1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、课题背景

在当前全球普遍的能源危机下，作为一种安全、清洁的可再生能源，近年来太阳能集热系统被广泛应用于各个工业领域，它的节能效果明显，同时还能彰显企业环保理念与节能意识，具有较高经济性。因此，开展这类研究具有重要意义及实用性。

二、太阳能集热技术研究进展

2.1 太阳能集热器现状

太阳能热利用的技术核心是太阳能集热技术。太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。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。把太阳能集中后将热能传递给传热工质再加以利用。

太阳能集热器可以根据其不同特征按照不同方式进行分类。

1）按集热器的传热工质类型分：

（1）液体集热器：用液体作为热工质的集热器；

（2）空气集热器：用空气作为传热工质的集热器。

2）按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：

（1）聚光型集热器：利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的集热器；

（2）非聚光型集热器：进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中到吸热体上的集热器。

3）按集热器是否跟踪太阳分为：

（1）跟踪集热器：以绕单轴或双轴旋转方式全天跟踪太阳视运动的集热器；

（2）非跟踪集热器：全天都不跟踪太阳视运动的集热器。

4）按集热器内是否有真空空间分为：

（1）平板型集热器：吸热体表面基本上为平板形状的非聚光型集热器；

（2）真空管集热器：采用透明玻璃管，并在管壁和吸热体之间有真空空间的集热器。

5）按集热器的工作温度范围分为：

（1）低温集热器：工作温度在100℃以下的集热器；

（2）中温集热器：工作温度在100~200℃的集热器；

（3）高温集热器：工作温度在200℃以上的集热器。

常见的太阳能集热器是平板型、真空管型和聚光型太阳能集热器。其中，平板型和真空管太阳能集热器应用比较广泛，技术成熟。

2.1.1 平板集热器

平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射。主要由四部分组成，吸热体、透明盖板、保温材料、外壳。图1是平板型太阳能集热器原理图。

图1 平板型太阳能集热器原理图

吸热体是集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的器件；透明盖板作用是减少集热板与环境之间的对流和辐射散热；保温材料能防止集热器向周围散热；外壳应具有一定的机械强度，良好的水密封性能和耐腐蚀性能。太阳能透过透明盖板照射到吸热体上，吸热体将其转换成热能并传递给传热工质，从而完成太阳能到热能的转换过程。

2.1.2 真空管集热器

真空管太阳能集热器中最常见的两种是热管式真空管太阳能集热器和全玻璃真空管太阳能集热器。全玻璃真空管太阳能集热器由多支真空太阳能集热管按照一定的规则排成阵列，并与联集管、尾架和反射器等一起组成。太阳透过玻璃外管照射在内管上，内管镀有选择性涂层，吸收太阳光转换成热能，传给内管的工质。集热性能优良，工作温度高，效率较高，广泛用于家庭热水采暖、空调和工业热利用中。但全玻璃管太阳能热水器存在炸管、结垢、不承压、不易建筑一体化等缺陷^[1]。作为我国自主研发的产品，近年来真空管型太阳能集热器的研究方向主要集中在提高集热器的效率和集热温度两方面。

真空管太阳能集热器的效率主要取决于选择性吸收涂层的吸收性能（与材料有关），改变其涂层材料就可改变集热温度，像不锈钢、Al、Ni 等这类材料适于制备中低温选择性吸收涂层，而Mo 和 W 类高熔点材料就比较适于高温涂层。

表1是两种集热器的性能的比较。

表1 平板型和真空管太阳能集热器性能比较

集热器类型	全年平均输出/(kWh#183;m-2)	承压性能	与建筑的结合性	安全系数	防结垢	热性能	抗冻性	成本	国内使用范围
平板型	485~541	好	适合与建筑相结合	强度高、耐用	不易结垢	低温(100℃以下)	不抗冻	相对较高	12%
真空管	466~561	不承压	相对较差	易破坏、易炸管	易结垢	中高温(100℃以上)	抗冻	相对较低	80%以上

