摘 要 介绍了太阳能集热器的分类，阐述了太阳能集热器的工作原理，分析了几种太阳能集热器的特点，有助于人们对太阳能集热器类型的选定。 关键词 太阳能集热器；平板型集热器；真空管型集热器 中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-178-02 1 概述 太阳能集热器是指在太阳加热系统中，接收太阳的辐射能，并向传热工质传递热能的装置。它是太阳能热利用系统的一个部分，是决定太阳能热利用系统性能的关键部件。 2 太阳能集热器的分类 随着电子技术的发展，太阳能集热器的类型越来越多样化。根据进入采光口的太阳辐射方向是否改变，分为聚光型集热器、非聚光型集热器；根据集热器的传热工质类型的不同，分为液体型集热器、空气型集热器；根据集热器是否跟踪太阳，分为跟踪集热器、非跟踪集热器；根据集热器内是否有真空空间，分为平板型集热器、真空管型集热器；根据集热器的工作温度范围的不同，分为高温集热器、中温集热器、低温集热器。其中最常见是将太阳能集热器分为平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。 2.1 平板型太阳能集热器 平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本器件。平板型太阳能集热器主要由吸热体、透明盖板、外壳和隔热层等部件组成。它的结构如图1所示。 平板型太阳能集热器是利用太阳光辐射透过透明盖板后，投射在吸热体上，其中大部分太阳辐射能被吸热体吸收并转化为热能，然后将热能传递给吸热体内的传热工质。这样，传热工质被加热后，温度逐渐升高，作为集热器的有用热能输出。同时，由于吸热体内的温度升高，通过透明盖板和外壳向周围环境散失热量，成为平板型太阳集热器的各种热损失。 2.2 真空管型的太阳能集热器 真空管型太阳能集热器是在平板型太阳能集热器基础上发展起来的新型集热装置。按照吸热体的材料分类，可分为玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管）集热器和金属吸热体（玻璃—金属）真空管集热器两大类。主要有全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器。 2.2.1 全玻璃真空管集热器 全玻璃真空管集热器是由若干支全玻璃真空太阳能集热管按照一定规则排列，并与反射器、联集管和尾架等组装成太阳能集热器。全玻璃真空太阳能集热管主要由内外玻璃管、选择性吸收涂层、真空夹层、保护帽、消气剂等部件组成。它的结构如图2所示。 全玻璃真空太阳能集热管的工作原理简单，像拉长的保温瓶。它的一端将内玻璃管和外玻璃管环形熔封起来；在内玻璃管的另一端封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管内部端。当内玻璃管吸收太阳光辐射升温时，圆头就形成热胀冷缩的自由端，因此缓冲引起管开口端的热应力。内玻璃管内装水，内玻璃管的外表面涂上太阳选择性吸收涂层，用来吸收太阳辐射能。将内外玻璃管之间的夹层抽成高真空，减少热损失，起到保温的作用。在外玻璃管尾端粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。弹簧支架上装有消气剂，用于吸收真空集热管运行时释放出来的气体，以保持管内真空度的作用。 2.2.2 U型管式真空管集热器 U型管真空集热器是对全玻璃真空管集热器的改进。U型管式真空太阳能集热管的结构如图3所示，由集管、隔热材料、集热流体、吸热管U型管等部件组成。U型管式真空太阳能集热管是在真空玻璃管内安装了一根U型铜管，真空管吸收太阳辐射能，通过U型管中流动的工质传递热能，达到加温热水的原理。因为真空管内没有水，所以不会因一只管破损而影响整个系统的运行；真空管的热容大大减小，同样的天气条件下可以获得更多的热量，因而提高了产品性能和运行的可靠性。 2.2.3 热管式真空管集热器 热管式真空管集热器主要由有热管式真空管与联集管、保温盒、支架等部分一起组成。热管式真空太阳能集热管由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等组成，如图4所示。 