1   太阳能光热转换的原理和应用领域

太阳能光热转换的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能并运用其能量产生热水、蒸气加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置有平板型集热器、真空管集热器和聚光集热器3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,把太阳能光热应用分为低温应用(<80℃)、中温应用(80～250℃)和高温应用(>250℃)。目前低温应用主要有太阳能热水器,常见的家庭用太阳能热水器便是其例,太阳能热水器最常见的是真空管热水器和平板型集热器;高温应用主要有太阳能光热发电等,其实这是一种光-热-电的转换模式,在这里不予以讨论。中温应用主要有太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等。太阳能光热应用更为广阔的领域是工农业生产中的中温应用,见表1所示。

2   真空管集热器

目前家庭用太阳能热水器多采用直插式全玻璃真空集热管太阳能热水器,其结构外形图和工作运行示意图分别如图1和图2所示。

图1  直插式全玻璃真空集热管太阳能热水器的结构外形图

图2  直插式全玻璃真空集热管太阳能热水器的运行示意图

直插式全玻璃真空集热管太阳能热水器是利用真空集热管所具有的高吸收率和低发射率,将吸收的太阳辐射转换成热能,利用冷水比重大,热水比重小的特点,在真空管内形成冷水自上而下,热水自下而上的自然循环,使整个水的温度逐步升高,达到一定温度。

由于真空玻璃管是圆形的,具有对太阳光源自然跟踪的特点,再加上反光板的反射原理,使玻璃管四面受光面面俱到,集热效果时间更长、水温更高,即使高寒地区一年四季也可正常运行。
由于真空管集热器具有结构简单、性能优良、生产工艺先进可靠、特别适合于大批量规模化生产的特点,所以自问世以来,在短短的几年中就得到了长足地发展。但由于管内走水,在运行过程中若有一只破损,则整个系统就要停止工作;并且真空管的热容较大,太阳能先要把真空管内的水加热才能输出热水,而到了晚间,真空管内的热水不能被充分利用,造成了一定的热量损失。真空管集热器不能用于承压系统,一般只用于开放式的太阳能集中热水系统。不能用于阳台壁挂式产品。

3   平板型集热器

平板型太阳能集热器是太阳能集热器中的一种类型。它吸收太阳辐射能量并向工质传递热量。平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池水加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。用平板型太阳能集热器部件组成的热水器即平板太阳能热水器。平板型太阳能集热器主要由吸热板、壳体、透明盖板、保温材料等几部分组成，加上循环管道和保温水箱即可构成一个完整的太阳能循环热水系统。图3为平板型太阳能集热器的外形图。图4为平板型集热器结构示意图。

图3  平板型太阳能集热器的外形图

图4  平板型集热器结构示意图

(1)吸热板

吸热板是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件,其形状基本上是平板。在吸热板上,通常都布置有排管和集管。排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件;集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。吸热板的材料种类很多,有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。吸热板的主要结构形式有管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式等几种,如图5所示。为了使吸热板可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能,在吸热板上应覆盖有深色的涂层,即太阳能吸收涂层。

图5  吸热板的主要结构形式

吸热板的涂层材料对吸收太阳辐射能量起着非常重要的作用。因为太阳辐射的波长主要集中在0.3～2.5μm的范围内,而吸热板的热辐射则主要集中在2～20μm的波长范围内,要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力,又要减小热损失,降低吸热板的热辐射,就需要采用选择性涂料。选择性涂料是对太阳短波辐射具有较高吸收率,而对长波热辐射发射率却较低的一种涂料,目前国内外的生产厂大多采用磁控溅射的方法制作选择性涂层,其吸收率为0.93～0.95,发射率为0.12～0.04,大大提高了产品热性能。（御风）