2.1.3 集热器效率研究

就效率来讲，实验结果表明，在相同的进口流速下对于单个集热器，并联配置比串联性能更高，效率高出15%^[2]。平板式太阳能集热器要高于真空管式^[3]。集热器集热效率的影响因素较多，研究表明环境中的空气流量、辐射强度和环境温度等参数对集热器的热损失影响较大^[4]；也有研究得出太阳辐射强度、吸热板厚度、冷凝管长度对集热器的瞬时效率有一定影响^[5]；集热器中工质的选择对集热器集热效率也是一个重要的影响因素。

以目前技术而言，平板集热器和真空管集热器均可在全国范围内的各类工程中使用，但应综合考虑当地的太阳能资源条件、环境温度、水质条件、经济条件、维护管理、使用寿命、建筑一体化的要求等多方面因素。经过30多年不断努力，我国太阳能集热器技术及市场保有量均居世界前列。

2.2 太阳能集热系统

太阳能集热系统是由集热器、膨胀阀、热交换器、水箱、循环泵、管路配件等有机组合而成的集热供水系统。集热器作为核心部件，其性能优劣直接影响太阳能集热系统的性能。

太阳能集热系统的选型主要考虑以下因素：

1）太阳能集热器类型。

2）系统运行方式：自然循环或强制循环，闭式系统或开式系统。

3）换热方式：直接系统或间接系统。

4）备份热源：电加热器、燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、热泵等。

5）管材和水箱材质。

太阳能集热系统设计需要根据建筑特点、用水需要和系统投资预算确定太阳能系统类型、规模，并合理配置选择储水箱等系统附件，保证系统运行可靠。图2为强制循环集热系统结构简图。

图2 强制循环集热系统结构简图

而太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。

三、太阳能集热技术应用研究

人们物质生活水平提高，能源需求增大，工业上每年要消耗大量燃煤来生产热水和蒸汽，对环境影响极大。我国是太阳能资源极为丰富的国家，全国半数以上地区辐射总量在502kJ/m²以上。太阳能集热技术主要应用领域为供应热水、热力发电、驱动动力装置、驱动制冷循环、海水淡化、采暖和强化通风等。

对于生活上的太阳能集热技术主要表现在建筑一体化上，有太阳能采暖、太阳能空

调、太阳能热水工程等方面^[6-7]。民用住宅建筑太阳能热水系统包括三种形式，即分散供热水系统、集中一分散供热水系统和集中供热水系统^[8]。而寒冷地区的太阳能采暖比较普遍，试验结果表明，太阳能集热器对日光温室冬季生产供热虽然不能完全代替燃煤锅炉来供热，但是太阳能集热器却可以减少部分煤炭的使用量，起到保护环境、减少生产成本、节约能源的作用^[9]。

工业上的应用是这篇文章主要研究分析方向。在此通过不同的集热技术：低温太阳能集热技术和中高温太阳能集热技术，来对其进行工业应用研究分析。

3.1 低温太阳能集热技术工业应用

低温集热技术其实已经发展的非常全面了，通过低温太阳能集热器对水（传热工质）进行加热，热水可以利用到诸多工业领域。尹华^[10]等对太阳能集热系统在印染行业的效益进行了计算，得出通过生产一定温度的热水可以节约大量蒸汽和成本，并大量减少温室气体等影响环境的物质排出。刘明静^[11-12]等沼气工程中太阳能集热系统进行了研究系统提供的热水为沼气工程增温，相比燃煤及沼气锅炉有极为明显的成本优势，在夏季更为有效地提高温度，保证产气率，这是燃煤及燃气锅炉所不能实现的，整个系统环保无污染，符合新能源发展思路理念。罗峰^[13]等分析了太阳能集热系统在工业用水加热的应用，也是得出能节约成本，且为绿色环保型应用，效果良好。国外也有类似分析研究，Matteo Dongellini^[14]等对其国家的太阳能生产热水作了动态仿真。

太阳能空气集热器还能在干燥领域得到应用，李洪勇^[15#8212;17]等研究了各种类型干燥系统的性能，并有其中的案例计算分析，结果可知，太阳能干燥能节约大量煤炭及能量，且实际应用中易实施，故是一种节能环保的又比较经济的应用方式。陈思^[18]等也研究了平板式太阳能空气集热器，并进行软件数据模拟，其所得结果与测得的数据基本吻合，进一步证实其可行性。

