璃 真空管技术的发展和普及 ． 间歇式直流磁控溅射铝 氮铝是涂层生产
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科 技 目向 导
◇高教论述◇
１ ． 横 比优 化 ． ２纵 ４ 的隔热层形状 ， 使其可 以达到与矿物棉相 当的保温隔热效果 ． 用料却 文 献 应 用 几 何 光 学 基 本 原 理 建 立 平 板 型 集 热 器 件 平 均 有 效 吸 更 少 。 这将 使集 热 器 的 安 装更 为 容易 ： 活 、 含 纤 维 ． 于 切割 成 所 ］ 灵 不 易 热面积系数的数学模型 。 利用此模型对 年均有效面积系数随集热器件 需 形 状 。文 献 ㈤ 荐 的 酚 醛 泡 沫具 有 保 温 性 能好 、 用 的温 度 范 围广 、 推 使 纵横 比、 板间距、 倾角 、 纬度的变化进行 了详细分析。 其结论 为： 年均有 环 保 、 量 轻 、 燃 、 腐 蚀 抗 老 化 、 艺性 好 、 水 抗 湿 的 优 点 ． 可 重 不 抗 工 防 也 效面积系数随板间距 的增大而减小 ． 纵横 比越大越明显 ： 倾角小于 １￣ 作为隔热层材料的较好 选择 ５
由表可知磁控溅 射方法具有相对优势。目前 ， 国际上发达 国家 ， 尤 其 是 欧 洲 ． 择 性 吸 收 涂 层 的 生 产 主要 有 两 个 特 点 ， 一 是 采 用 真 空 选 其
镀 膜 技 术 ． 二 是 采 用 卷 绕 式 连 续 镀 膜 方 式 。十 多年 来 国 内 由于 全 玻 其
１ ．空 气 夹 层 间距 优 化 ．１ ４ 透 明 隔板 与 吸热 板 之 间存 在 一 定 间距 ． 大小 对 于 顶 部 热 损 失 有 其
重 要 影 响 ． 择 最 优 间 距 可 以使 顶 部 热 损 失 降 低 。文 献 通 过 对 平 板 选 型太阳能集热器 中的 自然对流 现象进行理论 分析 ， 出了水平 、 提 倾斜 及垂直 三种放 置方式 的太 阳能集热器空气夹层最 佳问距 的确定问题 ． 给 出表 格 如 下
热器真空 管表 面的由 ＳＯ 、 ｉ 折射率可调的 ＴＯ 组成 的三层减反膜 的反 ｉ 射 损耗， 出了最优化 的膜层组合 。 ＳＯ一 ｉ２ＴＯ 三层减反膜结构 得 此 ｉ ＴＯ－ ｉ 在 ４ ０ ７ ０ ｍ 的 波 段 范 围 内，可 见 光 的透 过 率 可 以 达 到 ９ ．％以 上 。 ０ ～０ｎ ９５ 此结构减反膜 以同种材质 制备多层不同折射率薄膜， 各膜之间无膜 则 问应力和工艺 匹配 的限制， 为低成本地制备太 阳能集热 器多层减反膜 提 供了可能。 １ ． 置 内部 透 明 隔层 ２放 在平 板型集热器 中放置内部透 明隔层 ．是提高集热器效率的一种 简单 、 有效的方法 ． 但是它不能在任何条件下都能达到这一 目的。 文献 对此问题进行一定的理论分析和研究 ． 得出放置 内部透明隔膜 ． 提高集 热 器效 率 的必 要 条件 结 果 显 示 ． 须 选择 透 明度 高 、 射 率低 、 且 轻 必 发 薄 的材料傲 内部隔层． 同时必须做一定的计算验证 。当条件满足时 ． 层 夹 内部对 流换热运动 受到 了抑制 ．同时由于减小 了两 相邻盖板 间的温 故使辐 射热损失也有 所降低 ． 而使总的热损失 比单层集热器 要 从 集 热器在使用 中暴露 了不少问题 。