摘 要

在推进低碳经济的绿色社会中，太阳能的利用越发引起人们的关注，随着太阳能技术的高速发展，太阳能技术的开发越来越偏向于开发太阳能在工业生产中的热利用。通过太阳能的预加热为锅炉供水，达到辅助热源的作用，充分利用太阳能转换为热能。在我国的中低温太阳能领域，太阳能的应用依旧仅限于少数的工厂，因为太阳能受天气与地理环境影响较大，不容易大范围推广，条件不适的情况下仅能提供有限的能量。

本文主要讲述了太阳能工业热力系统的构建，以及真空集热管增透技术的应用和能量传输模块的布置。通过合理有效的热力系统构建以及改良的真空集热管技术增加太阳能转换为热能的瞬时效率，再通过能量传输模块的设计，对传输管路进行改善，达到将热能充分送入锅炉的目的来提高太阳能的利用率。

太阳能的核心部件就是真空集热管，对真空集热管外管涂层采用的增透技术能够使太阳光透过外玻璃管的透过率增加，提高集热管的热效率。太阳能装置的阵列设计可以使太阳能模块充分利用采光环境，增加有效采光面积。而能量传输模块的设计通过对管路的改良设计，通过减少管路总长等设计可以减少热水在传输过程中的热损失，提升太阳能应用的总效率。

关键词：中低温太阳能工业利用；太阳能工业热力系统；真空集热管；能量传输模块设计

Abstract

The use of solar energy get more attention by people while the society is developing the low-carbon economy.More solar technology is focused on the industrial utilization of medium and low temperature solar energy as the solar energy technology is expanding so fast.By preheating the cold water，the solar energy system can provide warm water for the boiler which can be the auxiliary heat source that transform the solar energy to heat energy.In our country，the application of solar energy only present in a few factories in the medium and low temperature solar energy field.Beacause the solar energy is affected a lot by the weather and geographical environment,we can not promote it on a much larger scale.It can only provide limited energy when the condition is not good.

This article will discuss how to structure the Solar energy industrial thermal system,the application of the antireflection technology for vacuum collector tube and the design of the energy transmission module.Reasonable and effective design and improvement of the technology can increase the thermal efficiency.Through the design of the energy transmission module,we can transfer the heat energy efficiently to the boiler to improve the utilization ratio of solar energy.

The core of the solar energy system is the vacuum collector tube.The antireflection technology for vacuum collector tube can improve the transmissivity of outer glass tube and the thermal efficiency of the vacuum collector tube.The array design of the solar energy device can improve the area of absorbing light.The design of energy transmission module can reduce heat loss in the piping by designing the length of the pipe.

Key words:heat utilization of medium and low temperature solar industry;solar energy industrial thermal system;acuum collector tube;Design of energy transmission module

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2太阳能资源 1

1.3太阳能真空集热管 1

1.4太阳能能量传输模块 2

1.4.1集热器阵列排布 2

1.4.2太阳能能量传输模块 2

1.5研究现状 3

1.6本文设计研究的主要目的 3

第二章 太阳能工业热力系统 4

2.1太阳能工业热力系统运行原理 4

2.2太阳能工业热力系统设计规模以及技术要求 5

2.3太阳能工业热力系统简图 5

2.4太阳能工业热力系统应用前景 6

第三章 太阳能真空集热管设计 8

3.1太阳能真空集热管基本原理及结构 8

3.2太阳能真空集热管设计 9

3.2.1真空管标记命名 9

3.2.2真空管设计 9

3.2.3罩玻璃膜增透技术 11

3.3太阳能真空集热管热效率计算 12

第四章 太阳能集热阵列优化及能量传输模块设计 14

4.1太阳能集热阵列优化 14

4.2能量传输模块设计 14

4.3太阳能系统效益分析 15

第五章 结论与展望 17

5.1结论 17

5.2展望 17

致谢 19

参考文献 20

1. 绪论

1.1研究背景

在极力推动发展绿色能源的环保社会中，太阳能作为一种完全清洁的能源受到了广泛的重视，与煤炭石油等能源不同，太阳能的能量来自于太阳，能源的源头对人类来说是无尽的，但是如何通过科学技术改良太阳能技术是太阳能技术发展的最重要的地方。在未来的几十年中，随着材料科学技术的进步与太阳能集热技术的发展，太阳能科技会取得更加长远发展^[1]。

