太阳能集热器太阳能集热器10新能源陈旭东10023123目录一、太阳能集热器涂层材料的制备原料、制作方法、工艺流程与主要设备。二、平板太阳能集热器的制备原料、制作方法、工艺流程与主要设备。三、真空太阳能集热器的制备原料、制作方法、工艺流程与主要设备。四、聚光太阳能集热器的制备原料、制作方法、工艺流程与主要设备。五、空气太阳能集热器的制备原料、制作方法、工艺流程与主要设备。 太阳能集热器太阳能集热器的定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。含义：太阳能集热器是一种装置；太阳能集热器可以吸收太阳辐射；太阳能能集热器可以产生热能；太阳能集热器可以将热能传递到传热介质主要分类：平板太阳能集热器、真空太阳能集热器、聚光太阳能集热器、空气太阳能集热器等四大类。太阳能集热器涂层材料太阳能集热器涂层材料在提高太阳能集热器效率方面有重要作用。主要有三类特殊的涂层材料：分别是光谱选择性吸收涂层、光谱选择性透过涂层、减反射涂层。选择性吸收涂层以干涉性涂层为例，结构如下： 光谱选择性吸收涂层是应用在吸热体上的，它是利用太阳辐射的波长范围与热辐射的波长范围不同这一特性，可以在增强吸热体对太阳辐射吸收的同时，减少吸热体向环境的热辐射损失。由于光谱选择性吸收涂层一般呈黑色或暗色，并加涂在光亮的金属吸热体表面上，所以有时将光谱选择性吸收涂层与金属面的组合称为“暗镜”。 光谱选择性透过涂层是应用在透明盖层上的，它同样是利用太阳辐射的波长范围与热辐射的波长范围不相同这一特性，可以在保持透明盖层对太阳辐射透过的同时阻止吸热体发出的热辐射透过透明盖层向环境散热。由于光谱选择性透过涂层是涂敷在透明盖层上，可以将投射的热辐射反射回去，所以有时将光谱选择性透过涂层与玻璃的组合称为“热镜”。 减反射涂层也是应用在透明盖层上，它是利用材料表面的反射能力与其折射率有关这一特性，通过降低透明盖层表面的折射率，减少透明盖层对太阳辐射的反射，从而提高透明盖层对太阳辐射的透过能力。由于减反射涂层可以增加透明盖层的透过能力，所以有时将减反射涂层称为“增透膜”。涂层材料的制备原料选择行吸收涂层材料：纯半导体材料，金属氧化物或硫化物等。选择性透过涂层材料：二氧化锡，三氧化铟，锡酸铬等。减反射涂层材料：二氧化硅膜。涂层系统渐变AIN、AI选择性吸收涂层阳极氧化电解着色涂层电镀黑铬涂层黑漆涂层FeMOCuO2涂层PBS涂层电镀黑钴涂层电镀黑镍涂层制作方法一、阳极氧化法：基本过程是将锅片(或铜铝复合芯片)在稀磷酸溶液中阳极氧化至铝表面形成多孔氧化膜然后在硫酸镍或硫酸亚锡溶液中交流电解，镍(锡)离子还原沉积于氧化的孔隙中，形成具有光谱选择的表面。阳极氧化是采用化学镀的方法产品生产过程巾的废液排放易造成环境污染。同时由于涂层的发射率较高，所以热水器的热效率不是很高二、电镀黑铬法：黑铬涂层是采用 电镀方法在太阳能集热板上制备黑 铬选择性电镀层采用电镀黑铬工 艺，需要先在镀件上打底层，如镀 覆铜、镍层来增加附着力，然后才 能镀黑铬。三、真空电子束沉积法：这种集热 薄膜主要生产在铜基体条带上既 可以封装在真空环境中使用也可以在大气环境下直接使用。在条带上(最大幅宽为1200mm)制备光谱选择性吸收涂层制造平板集热器板芯时需要对条带进行切割同时在每个翼片的背面通过超声波焊接排管例：各种方法制备的选择性涂层工艺流程涂层的制备主要由表面预处理、阳极氧化、电解着色及封闭等几个工艺流程。1)预处理：将试样经400#水砂纸手工打磨后使其表面光滑无痕，然后放入50g/L的NaOH(加热至60)溶液中进行清洗去油脂，再用1：1的HNO3溶液中和多余的碱性洗液，其中每道工序后用去离子水清洗；2)阳极氧化：氧化时选用直流电源。