陶瓷板太阳能集热器发展现状及研究
时间：2021-01-08 00:01:41 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着人们生活和生产需求的不断提高，常规能源日渐减少而环境污染又迅速增加，现今太阳光的热利用作为近十年来世界上发展最迅猛的可再生能源技术，被明确列为“十二五”科技发展重点。在太阳光能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来。所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。在如今的陶瓷行业产业转型升级时期，陶瓷太阳能集热器作为一种全新材质的太阳能末端集热器更加受到行业人士的瞩目。
关键词：陶瓷；太阳能；集热器
1 背景
经过近200年的持续加速开采，煤、石油、天然气等常规化石燃料资源逐步减少，据有关资料，我国煤、石油、天然气的可开采年数分别是114年、20.1年、49.3年，人均占有量分别是世界人均占有量的70%、11%、4%。所以我国比多数国家更迫切需要研究和寻求新能源和可再生能源。世界范围内的常规能源储量日益减少， 开发新能源成为世界共同的需要。在此形势下， 越来越多的国家开始实行“阳光计划”， 开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。
太阳能是煤、石油、天然气等常规化石能源以及风能、水能、海洋能、生物质能的根本来源，辐射到地球表面的太阳能是全球人类同期消耗总能量的数万倍，是全球风能总量的一万倍，水能的十万倍。我国太阳能资源丰富，优于日本、欧洲，相当于美国。青藏高原部分地区的年阳光辐照量约为全球阳光最强烈的撒哈拉沙漠辐照量的3/4，进一步深入研究太阳能的利用和开发对缓解我国能源供应具有现实意义。
太阳能的优点是普遍、巨大、无害；缺点是分散、随机、间歇。太阳能利用的研究主要是对太阳能收集、转换及其装置的研究，由于太阳能是低密度能源，巨大的能量散布在广阔的区域，所以对太阳能利用的研究更重要的是对太阳能收集器的研究；是对太阳能收集器的成本、寿命、效率的研究。一旦太阳能利用技术取得突破性进展，使取得太阳能的成本与取得相同数量常规能源的成本相比具有竞争力，那么人们将更加趋向于使用清洁能源——太阳能。
由于太阳能是低密度能源，太阳能能量成本主要体现在太阳能集热器的材料成本、使用寿命和转化效率上。另外，太阳能的成本与太阳能装置的种类、主要原料、制造工艺、产品结构、装置性能、生产规模；生产地主要原料储量、价格、运输距离成本、常规能源价格和供应状况、劳动力成本等有关。因此，如何采用目前人类可以掌握的廉价和稳定的材料、简单和节能的生产工艺、合理和持久的结构所制造的太阳能集热器才能达到最终合理高效利用太阳能的目的。
2 太阳能集热器结构和材料的演变
太阳能收集器主要包括太阳能集热器、聚光型收集器和太阳能电池等。目前，已市场化利用的太阳能集热器主要是铜管金属平板型（管板型）、玻璃真空盲管型（真空管型）集热器。铜管金属平板型占国外太阳能集热器总量的90%以上，玻璃真空盲管型占我国太阳能集热器总量的90%左右。
太阳能集热器主要分为闷晒式和循环式，其原理都是温室效应，阳光穿过透明盖板照射在黑色表面的流体容器上，黑色表面将阳光能量转化为热能由容器壁传递给流体，部分阳光在黑色表面转化为长波红外线向外发射，多数透明盖板，如：玻璃板、塑料薄膜等基本上不允许长波红外线穿过，流体容器的四周和下方有保温材料，从而使进入太阳能集热器的太阳光的能量被封闭在太阳能集热器中，其中相当部分转化为流体的热能。
闷晒式太阳能集热器流体容器的容积比较大，容器可以采用金属材料、有机材料、无机材料。由于容器的容积比较大，相对表面积小、流体层比较厚，热交换效果差，效率比较低。
循环式太阳能集热器流体容器的容积比较小，由于太阳能是面能源，所以优先采用扁盒结构，使阳光吸收的面积大、发热面离流体的距离近，集热效率高。另外，安装上下循环管和保温水箱，由于容器的容积比较小，相对表面积大、流体层比较薄，冷热水交换快，保温水箱的保温、储热效果好，所以效率高于闷晒式太阳能集热器，目前太阳能集热器基本上都是循环式太阳能集热器。
循环式太阳能集热器由表面有黑色阳光吸收层的太阳能集热体、透明盖板、保温材料、外壳组成，早期的太阳能集热体采用镀锌薄铁板、铝合金板、铜板经过焊接或滚压后吹胀等方法做成带进出口和加强间壁的扁盒形状，这种形状具有最高的集热效率，但是加工工艺比较复杂，镀锌薄铁板、铝合金板容易腐蚀，生产量逐步减少。目前欧、美、日等主要工业国大量生产的是以铜管焊接系统和表面具有黑色阳光吸收层的铜板或铝板为基础的铜管金属平板式（管板式）太阳能集热器，一般用作太阳能热水器，市场占有率90%以上。铜材太贵，导致成本过高，铜管太细、铜管焊接结构等原因导致循环管路复杂，循环阻力大，焊接点过多，影响寿命、效率。
由于铜材昂贵，我国主要采用玻璃真空盲管（真空管型）太阳能集热体，真空管是一端开口，一端为盲端的双层玻璃管，内管外壁镀黑色太阳能涂层，两管之间抽真空，以真空层作为保温层，由真空管、保温水箱、金属支架构成玻璃真空管式太阳能热水器，国内市场占有率90%左右。由于采用盲管结构和真空保温，也带来一系列寿命、效率、成本问题。
3 国内外太阳能集热器产品技术现状
目前与太阳能集热陶瓷板相类似的太阳能收集器主要有平板型、真空管型、聚光型收集器和太阳能电池等，太阳能利用装置主要包括太阳能热水器、太阳能热水系统、太阳能热风系统、太阳灶、太阳房、太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能制冷与空调系统、太阳能热发电系统、太阳能光伏发电系统等。已工业化、市场化、规模化利用的太阳能收集器主要是平板型、玻璃真空管型收集器和太阳能电池。玻璃真空盲管型占我国太阳能集热器总量的90%左右
3.1 金属平板型太阳能集热器
金属平板型太阳能集热器是太阳能热利用系统中，接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的非聚光型部件，其中吸热体结构基本为平板形状。平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板型太阳能热水器。当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合的最佳选择之一。