矿产工业领域也有诸多应用，有研究显示新型太阳能集热器、热泵与储热技术联合供热系统可实现全天候连续、稳定供热，其太阳能利用率达到64%，整套系统流程简单可靠，且稳定性又高，能达到良好的节能减排效果^[19]。

3.2 中高温太阳能集热技术应用

有些工业领域需要得到更高温度，而低温集热器达不到，故此类应用一般使用中高温集热器。中温太阳能集热技术可以将集热度稳定提升至150℃左右，使其广泛应用于食品加工、塑料加工、玻璃加工、合成橡胶、纺织业、印染工艺等多个温度需求在80～150 ℃之间的工业生产过程或流程中^[20]。而高温太阳能集热技术可达到更高温度加以利用。表2为中高温蒸汽可应用领域。

表2 中高温蒸汽可应用的领域

廖伟初^[21]等对集热器产生蒸汽作了分析，给出了各种集热系统或结构的优点及不足。而产生的蒸汽可通过多种方式应用到各个领域。其一是热力发电（高温集热器），温度范围在300 ～ 400 ℃太阳能蒸汽系统主要用于热力发电。蒸汽是生产电力流程中不可或缺的一部分，许多人对集热器产生的蒸汽与多种发电系统进行联合，得出了许多重

要成果。蔡翔^[22]就对太阳能集热系统与燃气蒸汽联合循环发电系统作了一定分析（如图3），可知其有效地缓解了经济发展与电力供应、经济发展与环境保护之间的矛盾，为社会提供能源动力。杨勇平^[23]等则研究了光煤互补示范电站槽式太阳能集热系统性能，给出了一些专业应用的数据分析。近十多年出现的太阳能热力发电厂，其中最具有代表性的有：美国加洲的 SEGS (Solar Electric Generating System) 太阳能热电站和欧洲的DISS (Direct Solar Steam) 工程。且 DISS 项目在实际条件下运行了3700小时并能产生10#215;10⁶Pa、400℃的高温蒸汽，有力地证实了太阳能热力发电的可行性。

图3 太阳能集热器与高温空气源热泵联合供热系统

朱克庆^[24]等对蒸汽在食品工业上作了许多研究，利用槽式抛物面聚光集热器具有的高吸收率和低发射率，使其内的循环介质可被加热到200℃以上，可实现持续的蒸汽供应，能应用到食品的烘焙、蒸发、压缩、真空冷冻等诸多加工中。图4为其中一种主食生产集热系统运行示意图。

还可以把中温集热器应用到海水淡化中，集热温度非常适合，整个系统中集热器可提供足够热量来建立闪蒸室对海水进行闪蒸^[25]。虽然太阳能海水淡化技术还在初级阶段，但其前景不可限量，且能对生态环境有益。

目前还有研究关于太阳能集热在道路与桥面等基础设施上应用^[26-27],其集热能力足够，且夏天能降低路面温度，储存热量可进行利用，但技术上不一定能满足，经济性也是部分需要解决的问题。

其实有些工业园已经把太阳能集热技术综合利用^[28]，可对厂房供热，办公室提供空调，员工宿舍提供热水，充分利用了太阳能，既经济又节能。

各种太阳能集热技术的应用在一定程度上也推动的工业的发展，虽说目前太阳能不能完全替代化石能源，但随着太阳能集热技术的成熟，其所占比例也越来越大。上述所说的一些具体应用也只不过是冰山一角，未来也会有更多更高端的太阳能集热应用发展出来。

图4 主食工程生产集热系统运行示意图

四、总结

能源作为人类赖以生存的基础，工业上的需求绝大部分来源于化石能源，但其必然对生态系统产生各种影响，主要表现在温室效应、酸雨、破坏臭氧层、热污染、放射性污染等^[30]。作为一种可再生能源，太阳能的广泛应用将逐步缓减这些影响。在工业领域，太阳能集热技术一直处于高速发展阶段，应用也越来越广泛，得益于其较高的经济效益，对环境无影响，且能源产量大，取之不尽等众多优点。未来的太阳能集热技术会发展得更好，应用更广泛，环境也会越来越好。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、课题内容

首先研究太阳能集热技术在工业领域的应用并进行分析，了解其在工业领域应用的优越性。

选择一种结构的太阳能热水系统作为算例进行设计，一方面论证其用于工业领域的可行性，另一方面为工程应用提供参考依据。