将清洗过的铝试样作为阳极，阴极为铅板，在磷酸、硫酸溶液中分别进行阳极氧化，部分样品先在硫酸中阳极化，然后在磷酸液中进行二次氧化；3)电解着色：经阳极氧化后的试样，采用交流电压在金属盐溶液中进行电解着色。根据所获得颜色的色系确定选用的电解液；4)封孔：本实验选用沸水封孔法，对所获得的涂层进行后处理，在沸水中封孑L 30rIlin，以确保不退色。主要设备平板镀膜机平板镀膜机集热器镀膜车间平板太阳能集热器一、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。 二、类型主要有：管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式等。三、水的循环方式主要有：自然循环、强迫循环、定温放水平板太阳能集热器类型以及层次图平板太阳能集热器的结构主要是有透明盖板、隔热材料、吸热板、外壳等几部分组成。作用盖板：温室效应；隔热材料：提高集热器的热效率；吸热板：吸收太阳辐射能并向水传递热量；外壳：将吸热板、盖板、保温材料组成一个整体。制备原料吸热板的材料：铜、铝合金（要求防锈铝）、不锈钢、镀锌板。沿海水质较差地区，也有用塑料或玻璃钢等材料。盖板的材料：高强耐热玻璃板、甲基丙烯酸甲酯板、玻璃纤维增强塑料板（及玻璃钢板）。保温层的材料：岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯发泡塑料等。外壳的材料：钢板、铝型材、玻璃钢或塑料等。制作方法平板型太阳能集热器的制造包括吸热板的制造、集热器外壳制造等组成。吸热板的制造：铝材料的采用 氩弧焊，钢材料的采用电气焊集热器外壳加工工序：剪板下料成品冲孔剪园折弯清洗喷涂工艺流程一、金属处理:高反射镜面铝材和吸热体上的所有金属基体都在镀膜前进行处理。例如，根据需要铝基体会经过电化学抛光、密封和阳极氧化处理。二、涂层（镀膜）:在这个过程中，多层金属和陶瓷材料在真空环境下沉积于金属板上。环保的PVD（物理气相沉积）技术运用了电子束气相沉积和溅射技术。三、保护涂层。产品在镀膜后增加了一层透明层，以保护产品不受雨水、盐和风沙的侵袭。四、分切和包装。众多配备分切设备的服务中心，可以严格根据客户要求定制吸热体。分切设备可加工15到1250毫米宽的板条。为了保护表面涂层，薄板材料之间垫有保护箔或者保护纸。主要设备序号序号名称名称用途用途规格参数规格参数1剪切机水箱、外壳、吸热板下料6mm 前板长l=2000mm2折弯机外壳边框、压条折弯折弯长2000mm3冲床外壳、水箱冲孔、切角30至50t4钻床集管钻孔，支架外壳水箱钻孔5电气焊吸热板、水箱、支架焊接包括气体放生装置6喷涂设备吸热板、外壳、支架喷涂手提喷枪7电钻、拉铆枪钻孔、拉铆钉手提式平板集热器制造设备自动焊接外壳制造质量检验质量检验的内容包括：材料检验，涂层检验，热性能检验，空晒和淋雨检验，强度和刚度检验，外观检验检验规则：1、要求板芯，边框、压条、底板、盖板、隔热材料、密封条等均经验证合格后，方可进行集热器组装。2、集热器、水箱、支架、等经验证合格后，方投入热水器组装。真空太阳能集热器 一、若干支全玻璃真空太阳能集热管一定规则排成阵列与联集管、尾架和反射器等组装成太阳能集热器；与循环管路、储水箱等组件组成分体式太阳能热水系统。二、分类 ：按排列方式分为，竖单排、横单排和横双排三类。 横单排方式：竖单排方式：真空太阳能集热器的结构1内玻璃管；2外玻璃管；3选择性吸收涂层；4真空夹层；5弹簧支架；6消气剂内玻璃管和外玻璃管之间抽成真空，太阳选择性吸收涂层沉积在内玻璃管的外表面，形成吸热体，开口端通过内玻璃管和外玻璃管熔封连接起来，内玻璃管的另一端为密闭半球形，带有吸气剂的弹簧卡子，将带有吸热体的内玻璃管园头端支撑在内玻璃管排气端内表面。