试析平板太阳能集热器在太阳能热水系统中的应用

许书斌贾红军

摘要：太阳能集热器的效率受多种因素的影响，之前主要集中在改变集热器倾角、选择优质吸收涂层、高透过率材料或者去掉集热器表面积尘等方面来提高集热器的效率。相对其他方法平板太阳能集热器在太阳能热水系统中的应用而言，其相对简单易于实现，并且经济环保，同时对于太阳能建筑一体化的发展将起到巨大的推动作用。本文首先叙述了平板太阳能集热器的技术性能和优势，介绍了平板太阳能集热器在太阳能热水系统中的几类应用模式，探讨了平板太阳能集热器的发展方向。

关键词：集热器；太阳能热水系统；平板太阳能集热器

引言

太阳能的热利用就是将太阳能的辐射能转换为热能，而实现这种转换的器件就是太阳能集热器。太阳能集热器是太阳能热利用中最成熟的技术，它具有结构简单、便于维护和节能环保等优点。现在，最常用的太阳能集热器主要包括真空管太阳能集热器和平板太阳能集热器两种。真空管太阳能集热器在国内占市场份额可达到90%，它具有耐高温和可全年运行等优点，同时也存在不承压、炸管和结垢等缺点。平板集热器虽然具有热损失大、保温性能差、集热性能差、成本偏高以及制造工艺相对复杂等缺点外，具有接口简单、承压性好、耐冻性好、日平均效率高和易于建筑相结合等优点。

1.平板太阳能集热器的构造及性能

1.1平板太阳能集热器的构造

平板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。当平板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。

1.2平板式集热器太阳能系统性能特点及应用

平板太阳集热器和其他太阳集热器相比具有几大特点：(1)平板集热器最适合用于承压系统；(2)最适合于双循环的太阳能热水器；(3)最有利于实现太阳能热水器与建筑结合；(4)系统寿命长，维护费用低；(5)大多数情况下可以提供更多的生活热水；(6)平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因此，在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。

根据市场的需求，研究人员开发了全天候平板过冬太阳能热水系统，此系统全自动运行，可显示并控制水温、水位；并可对辅助加热、二次循环及恒温供水等多项功能进行控制；且完全能够实现全年使用、全天候供应热水的功能，既能最大程度的满足用户提出的使用要求，而且可为用户节省大量投资，从而使用户得到最佳的经济性价比。平板太阳能集热器的单位采光面积是其他太阳能集热器无法比拟的，所以在单位采光面积上的得热量高于其他产品，它始终以稳定的质量、最好的性价比得到人们的青睐。

2.平板太阳热水器的技术优势

2.1最适合于承压的太阳热水器

从太阳热水器使用的舒适性、安全性、易操作性等因素考虑，发达国家的太阳热水器普遍采用承压的储水箱，并利用顶水法获取热水。平板太阳能集热器的吸热板是由金属材料制成的，集热器与贮水箱的连接采用金属零件，这样集热器和连接件都可以承受自来水或循环泵的压力，因此最适用于承压的太阳热水器。

2.2最适用于双循环的太阳热水器

从太阳热水器提供热水的水质、防水垢、防冻结等因素考虑，发达国家的太阳热水器普遍采用双循环系统，就是将集热器回路与生活热水回路分开。同样在希腊、韩国、以色列等这些国家，几乎所有的太阳热水器都是采用双循环系统的。平板太阳集热器的吸热板由清晰的流体通道，传热工质可以在集热器与贮水箱内的换热器之间顺利地流动，这样就可以通过换热器去加热贮水箱内的水，因此最适用于双循环的太阳热水器。

2.3最有利于实现太阳热水器与建筑相结合

实现太阳热水器与建筑相结合，是太阳热水器产业发展的必然趋势，也是太阳热水器技术发展的主要方向。近几年，随着各地相关政策的出台，太阳能热水系统早已作为建筑的配套设备，由建筑设计部门统一设计、统一施工。以平板太阳能集热器为核心的太阳能热水系统，无论从整体外型、结构强度、产品性能，还是从安装调试、维护保养、运行寿命等各个角度考虑，都最适合实现太阳能与建筑相结合，因而也是最受建筑设计师和房地产商欢迎的太阳热水器产品。

2.4可以提供更多的生活用水

理论分析和实验结果都已经表明：在我国绝大部分地区的春、夏、秋三季，平板型热水器可以比真空管热水器提供更多的生活热水。即使在我国相当一部分地区的冬季，平板集热器仍可以比真空管集热器的日有用的热量高。究其原因主要有两个：第一，在相同的集热器面积情况下，平板型集热器的吸热体面积要比真空管集热器的吸热体面积大(平板型集热器每平米采光面积为0.92平米，真空管集热器每平米的采光面积仅为0.55平米)，而对于安装在民用建筑上的太阳能热水系统，集热器总面积决定了集热器在建筑围护结构中占据的实际空间大小，因而是建筑师们最的参数；第二，在太阳热水器的运行温度内，平板型集热器的瞬时效率可以比真空管集热器高，因为平板型集热器效率曲线的截距高、斜率大，真空管集热器效率曲线的截距低、斜率小。这样两条斜率曲线必有一个交点，而在生活热水温度条件下，集热器往往是在这个交点的左边区域内运行，此时平板型集热器的效率高于真空管集热器的效率。正因为这些原因，国外90％以上的太阳能热水系统都采用平板太阳能集热器，即使在冬季十分寒冷的丹麦、瑞典等北欧国家也不例外。

2.5使用寿命长

由于平板型集热器由金属组成，采用铜管连接，因此系统可靠性较强，维护较少(几乎没有)，寿命长。

3.平板太阳能集热器在太阳能热水系统中的应用

3.1平板式阳台壁挂太阳能热水系统

自然循环，闭式，双回路系统，独特立式双腔夹层内胆，内置膨胀空间，结构简单，性能稳定，满足了高层建筑配套使用太阳能热水器的需求。

3.2分体承压式太阳能热水系统

依据集热器的实测性能，设计与之相匹配的承压水箱，并通过实验对比，确定水箱容水量、介质容量、膨胀罐的配比，组成一套稳定、安全、高效的承压式热水系统，适用于别墅、联排别墅及中小型的热水中心，提升太阳能热水器的产品档次。

3.3一体式平板太阳能热水系统

研究开发新型独特卧式夹层结构水箱，增加内置膨胀空间，二次循环换热，增加有效换热面积，提高换热效率，将作为现有产品的良好替代品。

3.4平板式大面积热水系统

实现组装简单，模块化安装，自动化使用，达到全年安全稳定供应热水的功能。

4.平板太阳能集热器的发展方向

研究开发适用于平板太阳能集热器的高效、耐候性选择性涂层，涂层应具有高吸收率、低红外发射率、优异耐候性能和适宜的加工成本。广泛采用低铁超白高透过率盖板玻璃，同时提高集热器部件质量，优化结构设计，确保集热器可以经受防冰雹、淋雨、空晒、耐压、热冲击等性能试验。重视集热器的优化设计，改善制造工艺，保证结构的严密性，减小集热器的散热损失，同时改进流道结构，提高平板太阳能集热器的循环换热效率。

5.结语

平板集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，最有利于实现太阳能系统与建筑相结合，广泛应用于太阳能与建筑一体化中，这将会成为未来太阳能热利用主要发展方向。

参考文献

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