4．2．3 平板型太阳能集热器
平板型太阳能集热器是太阳能利用的主流产品，广泛应用于生活用水加热、游泳池水加热、工业用水加热、供暖与空调等多个方面，是太阳能低温热利用的基本部件。
1）平板型太阳能集热器的结构
平板型集热器主要由透明盖板、吸热体、壳体和隔热材料等部分组成，其结构如图4．1所示。
图4．1 平板型集热器构造示意图
在图4．1（a）中，太阳辐射穿过透明盖板投射到吸热体上，被吸热体吸收并转换成热能，然后热能传递给吸热体内通过热碾压压在一起的管子，使管内的水或其他流体温度升高，作为集热器的有用能量输出。与此同时，温度升高后的吸热体，不可避免地会通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，造成集热器的热量损失。
（1）透明盖板
在吸热体上方、壳体的顶部盖有一层能透过太阳辐射的盖板。透明盖板应尽量使太阳光线多透过，并能防止吸热体向外界的对流和辐射热损失。同时，它还应具有保护吸热体不受外界污损的重要作用。因此，透明盖板首先应该是透明率高、耐老化性能好，同时还应该具有一定的强度和耐热、耐火性。常用的透明盖板有玻璃、玻璃钢板（又称玻璃纤维增强塑料板）、增强聚酯树脂板、聚碳酸酯薄膜等。
集热器有用双层盖板的，也有不用盖板的。当太阳能集热器的工作温度较高或在气温较低的地区使用，如我国南方的太阳能空调、北方的太阳能取暖，应采用双层透明盖板；在气温较高地区进行太阳能游泳池加热，常不使用透明盖板，这种集热器称为“无透明盖板集热器”。国际标准ISO 9806－3专门适用于无透明盖板集热器的热性能试验。
（2）吸热体
吸热体又称集热板，它是一块带有传热流体流动通道的金属薄板，如图4．2所示。板上涂有黑色选择性吸收涂层，具有把太阳光转化为热能，并将热能传送给水、空气等媒体的功能。选择吸收涂层可以在保证尽可能多地吸收太阳能的同时，又尽量减少吸热体本身的热辐射损失。
图4．2 带肋片吸热体的构造
由图中可以看出，吸热体由集热管、集热肋片、吸热体表面涂层等组成。集热管和集热肋片可以由不同材料制成。吸热体肋片材料的导热系数要大，而且要容易加工，如铜、铝合金、铜铝复合材料、不锈钢、镀锌钢等。
20世纪80年代，我国引进加工铜铝复合管的生产线，其工艺方法是把铜管夹在两块铝板之间，经高压热碾压制，再用高压空气把中间的铜管吹胀成型（可吹胀成扁圆，也可吹胀成菱形）。这种内衬有铜膜的铝管与铝肋片形成一个整体，热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无接触热阻；水管内壁为铜材，腐蚀小、耐压强；整体重量轻，传热效率高。
根据GB/T 6424—1997《平板型太阳集热器技术条件》，吸热体可采用多种型式，有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，如图4．3所示。
图4．3 吸热板结构型式示意图
（3）隔热材料
为了防止集热器向板后及侧面散热，在吸热体的背部和侧面要填充隔热材料。充填隔热材料的部位又叫隔热层。隔热层是集热管抑制吸热体通过传导向周围环境散热的部件。
对隔热材料的技术要求是：导热系数小，不易变形，不易挥发，能承受一定的温度，且具有耐水性。常用的隔热材料根据GB/T 6424—1997《平板型太阳集热器技术条件》的规定，导热系数应不大于0．055W/（m·K），其中岩棉、矿棉、聚氨酯、聚苯乙烯等都是符合规范要求的常用材料。隔热层的厚度应根据选用的材料种类、集热器的工作温度、使用地区的气候条件等因素来确定。一般底部隔热层的厚度取30～50mm，侧面隔热层的厚度与之大体相同。
（4）壳体
壳体是集热器保护及固定吸热体、透明盖板和隔热层的部件，它与安装、支撑部件紧密相关，不仅要有一定的强度和刚度，有较好的密封性及腐蚀性，而且要具有美观的外形。壳体常用的材料有铝合金板、不锈钢板、碳钢板、玻璃钢等。为了提高密封性常采用铝合金板一次压模成型。