如炸管 、 裂 、 内结垢 和沉积泥 差 ． 冻 管 小 另外 ． 在平板集热器透明盖层与吸热板间的夹层 中放置绝热 透明 沙、 密封胶 圈漏水 、 冬眠 、 大工程不能承压运行等使人 们重新审视平 板 也是提高集热器效 率的一 种简 型集热器 ． 为其发展带来 了新 的机遇 。然 而平板 式集 热器的热效率还 蜂窝结构来抑制夹层 内空气 自然对流， 有效的方法 。蜂窝结构材料是一种形状与蜜蜂 的巢穴极其相 似的 受到技术经济等各方面 的限制 ． 有待进一步提高 。 选择更合适 的材 料 ， 单 、 无需 抵抗 外界 改进制造 工艺 以提高其热效率将在其 以后 的发展 中 占 有决定性地位 。 复合材料 蜂窝状透明绝热材料不需要很高的真空度 ． 大气 的压力 ． 不考虑气体 泄漏 问题 ， 蜂窝材质轻 ． 可以作为填充 材料 ， １方 法 介 绍 ． 填 充 于 集 热 装 置 的 透 明盖 板 之 下 由 于蜂 窝 状 透 明 绝 热 材 料 对 太 阳 辐 太 阳 能平 板 集 热 器 件 的散 热 损 失 包 括 顶 部 散 热 损 失 、 部 散 热 损 底 射是透 明的 ． 而对 红外辐射是不 透明的 ， 而蜂窝 夹层对吸热板 和盖板 失、 和侧面散热损 失三部分 ． 中顶部散热损 为主要 部分 。 其 为提高其热 间 的对 流 和 辐 射 热 损 均 起 到 了抑 制 作 用 ． 此 ． 热 透 明蜂 窝有 “ 二 因 绝 热 效率 ． 减少 热损 失 ． 目前 常见 的方 案 有 涂 选 择 性 吸 收 涂 层 、 置 内部 透 放 极管 ” 的作用一既能透太 阳光辐射 ． 又具有优异 的隔热功 能． 因而可以 明隔层 、 改进透 明隔板 、 优化结构尺寸 和合理选择材料等 。 下面就几 个 显 著 提 高集 热 器 的效 率 。并 且 在 实 现 大 规 模 工 业 化 生 产 的条 件 下 ， 可 方面进 行简单介 绍。 实 现 价 廉 ． 以组 装 成 集 热 器 模 块 应 用 于 许 多 方 面 可 １１ 择 性 吸 收涂 层 ．选 １ ． 进 透 明 隔 板 ３改 选择性 吸收涂层指覆 盖在 吸热板 上的深色涂层 。 其原理为利用涂 此方法 主要针对我 国情况而讲 ． 和我 国的平板 型太阳能集热器相 层 的光学特性 与波长有关 的特点保证在尽 可能多地 吸收太 阳辐射 的 比国外的平板 型集热器透 明盖 板采用 高透过率 （０ 的钢化平 板玻 ９ ％） 同时 ． 尽量减少吸热板本身 的热 负荷损失 太阳辐射能量 主要 集中在 璃 ． 国则采用低透过率 （０ 的平板玻璃 平板玻璃 中含有较多的 我 ８ ％） 波长为（．—２１ Ｏ３ ． ｍ的可见光谱范围内。 ） 吸热板的温度在 ４ ０ Ｉ０ Ｋ， ０一Ｏ０ 即含铁量 高 ， 造成玻璃 的太 阳透射 比不 高。国内 ３ ｎ ｒ 厚的平 ｍ 其辐射能量集中在红外区。为了减少 辐射 热损失 ， 要求 吸收薄膜在红 氧化铁 ． 板玻璃 的太阳投射 比一般都 在 ０８ ． ３以下， 的甚至低 于 ０７ （ 有 ． 国家标 ６ 外 区有尽 可能低的发射率 ．否则吸收 的短 波能量又 以长波形式 辐射 准 为 ０７ ） 因此 因此我 国太 阳能行业有必要在条件 成熟 时联合玻璃 ．８ 掉 因此 ． 