制备原料一、玻璃管材料应采用硼硅玻璃3.3。 二、太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比O.86(AM1.5)。三、太阳选择性吸收涂层的半球发射比h0.080(80士5)。 四、吸气剂应符合GB/T9505蒸散型钡吸气剂的规定。 制作方法 割管也称炸管，就是将一定型号的内、外毛胚按规格切割成长短合适的直管，并且对切割后的管口部位进行燎口去锐边和退火。 封圆头就是将切割好的玻璃毛胚管的内、外管的一端用火焰加热的方法熔封，再放入半圆模具中定型的一种方法。 接排气尾嘴用于抽取内管和外管之间的气体而设置的排气通道。 清洗玻璃管，然后将其烘干，在进行镀膜。 下一步要进行点焊、装卡子，最后插管，再封口。 最终经检验后，装箱。工艺流程主要设备炸管机：现在的炸管机 大都使用燃气，所以又称燃气炸管机。有手动、半自动和全自动炸管机，每种炸管机均有燎口、退火功能。封圆头也分手工和机械两种，目前已有较先进的全自动圆头机进入市场。它使切割、封圆头及退火等功能集为一身，大大地提高了生产效益，是一种较好的集热管制造辅助设备。烘干机以电加热式为多，该设备可方便的设定温度和时间，效果也不错。直流磁控反应溅射镀膜机用于真空集热管生产中镀制渐变的精确化学配比的氮化铝膜，同样也能制备先进的干涉型氮化铝膜。真空管生产线真空管生产线管口连接机械管口连接机械真空集热管生产设备布局真空集热器生产过程真空集热器储热器生产聚光太阳能集热器 聚光太阳能集热器可以看成是由光源、聚光器和接收器组成的光学系统。光源是移动着的太阳，聚光器以反射或折射的方式把到达光孔上的太阳辐射集中到接收器的小面积上，接收器内的传热介质则把小面积上由太阳辐射转换成的热能带走。其类型很多，分类的方法也各有不同，例如，按聚光是否将太阳成像进行分类，可分为成像聚光集热器和非成像聚光集热器两大类；按聚光形式分类，可分为线聚焦集热器和点聚焦集热器两大类等等。一下将以（非）成像聚光太阳能集热器为主进行介绍。成像聚光太阳能集热器成像聚光太阳能集热器聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，成像聚光太阳能集热器通过聚光器将太阳辐射聚焦在接收器上形成焦点（或焦线），以获得高强度太阳能。聚光集热器是一套光学系统，聚光器一般由反射镜或透镜构成，主要有抛物面反射镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射镜三种。 聚光器接受太阳光的投影面称为光孔（或“开口”），聚光器把照射到光孔的辐射汇聚到接受器上，如果聚光器光孔面积为A1，接受器受聚光面积为A2，则有：C=A1/A2， C称为“聚光比”，是聚光集热器的聚光程度的特征参数。 抛物面聚光集热器抛物面聚光集热器由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，由抛物线向纵向延伸形成的面称为抛物柱面。在凹面覆上反光层就构成抛物面聚光器。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，见图1（a）。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，见图1（b）。菲涅耳透镜聚光集热器菲涅耳透镜聚光集热器普通凸透镜的原理大家都知道，如图3(a)所示，平行于透镜主光轴的平行光通过凸透镜后将会聚到焦点上。若需直径较大的透镜则会很厚，不但非常笨重还会使透光性下降。由于透镜的性能取决于其表面，在保证表面形状的条件下把透镜压扁，菲涅耳透镜把透镜分成许多圆环，每个圆环在保持对应半径处的镜面曲线下尽量薄一点，如图3(b)所示,这样的结构可制造直径大又轻的凸透镜。