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1、各种类型集热器性能优劣比较太阳能光热产业经过几十年的发展，现在已经呈现产品多样、类型多样、系统多样的格局，太阳能光热系统的核心元件一一集热器也出现多种产品，概况起来有以下几种：图0、集热器种类结构图一、结构特点和使用性能1、真空管型集热器真空管型集热器包括全玻璃真空管型太阳能集热器、玻璃-金属结构真空管型集热器；全玻璃真空管型太阳能集热器根据使用的方式又可以细分为直插式集热器、U型管式集热器和热管式集热器三种。总体来说，真空管型集热器的吸热部件是真空管，具有以下特点：真空集热管具有真空夹层，空气对流和传导几乎为0,保温性能非常好（就象保温瓶一样），热损系数非常小，空晒温度达到200r以上，部分
2、达到280C左右。真空集热管是圆柱形的管状，太阳从不同方向入射时其截面不变，因此具有准跟踪性能，即早晚阳光较偏时得热量也较高。同时对各个角度的光线都有吸收，对散射光吸收也较好，因此在散射光较多的多云天气和略阴的天气，效率也较高。图1、真空管接收光照示意图具体来讲，各种类型又具有各自的特点：1.1直插式真空管集热器此种类型集热器是水工质直接在真空管内流通，然后通过自然/强制循环，将热量存储并使用。这种集热器在非承压状态下运行，对系统要求不高，安装方便。但是直插式真空管集热器也有自身的缺点：系统抗冻性能差，对冬季防冻要求比较高；一旦发生真空管破裂，整个系统将停止运行，对维护要求比较及时；严禁在空晒
3、状态下补水，避免发生真空管炸裂。这种系统主要使用在低端家用系统、低端小工程和防冻要求不高的地区。1.2U型管式和热管式真空管集热器U型管式和热管式真空管集热器是在真空管内装配U型铜管或者热管，对集热器进行空晒，通过循环在U型铜管或热管中的工质将热量带出，直接加热水或者在水箱内经过盘管换热加热水。相变热管铝翼铜管真空管图3、U型管式真空管结构及传热示意图这种系统由于使用大量金属，所以初期投资相对较高，但总体的性价比仍然处于较高的水平，相比平板和玻璃-金属集热器具有优势；系统要经过两次换热，相比于直插式集热器，升温速度稍慢，但是从能量守恒的角度来讲，系统的得热量并没有减少，并且在继承了全玻璃真空管
4、的高性能、可靠性高和准跟踪的优点的同时，还具有直插式集热器不可比拟的优势：a.运行安全系数高，工质在铜管和热管内循环，不直接在真空管内循环，整套系统可以承压运行，并且发生真空管破裂时整套系统正常运行；b.对防冻要求不高，由于管路中循环的是防冻液，工质冰点低；c.现场安装容易，装配简单。基于以上特点，目前U型管式和热管式真空管集热器是出口产品的主力军；在国内也多用于一些高端的工程，如中央财经大学沙河校区热水工程等，还有高档住宅及别墅用的分体式热水系统。2、平板集热器：平板集热器一直以来都是集热器家族内的一支主要力量，同时也是真空管集热器的主要竞争对手。做为市场上一直存在的产品，平板集热器也具有自
5、己的特点：钢化玻璃盖板强度高，耐撞击性能好，安全运行系数高；由于自身的结构特点，与建筑结合容易；工质在平板集热器的铜管内运行，可以承压运行；虽然平板具有这些特点，但是平板集热器也是具有不可弥补的缺点：平板集热器的吸热板和玻璃盖板之间无法抽真空，当吸热板吸收太阳能温度上升后，平板和玻璃盖板之间的空气层形成对流，造成热损大大增加，其热损系数是真空管集热器的35倍。因此当环境温度较低时（北方地区冬季）或工作温度要求较高时都无法工作；不具备准跟踪功能，当阳光斜射时，接收面积迅速减小，得热很快下降；只有在低温或者阳光直射的状态下，平板集热器集热效率较高，其他工作状态则不甚理想。图4、平板集热器热流向图3
6、、玻璃-金属热管集热器属封接的大热管太阳能集热器真空玻璃管吸热体热管热管冷凝段图5、玻璃-金属热管真空管集热管示意图玻璃-金属热管真空管集热管虽然外观上与全玻璃真空管一样，同时其玻璃管内也是真空状态，吸热体吸收太阳能通过铜管传递到冷凝端，经过热交换得到热水。但是其吸热体却与平板集热器完全相同，不具有准跟踪功能。总体来说，玻璃-金属热管集热器和集热管特点如下：管内不走液体，可以承压运行，安全系数高；相比平板集热器，玻璃管内保持真空，热损系数小，保温性能好；端口是玻璃与金属封接，由于两种物质热膨胀系数不同，反复加热会造成封接口破裂，因此真空寿命短，进而缩短集热管寿命；结构工艺复杂，玻璃与金属封接不
7、好容易漏气，铜条带吸热体在排气时容易氧化，因此成品率低，价格高；不具备对太阳光的准跟踪功能，效率不够高；容易在冷凝段产生不凝气体，阻碍传热的进行，降低效率。这样一些因素导致其使用范围比较小，市场占有率不高。热性能2.1效率曲线与效率方程不考虑系统管路、水箱等其它因素，单从集热器角度来说，其热性能均可以从集热器效率曲线和效率方程上分析得出：集热器的效率方程为=0-Ul*（-To）/G集热器的瞬时效率方程是集热器热性能的集中反映。越大，说明集热器在相同时间内、相同条件下得热量越多。而对于某一确定的集热器来说，其0、Ul都是唯一确定的，共同决定集热器的效率值大小，这里，o是瞬时效率截距，Ul是集热器