太阳能的利用分为三类，低温、中温与高温，主要依据使用的温度来进行分类，低温太阳能使用范围为40到80摄氏度，中温为80到250摄氏度，高温为250摄氏度以上的应用。太阳能的主要利用方式为产热与发电，日常使用的太阳能大多数为低温太阳能，仅供日常生活热水的使用。工业生产的能耗主要集中在热能耗上，其消耗的能源占全国60%以上，在工业生产中推广中低温太阳能的使用可以大大降低其他石油能源的消耗。工业产热主要应用于漂洗、染色与食品加工行业等，通过中低温太阳能预先为锅炉提供热水的方法，再借助锅炉加热，能够有效减少锅炉煤炭的使用，节省能源的情况下为工厂带来收益。

中低温太阳能工业热力系统的推广符合当前绿色发展的要求，同时太阳能热力系统完全无污染，是完全的绿色资源，设备简单，安装维护工艺不复杂。通过合理的设计集热阵列排布与能量传输模块，大幅度提高太阳能的利用效率是本文的主要目的。

1.2太阳能资源

所谓太阳能资源，其实就是由太阳发出的辐射，其中能被人类利用的部分，称之为太阳能资源。太阳能的表示方式为其辐射强度，单位为W/m^2。太阳能本质上是辐射能，是由太阳表面不停产生的核裂变发射出的辐射传播到地球的能量^[2]。根据辐射方向不同，大致分为直射辐射、散射辐射和总辐射。由于太阳能为辐射能与光能组成，这两种能量转换为热能的效率较高。

太阳能资源的优点十分明显，来源广泛，清洁无污染，适用性高，设备较为简单，但太阳能资源的缺点也是显而易见的，能量密度相对较低，受天气限制较大，需求较高时设备占地面积较大。

1.3太阳能真空集热管

全玻璃太阳能真空集热管将太阳能转换为冷水的热能的基本原理为：太阳光照射在集热管上时，透过涂有增透涂层的外管，照射到涂有选择性吸收涂层的内管上，加热内管的同时，内管与管内的冷水发生热交换，将冷水加热，冷水在循环泵的作用下被泵至储热水箱待用。

太阳能设备的核心部件就是真空集热管，本文讨论与设计的主要为中低温太阳能真空集热管。中低温太阳能真空集热管由外玻璃管、内玻璃管、增透涂层与连接件构成。外玻璃管与内玻璃管之间抽真空，真空度要求与生产厂家与需求有关，内管与外管之间会放置吸气剂，用于吸收真空夹层中的空气与残余气体，更重要的作用为通关观察吸气剂蒸散膜的颜色判断真空管的真空是否失效。

集热管由于长期接受太阳光，绝大多数时间暴露于室外环境，外玻璃管即是最外层的保护层。外玻璃管应满足最基本的室外条件，耐得住风沙雨水的侵蚀，耐得住昼夜温差的变化，线膨胀率低。故外玻璃管的材质一般选用高硼硅玻璃，其透光率为89%，强度硬度较高，热稳定性好，一般太阳能真空集热管的玻璃材质都选用此种玻璃。

外玻璃管生产时会在外层制备一层增透膜层，用于增加太阳光的透过率。增透涂层的成分与玻璃管的透光度影响着真空管的吸热性能，通过改良增透涂层的生产工艺，可以有效提高透光率增加集热管的传热效率。

1.4太阳能能量传输模块

1.4.1集热器阵列排布

集热器需要能够充分接收到太阳光才能更有效的将太阳能转换为其他能源，集热装置的阵列排布将会是集热效率的重大影响因素之一。通过对当地的纬度、日均日照强度等数据的调查，合理设计集热平板的倾斜角与装置之间的前后左右间距，达到充分利用太阳能的目的。