热管式真空太阳能集热管，是利用太阳辐射在表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板上，将吸收到的太阳辐射能转化为热能，并传导给与吸热体焊接在一起的热管，热管吸收热能并加热管内工质使其迅速气化，被气化的工质上升到热管冷凝端，在冷凝端放热迅速凝结为液体，在重力的作用下液体流回蒸发端。太阳热能产生的过程实际上就是热管的工质不断地由“液→气→液”重复的过程。 3 太阳能集热器技术的特点分析 3.1 平板型的太阳能集热器的特点 平板型太阳能集热器在各种太阳能热利用系统中已经广泛应用，且技术已趋于成熟和完善，其主要的优点有： 3.1.1 平板型太阳能集热器具有良好的承压性能 平板型太阳能集热器能更好承受自来水、水泵等的压力，因为其吸热版是由金属材料制成的，而且集热器与贮水箱的连接也是采用金属零件。 3.1.2 平板型太阳能集热器适合与建筑一体化要求 平板型太阳能集热器的太阳能热利用系统具有平面结构特性，其形态结构灵活，便于安装、维护和使用，特别容易于实现与建筑构件的结合。 3.1.3 平板型太阳能集热器具有较高的热效率 平板型太阳能集热器的表面是一个连续的平面，接收太阳辐射的面积较大，因此，在相同强度的日照下，它能吸收更多的太阳能，其日平均效率比真空管太阳能集热器高。 3.1.4 平板型太阳能集热器组成大系统时性能稳定 平板型太阳能集热器与热利用系统之间是用金属连接的，能更好地组成大系统并保证整个系统的稳定性。因此，对于像学校、工厂、宾馆等地方，可以选择多块平板型太阳能集热器来组成大规模太阳能热利用系统。 平板型太阳能集热器虽然具有以上的优点，但是它没有保温功能，透明盖板和外壳容易散热，因此，存在热损失偏高、防冻性能差等问题。 3.2 真空管式的太阳能集热器的特点 近年来，一种新型的太阳能集热装置，真空管式太阳能集热器越来越受到人们的青睐。运用了真空管的太阳能集热 器，能大幅度地降低了集热器的热损失，因此在高工质温度或低环境温度下运行都具有良好的性能。它的主要优点有： 3.2.1 真空管式的太阳能集热器使用寿命长 由于它的材料是高硼玻璃，而内外涂层在真空的环境里不受氧化，在不受外力的情况下寿命达到20年。 3.2.2 真空管式的太阳能集热器散热小、保温效果好 由于它是采用内管的吸热涂层对太阳光的吸收，加热管里的水，再与水箱进行 ，提高水温。真空管内管的水银涂层防止热量辐射，内外管中间的真空层防止热量传导，因此它的热散发几乎为零。 3.2.3 真空管式的太阳能集热器的抗冻能力强 由于真空管的形状是圆形的，受外来的冲击力小，抗冰雹能力强。 真空管式的太阳能集热器虽然存在上述优点，但是它的安装复杂、承压能力差、维护比较麻烦等不足。 4 结论 目前我国市场上各种各样的太阳能热利用系统中，其关键部件太阳能集热器主要有平板型、全玻璃真空管、U型管式、热管式等类型。各种类型各有优缺点，并没有一种是占绝对优势的。用户在选择太阳能集热器类型时应扬长避短，根据不同地区、不同用途来选定性价比最优的类型。下面列出几种情况可供参考： 4.1 选用平板型太阳能集热器 4.1.1 不结冰的地区 因为平板型太阳能集热器的缺点是不抗冻，而优点是热效率高，金属管板式结构、易安装、易维护、性价比高。所以在南方不结冰的地区可以选用平板型太阳能集热器。 4.1.2 热水温度要求不高、热水用量大的情况 因为平板型太阳能集热器的造价较低，稳定性较好，因此，大型的热利用可以选用平板型太阳能集热器。 4.2 选用真空管太阳能集热器 4.2.1 气温高于零下20℃的结冰地区 因为全玻璃真空管可以抗冻，造价比U型管式、热管式低，因此这个地区的用户可选用真空管太阳能集热器。但全玻璃真空管容易暴裂、和结水垢，所以也可选用U型管式真空管。 4.2.2 气温达到零下40℃的结冰地区 因为只有热管式能抗低温，因此在如此低温的条件下只能选择造价很高的热管式太阳能集热器。 基金项目 广东省教育部产学研结合项目（2012B091100288） 参考文献 [1]申刚.浅述太阳能集热器的选型[J].山西建筑，2008，34（18）：241-242. [2]彭运吉，王鲁振，等.平板型太阳能集热器的研究进展[J].能源与节能，2011，71（8）：15-16，52. [3]朱冬生，徐婷等.太阳能集热器研究进展[J].电源技术，2012，36（10）：1582-1584. 作者简介 袁静珍，（1975-），女，硕士，韩山师范学院物理与电子工程系副教授，研究方向：计算机应用。