菲涅耳反射镜聚光集热器菲涅耳反射镜聚光集热器既然有菲涅耳透镜也就有菲涅耳反射镜，图5（a）显示了菲涅耳反射镜的原理，它把原来厚的抛物面分成小段放在一个平面上。图5（b）显示了用菲涅耳反射镜制作的菲涅耳反射镜聚光集热器，它是长条形结构，也称线性菲涅耳反射聚光器。非成像聚光太阳能集热器非成像聚光太阳能集热器聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，非成像聚光太阳能集热器顾名思义是聚光器的光线不是会聚到一点（或一线）上，而是会聚到一块接收器的面上，也可获得高强度太阳能。非成像聚光太阳能集热器形式较多，主要有球形面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、条形面聚光集热器、塔式集热器等。球形面聚光集热器与复合抛物面聚光集热器示意图球形面聚光集热器也称为SRTA集热器，反射镜是球面的，入射的平行光会聚在一个较小的区域，接收器是面状的，当光线略有倾斜时，反射高仍能会聚到接收器上，见图（a）。球形面聚光集热器的聚光比范围约50至150，最高聚热温度300度至500度。复合抛物面聚光集热器也称为CPC集热器，聚光器由两片抛物面组成，接收器也为面状，在两个抛物面中间，见图（b）。橙色光线是与中心轴线平行的入射光线，将全部会聚在接收器上，当入射光倾斜时，进入光孔的入射光仍能会聚到接收器上，图中绿色光线就是最大倾斜角度的入射光。一些内聚光真空集热管使用CPC集热 方式。复合抛物 面聚光集热器的 聚光比范围约3至 10，最高聚热温 度100度至150度。条形面聚光集热器与多平面聚光条形面聚光集热器与多平面聚光集热器集热器条形面聚光集热器也称为FMSC聚光集热器，聚光器由多条固定的平面反射镜组成，平面反射镜按一定的角度倾斜，使入射光会聚到接收器上，见图（a）。由于反射镜是平面镜不能会聚光，故接收器 是面状，当面较宽时 也允许入射光略有倾斜。条形面聚光集热器的聚光比范围约20至50，最高聚热温度250度至300度。多平面聚光集热器也称为塔式集热器，接收器安装在高塔顶部，在塔周围分布许多平面镜（定日镜），所有定日镜都把太阳光反射到塔顶的接收器上，以达到聚光目的，见图2（b）。制备原料聚光集热器包括集热管、聚光器、跟踪机构几个部分集热管必须满足以下五个条件：吸热面的宽度要大于光斑带的宽度, 以保证聚焦后的阳光不溢出吸收范围；具有良好的吸收太阳光性能在高温下；具有较低的辐射率；具有良好的导热性能具有良好的保温性能。聚光器由反射镜和支架两部分组成：反射镜由反射材料、基材和保护膜构成。支架是反射镜的承载机构, 在与反射镜接触的部分, 要尽量与抛物面反射镜相贴合, 防止反射镜变形和损坏。支架还要求具有良好的刚度、抗疲劳能力及耐候性等, 以达到长期运行的目的。跟踪机构：为使集热管、聚光器发挥最大作用, 聚光集热器应跟踪太阳。槽型抛物面反射镜根据其采光方式,分为东西向和南北向两种布置形式。聚光型太阳能集热器结构与材质聚光型太阳能集热器结构与材质聚光型太阳能集热器由聚光器、真空管、联箱等主要部件组成。聚光器的材质采用玻璃钢或不锈钢，使用寿命在15年以上；上覆目前国内最高质量反光材料，反光率在80%以上，使用寿命为10年左右，使用6-7年时，建议更换一次反光膜。每月进行一次擦拭维护。聚光器的倍数为4倍左右。聚光器型号区分，是根据建筑安装角度和当地纬度不同而有不同设计，有不同的型号。一是保证采光效果最佳，二是考虑防风等因素。每一单元聚光器配一根真空管。采光面积等于目前普遍适用的真空管集热器的3根真空管所占的面积。即，同样采光面积，普通真空管集热器是三根真空管密排，本集热器为一单元聚光器配一根真空管。