阵列排布主要是为了降低集热板之间的遮挡程度，同时提高太阳能的利用率，同时充分利用场地面积，节约土地面积使用。阵列排布的优良程度决定了提供的热量的上限，合理的阵列排布需要根据工程的占地面积、当地的纬度和集热阵列的长宽比来进行合理设计与计算。

1.4.2太阳能能量传输模块

如何将集热器收集到的热能充分的传输至锅炉中是太阳能利用中的一个很重要的问题，其中涉及到管路的设计、管材的选用、保温层材料的选用。

通过对集热阵列进行区域划分，将不同区域的热传导介质传输过程进行优化，减少在管路中的热量损失。由于设计中集热阵列规模可能较大，需要合理选择循环泵的扬程，要满足使热传导介质能充分循环的目的。

1.5研究现状

我国是现今世界上首屈一指的太阳能大国，在国家政策与补助的推动下，太阳能技术的发展与普及得到了长足的进步。作为非常具有发展前景的新能源行业，国家给予了大力支持，无论是从政策还是经费上都为太阳能技术的发展提供了相当程度的帮助。但是我国太阳能的热利用绝大多数仅仅为生活热水的应用，太阳能技术的工业热利用鲜有所闻，除了部分印染厂与食品厂使用了较大规模的太阳能工业热力系统，其余的应用少见报道。在中国，工业耗能占总社会的70%，在工业系统中推广太阳能热力系统的应用前景开阔。太阳能技术的研究与推广有助于贯彻落实绿色生产的理念，如今太阳能技术已经有较为成熟的体系，发展空间依旧存在，但是由于太阳能本身的特性，在实际应用中，大多数只能作为辅助能源使用，但仍旧不失为一种非常优秀的绿色能源。

1.6本文设计研究的主要目的

本文主要通过设计合理的太阳能工业热力系统，合理化布置太阳能传输阵列以及管路系统的合理分配，结合双效真空技术以及罩玻璃管增透涂层工艺，达到将太阳能充分传输至锅炉的目的。其中，高效的中低温太阳能真空集热管的改良与设计和管路系统与阵列布置的设计是本文的主要内容，通过合理设计，提高太阳能的热效率。同时选择合理的罩玻璃膜的制备工艺，进一步提高外玻璃管的透光率，增加太阳光的吸收率。

1. 太阳能工业热力系统

2.1太阳能工业热力系统运行原理

太阳能工业热力系统的应用，其实就是使用大面积的太阳能集热器，通过管路与传热介质，将太阳能转化为传热介质的热能，为生产设备提供所需温度的热水的大规模太阳能热水系统。其核心部件为太阳能真空集热管。

太阳能真空集热管集热管是由外玻璃管、涂有吸收涂层的内玻璃管与相应的连接件组成的集热装置^[3]。如图2.1所示。

1、内管，2、太阳选择性吸收涂层，3、真空夹层，4、外管，5、支撑件，6、吸气剂，7、吸气膜

1. 外玻璃管：使用高硼硅玻璃制成的玻璃管，主要起保护与透光的作用，要求线性膨胀系数较小。
2. 内玻璃管：材质与外管一致，但在内管外侧涂有对太阳光具有选择性吸收的涂层，增加太阳能的吸收效率。
3. 真空层：内管与外管的夹层，满足国标需求的真空度，提高集热管的保温效果。
4. 支撑件：内外管头部的金属片，防止内外管接触，避免两管碰撞破裂。
5. 吸气剂：使用蒸散工艺，用于吸收真空层中的多余空气，防止真空度降低达不到技术要求。
6. 吸气膜：吸气膜是位于真空管外管头部内侧，使用高频电加热蒸散吸气剂沉淀下来的银白色膜，与吸气剂一样同样具有吸气的作用，吸气膜在真空层的真空度改变时会发生颜色的改变，通过吸气膜颜色的变化可以判断真空层的真空度的变化，当吸气膜由银白色完全变为乳白色时，代表真空失效，需要更换真空管。

