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第8章太阳能窄缝式平板集热器

王恒月黄永定虞云霞（江苏奥莱佳太阳能科技有限公司）

摘要：1．太阳能平板集热器的吸热板，不在于“蓝钛”“黑铬”或“阳极氧化”，而是在于把平面吸热改为立体吸热。

2．太阳能平板集热器的核心技术是“窄缝”结构。

3．金属窄缝式结构是金属蜂窝结构最简单易行的一种形式。

4．窄缝式太阳能平板集热器是全面提高太阳能平板集热器热性能的保证。

5．塑料蜂窝结构使太阳能热水器变成开水器[“太阳能”1985，No1]；金属蜂窝结构，使太阳能热水器变成中温集热器。

6．窄缝式太阳能平板集热器比其他太阳能平板集热器更适合于建筑一体化，特别适合装置在光热幕墙和阳台上。

一、“蓝钛”与“窄缝理论”的比较

影响太阳能平板集热器的热性能是集热器的“芯”——吸热板，现在最好的吸热板是采用德国的“蓝钛”，其指标：吸收率α=0.95，发射率Σ=0.05。但是，这种平板集热器有以下两个致命的弱点。

（1）太阳斜照时，平面的吸热会大大减少。如图1所示，平面的吸热量为

图1 平板吸热

Q吸=α·sinθI

式中：α——平面的吸收率；

θ——太阳光与吸热面的夹角；

I——太阳强度。

设α=0.96，当θ=90°，则Q吸=0.96I；当θ=30°，则Q吸=0.48I。

（2）吸热面的自然对流热损失无法避免，故集热温度一般都是低于100℃。

为了克服平面吸热的缺点，我们把平面吸热转为立体吸热。立体吸热采用金属蜂窗结构，金属蜂窝结构采用窄缝式，如图2所示。

图2 窄缝结板吸热

窄缝式平板集热器的优点——太阳光热只进不出。分别说明如下：

（1）增加吸热量：除了采用高透过率的钢化玻璃外，采用金属“窄缝”结构是很好的办法。普通平板是黑面吸热，而“窄缝”则是黑体吸热。在绝大多数情况下，太阳光都是斜照的，当阳光斜照到平面上时，一部分被吸收，另一部分被反射。对于“窄缝”来说，当阳光斜照窄缝时，一部分是被吸收，另一部分通过金属面的多次反射与吸收，这就是黑体吸热。所以，在同样的条件下，“窄缝”比普通平板的吸热量要多。

（2）全面降低辐射、对流及导热的热损失

1）抑制了自然对流损失

实验证明，对于“窄缝”来说，当窄缝高度÷窄缝当量直径≥5.0，空气是无法自然对流了。实际上，浙江大学热工程教研组在20世纪80年代发表的文章已经证明：在平板上加装一定尺寸的塑料蜂窝，由本来产生50℃的热水器，变成了100℃的开水器，在100℃时的热效率为25%～30%（“太阳能”1985年No1，“蜂窝结构太阳能开水器”）。所以，塑料蜂窝结构，使太阳能平板集热器，由热水器变成开水器！这是“蓝钛”“黑铬”所不能比的。

2）抑制了辐射热损失

金属“窄缝”是一个黑体，不但吸热量多，而且辐射热损失小。辐射热损失的角系数φ=开口面积／吸热面积。所以，对于平板来说φ=1.0。对于“窄缝”来说φ=1/30，这样，金属“窄缝”能大大降低辐射热损失。所以，金属蜂窝结构，不但抵制了自然对流热损失，而且也抑制了辐射热损失，使太阳能平板集热器由热水器变成中温集热器，这也是“蓝钛”“黑铬”所不能比的。

3）降低了保温材料的成本

应用“窄缝”理论，还可以解决平板集热器底部保温材料的问题。因为空气的导热系数为0.02W/（m·h·℃），是良好的绝热体，其条件是空气不能对流，而“窄缝”是抑制自然对流的。因此，利用“窄缝”理论，可以采用纸蜂窝作为底部的保温材料，不但能绝热，而且降低了造价。应该指出，现在国内用于冰箱、冰柜的真空绝热板其导热系数是很小的，但用于平板集热器是底部保温，不但价格昂贵，而且也没有好处，因为导热的传热量，不但取决于导热系数，而且也决定于厚度。

假定窄缝式采用阳极氧化。一般阳极氧化可达到的指标：吸收率α=0.9，发射率Σ=0.15，采用窄缝式后的指标：吸收率α=0.99，发射率Σ=0.003，与蓝钛指标：吸收率α=0.95，发射率Σ=0.05相比，大大地提高了热性能。

应该指出：从图3看出，降低辐射热损失是提高集热器工作温度最有效的办法。蓝钛达到Σ=0.05，真空管达到Σ=0.05，而我们达到Σ=0.003，我们从浙江大学热工教研组的报告中看到，透明的塑料蜂窝，抑制了自然对流热损失，把普通的热水器变成了开水器。而金属蜂窝，既抑制了自然对流的热损失，也同时抑制了辐射热损失，并且又增加了吸热量，使普通的热水器变成中温集热器。