8、热损系数，式中（TTo）/G是变量，其值越大，集热器温度越高，系统温度所能达到的温度越高，效率越低。国家平板集热器标准规定最低性能要求,0=0.68,Ul=6W/m2K。国家真空管集热器标准规定最低性能要求,0=0.6,Ul=2.5W/m2K。以上两组数据表明，当（Ti-T0）/G达到0.023的时候，即集热器温度达到40C以上，高于环境温度18-20C时，真空管集热器效率将超过平板集热器效率。即真空管集热器所能达到的温度会远高于平板集热器所能达到的温度。此外，冬季使用太阳能热水系统的时候，由于集热器内部温度和环境温度差别较大，而平板集热器没有真空，所以集热器本身和外界热对流和热辐射均较大，向
9、环境中散失很大一部分热量，将造成系统温度不高，甚至不能满足使用要求。从效率曲线上分析：图&集热器效率曲线太阳能的供热和采暖系统，如果采用地板采暖系统，基本系统工况可以用集热器为50度工况做为设计依据，由于环境温度低（冬季采暖季），在系统工作工况下，系统的效率曲线基本处于上图中竖线的右侧，可以明显看出真空管型集热器的效率高。本公司的热管集热器（干式）HPG-24/58-1800于国家检测中心测试结果为0=0.800,Ul=2.252W/m2K，远优于国家标准规定的性能要求。U型管式集热器性能也十分优异。1.000平板CIB0.8000.6000.4000.200.真空管ypncnf二0.0000
10、.0200.0400.0600.0800.1000.120T*图7、公司干式热管集热器效率曲线上图中：红线一一真空管集热器检测标准要求的最低水平线；蓝线一一平板集热器检测标准要求的最低水平线；黄线一一本公司干式热管真空管集热器的测试结果。玻璃-金属热管集热器起初保持比较好的真空度，效率很高，但是随着时间增长，玻璃与金属封接处出现开裂，真空度降低，其效率会逐渐下降。综合分析：平板集热器效率截距高，但是热损大，下降快，总体效率不高；真空管集热器（直插式、热管式、U型管式）效率截距高，热损小，总体效率处于最高的水平；玻璃-金属真空管集热器则随着使用期限的延长效率逐渐降低。2.2计算实例说明现在考虑几
11、种实际运用工况，用国家标准规定最低性能要求真空管集热器和平板集热器性能计算如下：1）冬季运行，集热器温度处于50C，环境温度为-20C的情况下，太阳辐射为800W/m2时的标准工况下：真空管集热器效率为：=0.6-2.5*(50+20)/800=0.381；平板集热器效率为：=0.68-6*(50+20)/800=0.155；此时真空管集热器效率比平板集热器高22%。在气候温度为30C时，标准工况的真空管集热器效率为35%，标准工况的平板集热器效率为8%,基本平板集热器得热很少。真空管比平板高27%。同时从实际测试的结果来看，此种条件下平板集热器也很难达到50C2) 春秋运行，环境温度10C的
12、情况下，真空管比平板高9.5%:真空管集热器效率为：=0.6-2.5*(50-10)/800=0.475;平板集热器效率为：=0.68-6*(50-10)/800=0.38;夏季运行，由于负荷减少，集热器温度升高，集热器至少工作在60C温度下，环温为30C，真空管集热器效率也比平板集热器效率高5%0三、使用建议针对各种集热器的特性和实际使用情况，有针对性的选择合适的产品，将项目利益最大化是我们的追求。从以上对于集热器结构和热性能的分析，我们可以清晰的看出各种类型的集热器使用场所和环境：直插式真空管集热器：低端市场。农村家用系统或者城市低端需求用户，对防冻要求不高的地区的中小型热水系统；借助于现
13、在的控制技术，也可以实现防冻运行；U型管式/热管式真空管集热器：各种使用环境、中高端市场。阳台壁挂系统、高档住宅分体式家用热水系统、对安全要求较高的公共场所用热水系统、特别推荐在严寒地区的大中小型热水/供暖系统、需承压运行的各种工况；玻璃-金属热管式真空管集热器：家用热水系统、需承压运行的系统；平板集热器：冬季对热水需求小、要求温度低的情况。阳台壁挂系统、需要承压运行的系统、分体式家用热水系统、南方地区太阳能热水工程；闷晒式集热器：闷晒式集热器吸热和储热是一体的，保温、容量等有限，已经逐渐被淘汰出市场。另外，根据统计，目前市场上面各种类型的集热器占有率也有很大差别：真空管集热器(包括所有真空管集热器类型)占有绝对的市场份额，达到80%以上；平板集热器则占有不到20%的份额；另外，玻璃-金属热管集热器在市场上的份额更小，据统计2006年仅占8%的市场份额。
