風機，太陽的熱量自然就儲存在水箱中。晚上無太陽時，啟動風機，此時集熱器作散熱器用，把熱水箱中的熱量，通過空氣帶向室內。

為了保證上述現實，集熱器的最高水位B＇-B＇必須低于熱水箱的最高水位B-B，集熱器的最低水位A＇-A＇必須高于熱水箱的最低水位A-A。

四、熱管式的太陽能平板集熱器

太陽能平板集熱器采用熱管式是很合理的。因為在下部的熱管蒸發段，受太陽照射受熱蒸發，蒸汽向上流動遇到上部冷凝段（在水箱內）蒸汽冷凝，把熱量傳給水箱中的水，液體受重力作用向下流動，回到下部蒸發段，這樣液體再蒸發，蒸汽再冷凝，反復循環，把太陽的熱量吸收后，再傳到儲熱水箱中，這樣重力熱管就能完成任務，而不需要采用毛細力的熱管。

（1）用于太陽能的熱管，其特點是熱流密度Q很低，在102～103W/m2的范圍，因此，其特點為：

1）由于熱流密度很低，所以熱管工質的充裝也可以少一點，工質的充裝是其體積的5%～10%。

2）對于重力熱管，特別是在低熱流范圍內工質是否發生沸騰，是非常感興趣的問題。是否沸騰，與沸騰開始的徑向熱流密度有關。開始的徑向熱流密度與工質物性組合有關。式中：λ—導熱系數，σ—表面張力，v—汽化潛熱，γ″—蒸汽比重。因此，在選擇熱管工質時，要選擇值低的工質。因為的值越小，沸騰開始的徑向熱流密度就越低，就越容易沸騰。