2.2太阳能工业热力系统设计规模以及技术要求

民用太阳能热力系统规模较小，利用太阳能效率不高，太阳能工业热力系统采光面积大，热利用功率高，大面积的集热设备可以为工厂锅炉提供预热70摄氏度的热水，大幅度降低锅炉所用标准煤，通常集热面积大于2000平方米^[4]。

实例运用1：安装太阳能工业热力系统，集热面积为5870m2。利用中温真空管太阳能集热器与储热水箱组成的大规模太阳能集热系统。通过太阳能加热冷水至95摄氏度为10t/h的锅炉供水，经锅炉加热为高温蒸汽后用于工厂印染。所用设备为中温太阳能工业热力系统，30t冷水水箱，100t储热水箱，高温高压水泵共4台，2台温控设备，2台控制柜等。节能技改投资420万元，建设期1个月。年可节约标煤875tce，年节能经济效益116万元。投资回收期约3.6年。

实例运用2：使用60t/h的热电锅炉，需求太阳能集热面积3600m2。冷水经过软化处理后使用太阳能集热设备加热至80摄氏度后进入除氧设备，利用高温增压水泵泵入锅炉，用锅炉对水进行二次加热生产热蒸汽，输入工程热蒸汽管路系统。所用设备为控制系统一套，太阳能集热器1300套，3台高温高压循环泵，3台板式换热器。节能技改投资200万元，建设期25天。年可节约标煤328 tce，年节能经济效益46万元。投资回收期约4.3年。

在现有真空管集热器的基础上改良设计中低温太阳能真空管集热器，使集热器瞬时效率截距大于0.70，高于普通集热器10%，150摄氏度时瞬时效率高于普通集热器20%，使整体节能高于普通集热器15%，同时设计合理太阳能工业热力系统与能量传输模块，通过太阳能为锅炉水箱预热，达到更高的太阳能利用率。

2.3太阳能工业热力系统简图

图2.2 太阳能工业热力系统简图

冷水水箱中的冷水在循环泵的作用下进入集热器阵列进行加热，在太阳能作用下加热到70摄氏度左右进入定温供水管路，在定温供水管路中有温控装置，在温度低于70摄氏度时阀门关闭；加热至70摄氏度时，热水进入储热水箱。通过水泵，将热水提供给锅炉加热，因为冷水已经预热至70摄氏度，锅炉在加热时会消耗较少的煤将水加热至所需温度，节约能源。同时配套设施有软化水设备，防止在真空管与水箱中结垢不利于用水健康与设备保养维护^[5]。

集热器的排列类型选择横双排型；订制冷水水箱30t，储热水箱100t，储热水箱材质需要耐热耐膨胀，水箱高度由专业设计师根据实地考察确定。水箱重量庞大，需要设计师进行承重校核，防止对地面产生破坏，确保承重安全。设计水箱之间的回路时，应尽量降低水路的回路路程，降低管路传输中的热损。水箱周围应留出至少一人空间的作业空间，供于后续的设备维护修理与零件更换。

集热器之间的连接方式有并联、串联与串并联，通过连接为集热器组的方式进行阵列

排布。集热器组中的连接尽量使用并联，每排并联数为15个，尽可能减少串联集热器数目；东西向放置集热器。集热器组按同程原则布置成并联，并联的优点在于使流程与回程的路径长度一致，流量分配均匀，防止管路中出现湍流提高管路热损。

设计管路时为使流量平衡，降低沿程热损，绕行的管路路径应为冷水路径，因为在冷水路径中太阳能的热能还未与冷水发生交换。管路的通径面积与并联集热器的管路通径面积总和相适应。间接系统的循环管路上设置膨胀瓶，同时设置压力安全阀与压力表。

设计时更重要的为设计防冻措施，在系统中加入手动阀，通过将系统中的水排放降低水箱中水的体积保护水箱与管路；同时安装温控系统，通过定温的方式强迫循环防冻^[6]。

集热器排间距：为避免遮挡，集热器离遮光物的最小距离可按下式计算：

D——集热器热光武或集热器前后排间距最小距离；

H——遮光物最高点与集热器最低点间的垂直距离；