聚光设备的设计在冬季采暖期有非常好的聚光作用，并且其他季节不聚光。例：槽式聚光集热器的设计例：槽式聚光集热器的设计光热转换元件是实现中高温热源的关键部件之一。本设计选定CPS真空金属直通管，能够满足如前所述对光热转换元件的要求。单管基本结构尺寸为：总长度2200mm、玻璃管外径100mm、金属管外径50mm、金属管有效轴向吸热长度为1800mm。聚光反射镜同样也是实现中高温热源的关键部件之一，本设计采用高性能透光材料，背面镀反射膜以及防护层并与工程塑料基板粘性连接，共同组成槽式聚光反射镜。基于上述要求，选取超薄PS板作为镀膜基板，PS板厚度为0.5mm，反射层为镀银层。图5为本实施例的实物图。聚光比设计槽式抛物面聚光集热器，在确定光热转换元件以及反射镜后，聚光比、抛物线焦距是两个重要的设计参数。根据几何光学原理，相关资料对上图所示聚光比描述为： C = 2Xn / d 。设计选取2Xn = 3800mm，即抛物槽的开口宽为3800mm； 同时选取f = 2000mm。选取CPS真空金属直通管的内管直径，d = 50mm。经计算，聚光比为：C = 24.2038。另外，根据边缘光原理，计算L = 2405mm。空气太阳能集热器 “空气太阳能集热器”是用空气作为传热介质的太阳能集热器，有时亦称“空气太阳能加热器”，其主要应用范围的太阳能干燥和太阳能采暖。空气太阳能集热器在太阳能集热器中占有重要的位置。优点：不存在冬季的结冰问题；微小的渗透不会严重影响空气集热器的工作和性能；空气集热器承受的压力很小，可以利用较薄的金属板制造；不必考虑材料的防腐问题；经过加热的空气可以直接用于干燥或者房屋取暖，不需要增加中间热交换器分类：非渗透性型空气集热器和渗透型空气集热器非渗透型空气集热器根据空气流动的情况，分为三种形式：（1）空气只在吸热板的正面流动（2）空气在吸热般的正、背两面流动（3）空气只在吸热板的背面流动渗透型空气集热器可分为金属丝网式、狭缝/多孔金属板式、重叠玻璃板式、碎玻璃多孔床式、蜂窝结构式。其中右图为蜂窝结构式。制备原料金属板，隔热材料，金属丝网，玻璃盖板，玻璃纤维等。对于不同的空气集热器，所用的原料也会有所不同，例如渗透型碎玻璃多孔床式，就需要黑玻璃和透明玻璃等材料。工艺流程空气集热器的设计步骤：（1）收集当地气象参数资料，包括太阳辐射量、日照时数、平均气温、平均风速和平均雨量等，这一点与其他所有太阳能利用装置的设计要求是一样的；（2）确定空气集热器所需的空气流量G、空气温度，从而计算出单位时间内所需要的加热量；（3）确定空气集热器矩形槽道的长度L；（4）计算空气集热器矩形槽道的宽度b和高度a；（5）根据传热计算，求出集热器的各个热性能参数；（6）根据阻力计算，由计算得到的压力差P，求出风机功率Wp；（7）进行空气集热器的结构总设计；（8）进行空气集热器的成本估算。制造设备由于空气集热器的样式不同，造成不同空气集热器制造的设备不同。对于板式空气集热器，需要的设备主要是剪切机，点焊机，喷涂机等空气集热器的应用1、物料干燥：由空气集热器与干燥室组合而成的集热器型太阳能干燥器，是各种太阳能干燥器中的一种。2、建筑物采暖：由空气太阳能采暖系统，是以空气作为集热器回路中循环的传热介质，以岩石堆积床作为蓄热介质，热空气经由管道输送到建筑物内进行供暖的系统。总结在实际生活中，我们周围经常应用着各式各样的集热器，比如家里使用的太阳能热水器，比如农田里使用的大棚等等。集热器的涂层对于集热器的效率有着很大影响，不同的集热器也有不同要求。目前使用最为广泛的任然是真空太阳能集热器 ，首先是其制造成本相对而言比较低，其次使用范围也较为广泛。总之，对于真空玻璃集热器我们需要熟练掌握，而对于聚光集热器、空气集热器等仍需深入研究，使其成本降低。