2）平板型太阳能集热器的性能
研究平板型太阳能集热器的性能，主要是分析集热器的效率，即集热器接收了多少太阳能，它又能输出多少能量。为了解决这一问题，让我们首先分析集热器能量的接收与传输，进而列出效率方程，最后论述效率曲线，从而明确对集热器的性能要求。
（1）集热器的能量平衡
按照能量守恒定律，集热器接收到的太阳能QA，应该等于输出的有用的能量Qout与对周围散失的能量OL之和。即
①集热器接收到的太阳能QA应为
式中：A——集热器四面面积总和，m2；
G——太阳能辐射照度，W/m2；
τα——盖板透射比与吸热体吸收比的有效乘积。
②集热器的总散热损失QL应为
式中：A——集热器四面面积总和，m2；
U——集热器热损系数，W/（m2·K）；
tp、ta——吸热体温度和环境温度，℃。
由此得出，集热器输出的有用能量
式中，Qout、QA、QL的单位均为W。
（2）集热器效率
集热器的效率η，可以用式（4．5）表示，即
把式（4．4）代入式（4．5）得到
讨论：①考虑到吸热体温度tp不易测出，现以
来代替，其中ti、t分别代表集热器进口、出口温度（℃），此时
式中：tm——平均温度，℃；
F′——集热器效率因子。
②考虑到集热器出口温度随太阳照度变化不易控制，可用进口温度ti来表示，此时
式中：FR——集热器热转移因子。
通过以上讨论，我们可以从式（4．6）、式（4．7）、式（4．8）中，得出图4．4（a）、（b）、（c）三种形式的效率曲线。
图4．4 三种形式的集热器效率曲线
从效率曲线中，不难得出以下结论：
①集热器效率是个变数，不是常数；
②效率曲线在y轴上的截距值，表示集热器可获得的最大效率；
③效率曲线在x轴上的交汇值，表示集热器可达到的最高温度；
④效率曲线的斜率表示集热器总的热损系数的大小。
3）集热器技术性能要求
太阳能集热器是组成各类太阳能热利用系统的关键部件，其性能水平将直接影响系统质量。在国际上有ISO 9459－2标准，在国内有GB/T 6424—1997《平板型太阳集热器技术条件》。国家标准中规定的主要内容是：
①热性能试验：FR（τα）不低于0．68；FRUL不高于6．0W/（m2·K）；
②空晒试验：应无变形、开裂及其他损坏；
③闷晒试验：应无泄漏或明显变形；
④内通水热冲击试验：应无泄漏、变形、破裂及其他损坏；
⑤外淋水冲击试验：应无明显变形及其他损坏；
⑥淋雨试验：应无渗水和破坏；
⑦强度试验：应无损坏及明显变形，塑料盖板应不与吸热体接触；
⑧刚度试验：应无泄漏、损坏及过度永久性变形；
⑨耐压试验：应无传热媒质泄漏；
⑩防雹（耐冲击）试验：应无划痕、翘曲、裂纹、破裂或穿孔。
此外，在外观检查上，吸热体在外壳内应安装平整，间隙均匀；涂层应无剥落、反光及发白现象；透明盖板应与外壳密封接触，应无扭曲及明显划痕；隔热层应当填塞严实，不应有明显萎缩或膨胀隆起，不允许有发霉、变质或释放污染物质的现象；外壳的外表面应平整，无扭曲、破裂，应采取充分的防腐措施。
在改善平板型集热器性能方面，国内外厂家采取了许多积极措施，如：
①改善吸热体的性能，提高吸热翘片的吸热效率，深入研究材料、厚度、管径、管间距离与板连接方式等因素对热性能的影响；在加工工艺上要尽量降低热阻，提高集热器的效率因子。
②改善选择性吸收涂层的性能，降低吸热体的辐射损失，使吸热体具有高吸收比、低发射率、强耐候性。
③改善集热器的结构设计，采用导热系数低的保温材料，保证具有足够厚度，加强组装的严密性，使集热器传导、对流换热损失降到最低。
④改善透明盖板的性能，选用太阳透射比好的材料，在晒区采用双层盖板或蜂窝隔热材料。
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