摘 要 介绍了太阳能集热器的分类，阐述了太阳能集热器的工作原理，分析了几种太阳能集热器的特点，有助于人们对太阳能集热器类型的选定。 关键词 太阳能集热器；平板型集热器；真空管型集热器 中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-178-02 1 概述 太阳能集热器是指在太阳加热系统中，接收太阳的辐射能，并向传热工质传递热能的装置。它是太阳能热利用系统的一个部分，是决定太阳能热利用系统性能的关键部件。 2 太阳能集热器的分类 随着电子技术的发展，太阳能集热器的类型越来越多样化。根据进入采光口的太阳辐射方向是否改变，分为聚光型集热器、非聚光型集热器；根据集热器的传热工质类型的不同，分为液体型集热器、空气型集热器；根据集热器是否跟踪太阳，分为跟踪集热器、非跟踪集热器；根据集热器内是否有真空空间，分为平板型集热器、真空管型集热器；根据集热器的工作温度范围的不同，分为高温集热器、中温集热器、低温集热器。其中最常见是将太阳能集热器分为平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。 2.1 平板型太阳能集热器 平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本器件。平板型太阳能集热器主要由吸热体、透明盖板、外壳和隔热层等部件组成。它的结构如图1所示。 平板型太阳能集热器是利用太阳光辐射透过透明盖板后，投射在吸热体上，其中大部分太阳辐射能被吸热体吸收并转化为热能，然后将热能传递给吸热体内的传热工质。这样，传热工质被加热后，温度逐渐升高，作为集热器的有用热能输出。同时，由于吸热体内的温度升高，通过透明盖板和外壳向周围环境散失热量，成为平板型太阳集热器的各种热损失。 2.2 真空管型的太阳能集热器 真空管型太阳能集热器是在平板型太阳能集热器基础上发展起来的新型集热装置。按照吸热体的材料分类，可分为玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管）集热器和金属吸热体（玻璃—金属）真空管集热器两大类。主要有全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器。 2.2.1 全玻璃真空管集热器 全玻璃真空管集热器是由若干支全玻璃真空太阳能集热管按照一定规则排列，并与反射器、联集管和尾架等组装成太阳能集热器。全玻璃真空太阳能集热管主要由内外玻璃管、选择性吸收涂层、真空夹层、保护帽、消气剂等部件组成。它的结构如图2所示。 全玻璃真空太阳能集热管的工作原理简单，像拉长的保温瓶。它的一端将内玻璃管和外玻璃管环形熔封起来；在内玻璃管的另一端封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管内部端。当内玻璃管吸收太阳光辐射升温时，圆头就形成热胀冷缩的自由端，因此缓冲引起管开口端的热应力。内玻璃管内装水，内玻璃管的外表面涂上太阳选择性吸收涂层，用来吸收太阳辐射能。将内外玻璃管之间的夹层抽成高真空，减少热损失，起到保温的作用。在外玻璃管尾端粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。弹簧支架上装有消气剂，用于吸收真空集热管运行时释放出来的气体，以保持管内真空度的作用。 2.2.2 U型管式真空管集热器 U型管真空集热器是对全玻璃真空管集热器的改进。U型管式真空太阳能集热管的结构如图3所示，由集管、隔热材料、集热流体、吸热管U型管等部件组成。U型管式真空太阳能集热管是在真空玻璃管内安装了一根U型铜管，真空管吸收太阳辐射能，通过U型管中流动的工质传递热能，达到加温热水的原理。因为真空管内没有水，所以不会因一只管破损而影响整个系统的运行；真空管的热容大大减小，同样的天气条件下可以获得更多的热量，因而提高了产品性能和运行的可靠性。 2.2.3 热管式真空管集热器 热管式真空管集热器主要由有热管式真空管与联集管、保温盒、支架等部分一起组成。热管式真空太阳能集热管由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等组成，如图4所示。 