2019年07月21日
太陽能熱水器原理
2015-01-04 21:30:09
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太陽能熱水器原理
 
太陽能熱水器,顧名思義,就是利用熱能來將水加熱,那麼到底實際是怎麼運作的呢?它的運作方式簡單來說,就是集熱→循環→保溫。
 
1. 集熱:太陽能熱水器的集熱器表面,有一特殊的塗層,此塗層將可見光吸收為熱以後,集熱器的散熱熱輻射波長在長波範圍,該塗層對長波的發射率很低,這樣就有效的『滯留』了太陽能的熱量。
 
2. 循環:利用冷水比熱水密度大的原理,形成自然對流循環,使水箱中的水逐漸變熱。當太陽強度不足以滿足循環需要的時候,可以在水循環閉路加一水泵,實現強制循環。
 
3. 保溫:因為太陽能熱水器只能在白天工作,而人們一般在晚上才會使用熱水,為了使熱水到晚上或隔天使用實還有一定的溫度,必須透過保溫將熱水儲存起來。保溫水箱有三部分組成:外膽、聚胺酯發泡層、不鏽鋼內膽。其中,聚胺酯發泡層負責保溫,它的導熱係數低(<=0.024),熱阻值高,保溫效果好。
 
目前市面上的太陽能熱水器種類可以分成平板式、全玻璃真空管式、熱管式、熱管-真空管式太陽能熱水器四類。
 
1. 平板式:

平板型太陽能集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成,當太陽照射到集熱器時,集熱器管內的水受熱,密度變小,熱水由集熱器底部上升至頂部,流入保溫儲水桶,儲水桶下部的冷水則流入集熱器底部,不斷進行循環,使整個儲水桶中的水溫升高。

集熱器保溫材料的選擇十分重要,特別是底板的隔熱性要好,避免降低集熱器的熱效率。太陽能熱水器系統除集熱器本身要有良好的保溫性外,熱水導管和儲水桶也要保溫。集熱器除以金屬材料製造外,還有用橡膠或塑膠製造的平板集熱器,台灣目前以金屬平板集熱器居多(約92%)。

由於平板式太陽能熱水器構造不複雜,加工成本低,且循環加熱皆依靠集熱器,水流系統無須加壓設備,運轉成本低(強制循環式除外),價格在不同的太陽能熱水器中最為便宜,所以在全世界都獲得了廣泛的應用。不過平板式也有些缺點,例如:日夜溫度不同導致熱容易倒流、在高溫段效率較差導致熱損大、抗凍性差。

 
2. 全玻璃真空管式太陽能熱水器


全玻璃真空管式太陽能熱水器之集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管,它採用真空技術,藉以消除集熱管內氣體的對流與傳導熱損,並應用選擇性吸收塗層,使真空集熱管的輻射熱損降到最低,故真空管太陽能集熱器可以在中高溫下使用。其外型由兩根同軸玻璃圓管組成,內、外玻璃管間抽成真空,一般真空度要小於10~4mmHg,選擇性吸收塗層鍍在內管的外表面構成吸熱體,將太陽能轉化為熱能,加熱內玻璃管內的水。

全玻璃真空管式太陽能熱水器結構簡單且集熱效率高、保溫效果好,但其管內存水過多,會使水溫上升緩慢,真空管無法承壓,管內也容易結垢,在嚴寒地區使用會凍結,且價格昂貴。
 
3. 熱管式太陽能熱水器


是一種可以常年使用的太陽能熱水器,此種熱水器的熱管,一般採用鋁-丙酮(或銅-水)重力熱管,結構簡單,抗凍性和熱效率均佳,使用壽命也長。在外形上很像平板式太陽能熱水器,只不過把普通管排變成了熱管,熱管上同樣可裝鰭片增強太陽能的吸收。

其原理是,當熱管吸收到太陽的熱之後,利用水液體變為氣體,將熱量帶往儲水桶中進行熱交換,加熱儲水桶中的冷水,而熱管中的氣態水在進行熱交換後又冷凝成液態水回流至熱管底部,如此循環不斷。因為熱管內的工作流體很少,所以熱損較低,啟動也較快。而且熱管式太陽能熱水器的工作溫度範圍也比平板式太陽能熱水器寬得多,不用擔心0℃時水會結冰,也不怕高於100℃時水會沸騰。
 
4. 熱管-真空管式太陽能熱水器

一種新型的太陽能集熱裝置,結合熱管式和真空管式集熱器二者的優點,利用熱管起動快,透過不同工作流體可以控制熱水器的工作溫度,而真空管集熱器的優點在於絕熱性好,熱效率高。熱管-真空管式太陽能熱水器的原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼,投射在金屬吸熱板上,吸熱板將太陽輻射能轉化為熱能,使熱管蒸發段內的傳熱工作流體氣化。蒸汽上升到熱管冷凝段後,通過導熱塊將熱量傳遞給儲水桶內冷水,而自身又凝結成液體,依靠重力流回至蒸發段。上述過程重複循環,使儲水桶內冷水不斷升溫。由於採用玻璃真空管技術,可大幅度降低集熱器的熱損失,使其在高溫或低溫環境的使用條件下仍具有良好的熱效率。

資料來源:
http://energymonthly.tier.org.tw/outdatecontent.asp?ReportIssue=201003&Page=33
http://solar.rsh.ncku.edu.tw/t01_principle.php
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