选择性吸收薄膜的光谱选择 性就是对可见光 区有较 高的吸 行 业 专 门生 产 适 用 于太 阳能 集 热 器 的钢 化 平 板 玻 璃 。 另 外 ． 究 改 善 研 收率 ｎ， 对红外 光区有较低 的发射率 ｅ 选择性吸收涂层可有多种方法 。 透 明 隔 板 性 能 的 其 他 方 法 也 可 提 高集 热 效 率 ． 献 ＿ 实 验 基 础 上 ． 文 ４ 在 制 备 ． 喷 涂 方 法 、 学 方法 、 化 学方 法 、 空 蒸 发 方 法 、 控 溅 射 方 有 化 电 真 磁 通 Ｉ １充 １ 法等 几种方法制备的选择性吸收涂层绝大多数的太阳吸收 比可达到 综 合 各 种 因素 ， 过 对 比实 验 方 法 比较 了 中空 玻 璃 （Ｇ 、 氩 气 中 空 玻 璃 （ＤＧ 、 ｗ － 中 空 玻 璃 （Ｄ ） 和 Ｌ ｗ Ｅ充 氩 气 中 空 玻 璃 Ａ ） ＿Ｅ ＬＧ ｏ～ ０９ ．０以上 ． 但它们所 达到的发射率范 围却有较 大区别 。文献 … 各种 对 （ Ｄ １ Ｌ Ｇ作为盖板对太 阳能集热参数和效率的影 响 ， Ａ 并研究了上述 ４ 种 方法及材料制备的涂层的发射 率进 行了对比 ， 给出表 格如下 盖板 对太阳辐射 的透射率和保温性能 的不 同影 响。得 出结论 ． 中空 在 玻璃 中冲氩气 和加 ｗ —Ｅ都可以有效提高集热器得及热性 能 １ ． 化 尺 寸 结 构 ４优 大于 ５ ２ ＭＪ 、 日照时数在 ２ ０ ｈ以上 。 ００ ／ 年 ｍｚ ２０ 太阳能的开发利用具有 巨 大的潜力 太阳能热水 器是 目 太阳能利用中技术最成熟 、 用最广 前 使 泛、 实际经济效 益最 好的一种 太阳能集热器是太 阳能热水器 的核心 部件 ．设计制 造高效 的集热 器对太 阳能热水器 的应用具有决 定性意 义 太 阳能集热器 主要有平板型 和真空管型两大类 。平板型太 阳能热 水器的平均 日效 率约在 ４ ％～ ８ ８ ５ ％之间；全玻璃 真空管太 阳能 热水器 的平均 日效率约在 ４ ％一 ５ ５ ５ ％之 间。平板型太 阳能热水 器的热效率 比 全玻璃真空管太 阳能热水器高约 ５ ％。因此 ， 国外 ９ ％以上太 阳能热水 ０ 系统 都 采 用 平 板 型 太 阳 能 集 热 器 。 空 管 太 阳能 热 水 器 主要 分 布 在 中 真 国． 据统计， 中国真空管太阳能热水器的使用总量 占世 界真空管太 阳能 热水器使用总量 的 ９ ％。在商业运作 方面 ， ７ 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 ， 其主要理 由是 真 空绝热 ． 这一宣传极易为我 国大众接受 。近年来直插 式全玻璃管真 空
◇高教论述◇
科 技 目向导
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提高平板型 集热 器热效率的方法探究
刘 志 赵 德 龙 ｆ 国矿业大学机电工程学院 江苏 徐州 中
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【 摘 要】 太阳能的利 用是新 能源和 可再 生能源利 用的重要 内容 。 目前国 内多用真空管集热器， 平板 型集热器作为一种 良好的光热转换装 置． 具有较 大的发展 空间。然 而平板 式集热 器的热效率还 有待进 一步提 高。本文主要 对几种提 高平板型集热器热效率的方法进行 了探 究。