热管式真空太阳能集热管，是利用太阳辐射在表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板上，将吸收到的太阳辐射能转化为热能，并传导给与吸热体焊接在一起的热管，热管吸收热能并加热管内工质使其迅速气化，被气化的工质上升到热管冷凝端，在冷凝端放热迅速凝结为液体，在重力的作用下液体流回蒸发端。太阳热能产生的过程实际上就是热管的工质不断地由“液→气→液”重复的过程。 3 太阳能集热器技术的特点分析 3.1 平板型的太阳能集热器的特点 平板型太阳能集热器在各种太阳能热利用系统中已经广泛应用，且技术已趋于成熟和完善，其主要的优点有： 3.1.1 平板型太阳能集热器具有良好的承压性能 平板型太阳能集热器能更好承受自来水、水泵等的压力，因为其吸热版是由金属材料制成的，而且集热器与贮水箱的连接也是采用金属零件。 3.1.2 平板型太阳能集热器适合与建筑一体化要求 平板型太阳能集热器的太阳能热利用系统具有平面结构特性，其形态结构灵活，便于安装、维护和使用，特别容易于实现与建筑构件的结合。 3.1.3 平板型太阳能集热器具有较高的热效率 平板型太阳能集热器的表面是一个连续的平面，接收太阳辐射的面积较大，因此，在相同强度的日照下，它能吸收更多的太阳能，其日平均效率比真空管太阳能集热器高。 3.1.4 平板型太阳能集热器组成大系统时性能稳定 平板型太阳能集热器与热利用系统之间是用金属连接的，能更好地组成大系统并保证整个系统的稳定性。因此，对于像学校、工厂、宾馆等地方，可以选择多块平板型太阳能集热器来组成大规模太阳能热利用系统。 平板型太阳能集热器虽然具有以上的优点，但是它没有保温功能，透明盖板和外壳容易散热，因此，存在热损失偏高、防冻性能差等问题。 3.2 真空管式的太阳能集热器的特点 近年来，一种新型的太阳能集热装置，真空管式太阳能集热器越来越受到人们的青睐。运用了真空管的太阳能集热 器，能大幅度地降低了集热器的热损失，因此在高工质温度或低环境温度下运行都具有良好的性能。它的主要优点有： 3.2.1 真空管式的太阳能集热器使用寿命长 由于它的材料是高硼玻璃，而内外涂层在真空的环境里不受氧化，在不受外力的情况下寿命达到20年。 3.2.2 真空管式的太阳能集热器散热小、保温效果好 由于它是采用内管的吸热涂层对太阳光的吸收，加热管里的水，再与水箱进行 ，提高水温。真空管内管的水银涂层防止热量辐射，内外管中间的真空层防止热量传导，因此它的热散发几乎为零。 3.2.3 真空管式的太阳能集热器的抗冻能力强 由于真空管的形状是圆形的，受外来的冲击力小，抗冰雹能力强。 真空管式的太阳能集热器虽然存在上述优点，但是它的安装复杂、承压能力差、维护比较麻烦等不足。 4 结论 目前我国市场上各种各样的太阳能热利用系统中，其关键部件太阳能集热器主要有平板型、全玻璃真空管、U型管式、热管式等类型。各种类型各有优缺点，并没有一种是占绝对优势的。用户在选择太阳能集热器类型时应扬长避短，根据不同地区、不同用途来选定性价比最优的类型。下面列出几种情况可供参考： 4.1 选用平板型太阳能集热器 4.1.1 不结冰的地区 因为平板型太阳能集热器的缺点是不抗冻，而优点是热效率高，金属管板式结构、易安装、易维护、性价比高。所以在南方不结冰的地区可以选用平板型太阳能集热器。 4.1.2 热水温度要求不高、热水用量大的情况 因为平板型太阳能集热器的造价较低，稳定性较好，因此，大型的热利用可以选用平板型太阳能集热器。 4.2 选用真空管太阳能集热器 4.2.1 气温高于零下20℃的结冰地区 因为全玻璃真空管可以抗冻，造价比U型管式、热管式低，因此这个地区的用户可选用真空管太阳能集热器。但全玻璃真空管容易暴裂、和结水垢，所以也可选用U型管式真空管。 4.2.2 气温达到零下40℃的结冰地区 因为只有热管式能抗低温，因此在如此低温的条件下只能选择造价很高的热管式太阳能集热器。 基金项目 广东省教育部产学研结合项目（2012B091100288） 参考文献 [1]申刚.浅述太阳能集热器的选型[J].山西建筑，2008，34（18）：241-242. [2]彭运吉，王鲁振，等.平板型太阳能集热器的研究进展[J].能源与节能，2011，71（8）：15-16，52. [3]朱冬生，徐婷等.太阳能集热器研究进展[J].电源技术，2012，36（10）：1582-1584. 作者简介 袁静珍，（1975-），女，硕士，韩山师范学院物理与电子工程系副教授，研究方向：计算机应用。