图3 有一层透明玻璃及吸收面涂黑的太阳集热器的热损*

环境温度为20℃，风速2.5m/s

1—辐射和对流总热损；2—吸热面至玻璃的辐射热损；

3—吸热面至玻璃的自然对流热损；tp—吸热面温度/℃

*选自葛新石、龚堡、俞善庆编著的《太阳能利用中的光谱选择性途径》一书，本书于1980年由科学出版社出版。

二、窄缝式平板集热器与普通平板集热器的比较（表1、表2）

表1 三种不同形式的太阳能集热器的比较

表2 窄缝式平板集热器与普通平板集热器的比较

注：I—太阳强度，F—吸热面积，α—吸热板的吸热率，ε—集热板的发射率，σ—常数，θ—太阳光与吸热面的夹角，ψ—辐射角系数，T集—集热板的温度，T环—环境温度。

三、太阳能两用集热器的结构

人们通过“南墙计划”或“屋顶计划”来实现太阳能取暖。现在的太阳能取暖，都是通过太阳能加热水，再通过热水加热空气的办法来完成的，这是笨方法。聪明的办法是太阳能直接加热空气的办法，即采用太阳能空气集热器的办法，可以大大提高取暖效率。但是，单纯的太阳能空气集热器也存在着一些问题：在不需要采暖的夏天，空气集热器失去意义；即使在冬天，也要采取蓄热的办法，来解决无太阳（晚上）时的取暖。但是，要用化学物质的相变蓄热，在理论上是可以行的，在实际上很难长期运行。

所以，南墙计划的核心技术是太阳能两用集热器——既能加热水，又能加热空气，也能同时加热水和空气。这样，就解决了采用单纯空气热气存在的上述问题。在夏天，两用集热器当作热水器使用，提供热水；在冬天，既加热水，也加热空气。当不需要取暖时，可以把热量储存在水箱里，当无太阳时（晚上），让两用集热器变成散热器，把水箱中的热量取出来加热空气，满足取暖的需求。

太阳能两用集热器，采用以下两种形式。

真空管两用热水器：采用玻璃热管来实现的（专利申请号：201010233590.4，201020267384.0）。把玻璃热管分为三段：下段为蒸发段，吸收阳光的热量使热管工质汽化。中段既是冷凝段，也是蒸发段。在有太阳时，中段作为冷凝段，把汽化冷凝下来的热量传给水箱里的水：在无太阳时（晚上），中段作为蒸发段，用水箱中的热量加热丝网中的热管工质，使其汽化流向上段，把热量传给空气。上端是冷凝段，把来自蒸汽段汽化了热管工质的热量传给空气。中段既是冷凝段，又是蒸发段，其关键技术在玻璃管内壁紧贴丝网材料，既能实现冷凝功能，又能实现蒸发功能。

平板两用集热器：采用翘片的结构来达到（专利申请号：200820077733.5，201020159552.4）。要提高平板集热器的热效率，关键是限制、减少自然对流热损失与辐射损失。采用这种金属窄缝式的结构就能起到这种作用。可以设想，当两片形成的窄缝小到3mm或2mm或1mm时，而两片的高度为数十毫米时，在这样的窄缝中，空气是无法自然对流的，只能靠空气的分子传导来散热，而空气的导热系数为0.02kcal/（m·h·℃），比保温材料聚氨酯的导热系数还要低，这样，就抑制了自然对流热损失。另外，金属片形成窄缝，相互辐射，相互吸热，而只有很小一部分辐射从窄缝的口中损失。因此，窄缝的辐射热损失只是普通平板集热器的1/30。同时窄缝起到了绝对黑体的作用，吸收率达到1.0。而对于空气集热器，因为气体的传热性能差，增加传热面积是强化传热的必然措施。所以要提高空气集热器的热效率，只有采取翘片结构。窄缝与翘片相结合，这就是平板两用集热器的最合适的形式。

平板两用集热器用于南墙计划或屋顶计划如图4、图5所示。

图4 平板两用集热器用于南墙计划设计示意图

图5 平板两用集热器用于屋顶计划示意图

在夏天，风机停运，两用集热器作为热水器使用，提供热水。

在冬天，白天有太阳时，启动风机，提供屋内暖气，同时也加热水箱中的水。如果屋内不需要暖气，则停运风机，太阳的热量自然就储存在水箱中。晚上无太阳时，启动风机，此时集热器作散热器用，把热水箱中的热量，通过空气带向室内。

为了保证上述现实，集热器的最高水位B＇-B＇必须低于热水箱的最高水位B-B，集热器的最低水位A＇-A＇必须高于热水箱的最低水位A-A。

四、热管式的太阳能平板集热器

太阳能平板集热器采用热管式是很合理的。因为在下部的热管蒸发段，受太阳照射受热蒸发，蒸汽向上流动遇到上部冷凝段（在水箱内）蒸汽冷凝，把热量传给水箱中的水，液体受重力作用向下流动，回到下部蒸发段，这样液体再蒸发，蒸汽再冷凝，反复循环，把太阳的热量吸收后，再传到储热水箱中，这样重力热管就能完成任务，而不需要采用毛细力的热管。

（1）用于太阳能的热管，其特点是热流密度Q很低，在102～103W/m2的范围，因此，其特点为：

1）由于热流密度很低，所以热管工质的充装也可以少一点，工质的充装是其体积的5%～10%。

2）对于重力热管，特别是在低热流范围内工质是否发生沸腾，是非常感兴趣的问题。是否沸腾，与沸腾开始的径向热流密度有关。开始的径向热流密度与工质物性组合有关。式中：λ—导热系数，σ—表面张力，v—汽化潜热，γ″—蒸汽比重。因此，在选择热管工质时，要选择值低的工质。因为的值越小，沸腾开始的径向热流密度就越低，就越容易沸腾。