或大于 ７ 。 ５对集 热器件平均有效面积系数都是不利的 鉴于对流热损 ２结 语 ． 失较小的合理板 间距为 ４ ６ｃ ～ ｍ推荐合理纵横 比≤２ｌ ／ 太 阳能光热转换是 目前世界范围内太阳能利用 的一种最普及 、 最 １ ． 隔热层厚度优化 ．３ ４ 主要的形式 。我国已成为世界上生产太 阳能热水器最多的 国家 ．同时 隔 热 层 厚 度 应 当 根 据 选 用 的材 料 种 类 、 热 器 的 工 作 温 度 、 用 也拥 有 世 界 上 最 大 的太 阳能 热 水 器 市 场 。可 以预 见 ． 阳能 热 水 器 将 集 使 太 地区的气候条件等因素来确定 。应 当遵循这 一原则 ： 材料 的导热 系数 是不可取代的太阳能利用形式 。在全国提倡节能减排 、 高效利用的背 越大 、 集热器 的工作温度越高 、 使用地区的气 温越低 ， 隔热层 的厚度就 景 下 ． 国平 板 太 阳 能 热水 器 的 发 展 已 显 现 新 的商 机 ． 能 借 鉴 国外 我 如 要越大。 一般来说 ． 底部隔热层 的厚度选用 ３ — ０ ｍ， ０ ５ ｒ 侧面隔热层 的厚 成功经验 ， ａ 发挥 自己的优势 。 扬长避短， 一定能发展起来。要实现平 板 度与之大致相等 平太 阳能集热器的推广 ． 同时达到高效利用太阳能的 目的． 阳能行 太 １ ． ５选择合理的材料 业应继 续努力提高平板型太阳 能集热器的热 效率。 ● １． ． １吸热板材料选择 ５ 传统平板太 阳能的集热板基本上使用铜材 ． 目前国外使用 铝材逐 【 参考文献】 渐增多。我们 知道 ， 管板式集 热器 的铜管是用超声波焊接在铜翅 片的 ［］ １罗运俊， 年， 何梓 王长贵． 太阳能利用技术［ ． ： Ｍ】 北京 化学工业出版社 ，０ ５ ２０ ． 吸热板 上 ． 热量通过吸热板 与铜管 的焊缝传人管内液体 由于接触 面 ｆ］ ２ 刘守彬， 田汉 民． 折射率 可调 Ｓ ２ ＴＯ ｉ 一 ｉ２太阳能集热器减反 膜设计 的数值分 Ｏ 积有限 ， 热效率并不很高。德国 Ｓｈ ｃ ｎｅｎ ｔ ｎ］ 司把铜管做成 析 ［］ 技创 新 导 报 ，０１ （１：１ — ２ ． ｃｕｏＩｔｒａｉ ａ 公 ｏ Ｊ． 科 ２ ０， ） ９ ２０ ３ ２ 扁平状 ． 然后焊接在铝的吸热板上 ． 增大 了接触 面积 ． 不仅提高 了热效 ［ ］ ３ 曹惠玲 ， 俞颐秦， 加内部透 明隔膜提高平板型太阳能集 热器效率 的条件 『］ Ｊ新 率． 而且降低 了成本。还有一种全部使用铝材的吸热板是将两块铝板 能 源 ，９ ７，９７： － ． １９ １（） ５ ８ 通过热合技术融在一起 ． 也提高了热效率 。２ ０ ０ ９年年底国内就有公司 ［ ］ ４ 汪艳伟 ， 郑茂余 ， 赵立前 ， 张洪 敏 高效平板 太阳能集热 器盖板的热工性能 实 验研究 ［］ Ｊ． 节能， ０ ， ） ４ １． ２ ７ ５： — ７ ０ （ １ 采用了这种全铝吸热板 ． 出一种“ 推 整体密封成型集热器” 。 ［］ ５张彦峰 ， 俞颐秦． 平板型太 阳能集热器空气夹层最佳间距 的确定 ［］ Ｊ＿ 河北工学 １． ．２隔热层材料选择 ５ ９ ２２ （）１ ０１ ０ ． 根据 国家标准 Ｂ ／ ２ — ９ ７ Ｃ Ｆ ４ ４ １９ 规定 ． ６ 隔热层材 料的导热系数应 院 学 报 １ ９ ． １２ ： —１ ９