(2)透明盖板

透明盖板是平板型集热器中覆盖吸热板并由透明(或半透明)材料组成的板状部件。它的功能主要有三个:一是透过太阳辐射,使其投射在吸热板上;二是保护吸热板,使其不受灰尘及雨雪的侵蚀;三是形成温室效应,阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。

目前国内外使用的透明盖板多为平板玻璃。平板玻璃的透光率高、导热系数小、耐热性能好等特点,满足了太阳能集热器透明盖板的要求。平板玻璃的厚度为3～5mm。若要求透明盖板抗击打,可采用超白低铁钢化玻璃或超白低铁布纹钢化玻璃,其厚度为3.2mm和4.0mm两种。

透明盖板的层数取决于太阳能集热器的工作温度及使用地区的气候条件,一般为1～2层,很少采用3层或3层以上,绝大多数情况下,都采用单层透明盖板。透明盖板与吸热板之间的距离应大于20mm。

(3)隔热层

隔热层是集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。用于隔热层的材料有:岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用较多的是玻璃棉。玻璃棉是一种无机质纤维,具有成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、吸音性能好、耐腐饰、化学性能稳定。

隔热层的厚度应遵循以下原则:材料的导热系数越大集热器的工作温度越高、使用地区的气温越低则隔热层的厚度就要求越大。一般来说,底部和侧面隔热层的厚度选用30～50mm。

(4)外壳

外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。根据外壳的功能,外壳应具有一定的强度和刚度、较好的密封性和耐腐蚀性、有美观的外形。用于外壳的材料有铝合金、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。目前平板集热器外壳(边框)应用最多的材料是铝合金和碳钢板一次模压成型。

平板型太阳能集热器多用于南方住宅的热水器系统中,图6为平板型太阳能集热器挂在阳台上的家用循环热水系统的运行示意图。

图6  平板型太阳能集热器挂在阳台上的家用循环热水系统的运行示意图

4   聚光集热器-太阳能工业蒸汽系统

前面讨论的真空管集热器和平板型集热器所提供的热水在100℃以下,从表1可以看出,在工业应用中多需要100℃以上的蒸汽或空气,显然真空管集热器和平板型集热器是满足不了这个要求的。此时,需要太阳能聚光集热器。

聚光集热器利用聚焦原理,即利用光线的反射和折射原理,采用反射器或折射器使阳光改变方向,把太阳光聚焦集中照射在吸热体较小的面积上,增大单位面积的辐射强度,从而使集热器获得更高的温度。聚光集热器主要由聚光器、接收器和跟踪系统三大部分组成。图7给出了聚光集热系统的照片,照片中的聚光器为槽式聚光器,也可以采用其他形式的聚光器,如线性菲涅尔反射聚光器。由聚光集热器和锅炉构成的太阳能工业蒸汽系统如图8所示。图中的热力补充设备为一锅炉,经聚光器加热的导热油介质加热锅炉里的水产生高温蒸汽供工业生产使用,高温导热油也可以直接用于某些工业领域。储能器将富裕的热能储存起来,在夜晚或阴天无阳光时,释放热量维持系统正常运行。

图7  聚光集热系统的照片

图8  由聚光集热器和锅炉构成的太阳能工业蒸汽系统

5   太阳能光热转换技术的现状和前景

(1)我国有丰富的太阳能资源

我国有丰富的太阳能资源,为太阳能转换技术的应用提供了优越的条件。图9给出了我国的太阳辐射的分布图。从图中可以看出,除了我国西南地区太阳能资源比较贫乏以外,绝大部分领土都可得到较强的太阳辐射,特别是在西北、新疆和西藏等地太阳能资源非常丰富,在东南沿海和东北等工业基础比较雄厚的地区也处于可利用区,这为我国太阳能转换技术的研发提供了技术基础。

图9  我国的太阳辐射的分布图

(2)太阳能光热转换技术及其利用的现状

美国是最早把太阳能中温系统用在工业加工的国家,20世纪80年代就在加里福尼亚洲的帕萨尤纳,建造了一座600m2的太阳能中温装置,产生170℃的蒸汽供洗衣房用热,可以满足洗衣房蒸汽需要量的75%。此后,美国、加拿大、澳大利亚、日本等国家将太阳能中温系统用于纺织、建筑、食品加工、融化沥青、木材烘干等工业领域。

我国在20世纪90年代真空管热水器风靡一时,目前在节能楼宇建设中普遍要求安装太阳能热水器。近年来,我国已成为太阳能热水器应用的绝对大国,太阳能热水器与燃气热水器、电热水器已经并列成为三大热水器产品。特别是在太阳能中温系统的应用方面,我国已经跨入世界先进行列。我国具有自主知识产权的太阳能工业蒸汽系统,2011年5月在山东德州中国太阳谷试机成功,该系统是采用线性菲涅尔反射聚光集热技术,利用太阳能产生高温高压蒸汽,可提供100—250℃的工业用热,为烟草业、食品加工业、造纸业、纺织业、化工业、木材加工业、塑料业、医药业等工业领域提供所需的热能,替代燃煤、燃油、燃气锅炉,实现工业节能。北京天瑞星光热技术有限公司从2000年开始利用航天已有技术和自身研发能力,潜心投入中高温太阳能集热管的研制开发。经10多年来持续的技术积累和科技创新,已研发成功拥有自主知识产权、具备优良的光热转换性能的太阳能中高温真空集热管。该产品具有高可靠性的真空保持品质,可广泛应用于太阳能热发电、太阳能工业蒸汽锅炉及其它太阳能光热工程。公司已经于2011年建成年产25000只中高温集热管的首条生产线。近日,“天瑞星小型槽式太阳能中温系统替代传统工业蒸汽锅炉应用”项目通过了北京市发改委、科委、经济信息化委、财政局和中关村管委会组织的联合评审,被认定为“2012年度中关村首台(套)重大技术装备试验、示范项目”。评定结果表明,槽式太阳能中温工业锅炉应用开始受到了国家的重视和支持。

(3)太阳能光热转换技术的发展前景

据了解,目前在低温阶段,全国太阳能热利用年推广4000万平方米的热水器,年可节煤800万吨,减排二氧化碳1800万吨。而太阳能中温在工业领域的应用,效益更为重大。我国工业耗能当中热能大约占53%,虽然不同工业部门,其热能需求不同,但温度一般不超过250℃。仅烟草业、食品加工业、造纸业、纺织业、化工业、木材加工业、塑料业、医药业8个行业热能消耗若10%由太阳能提供,年节能量可达2663万吨标准煤,减排二氧化碳8682万吨,年产值至少可达1000亿元以上。对推动工业节能降耗、确保完成“十二五”万元工业增加值降低18%的目标具有重要意义。太阳能光热转换带动一个新兴产业,在国家政策的支持下必将飞速发展。

6   结束语

太阳能利用成功的关键在于太阳能转换技术,光热转换是通过太阳能集热器把吸收的太阳辐射能直接转换为热能,用于生活和工业领域。太阳能是清洁的可再生能源,在石化能源日趋枯竭和对环境造成严重污染的今天,太阳能的利用尤其显得重要。我国在太阳能低中温利用方面已步入世界前列,太阳能转换技术的完善和发展,必将造福于全社会。

作者简介

曲学基(1940-),男,中国空间技术研究院高级工程师,本刊编委。（御风）