太阳能集热器通过吸收太阳光来收集热量。 术语“太阳能收集器”通常指的是太阳能热水板，但也可以指太阳能抛物槽和太阳能塔等设施; 或太阳能空气加热器等基本装置。 集中式太阳能发电厂通常使用更复杂的收集器通过加热流体来发电，以驱动连接到发电机的涡轮机。 简单的收集器通常用于住宅和商业建筑中以用于空间加热。 第一个用于建筑屋顶的太阳能集热器由William H. Goettl获得专利，并称为“太阳能集热器和建筑屋顶散热器”。
太阳能集热器加热液体
太阳能集热器要么是非浓缩的，要么是浓缩的。 在非聚光型中，集电极区域（即，截取太阳辐射的区域）与吸收区域（即，吸收辐射的区域）相同。 在这些类型中，整个太阳能电池板吸收光线。 集中收集器具有比吸收器更大的拦截器。
平板和真空管太阳能集热器用于收集空间加热，生活热水或用吸收式制冷机冷却的热量。
平板收藏家
平板集热器是最常见的太阳能热技术。 它们由（1）外壳组成，该外壳包含（2）带有流体循环通道的深色吸收板，和（3）透明盖，以允许太阳能传输到外壳中。 外壳的侧面和后面通常是绝缘的，以减少外部空气的热量损失。 流体循环通过吸收器的流体通道以从太阳能收集器移除热量。 热带和亚热带气候中的循环流体通常是水。 在可能发生冷冻的气候中，可以使用类似于汽车防冻液的传热流体代替水，或与水混合。 如果使用传热流体，则通常采用热交换器将热量从太阳能收集器流体传递到热水存储罐。 最常见的吸收器设计包括连接到导热铜或铝翅片的铜管。 将深色涂层施加到吸收器组件的朝向太阳的一侧以增加其对太阳能的吸收。 常见的吸收涂层是平坦的黑色搪瓷涂料。
在更高性能的太阳能集热器设计中，透明盖板是具有降低的氧化铁含量的钢化玻璃（从侧面观察窗玻璃窗时可见绿色）。 玻璃还可以具有点刻图案和抗反射涂层，以通过减少反射来捕获更多的太阳能。 吸收涂层通常是选择性涂层。 选择性涂层具有特殊的光学性质，通过降低吸收体的红外能量发射率来提高效率。
一些制造商已经推出了采用聚碳酸酯透明盖和聚丙烯吸收器组件的廉价平板太阳能收集器。
大多数空气加热制造商和一些水加热器制造商具有完全溢流的吸收器，其由两片金属组成，流体在两片金属之间通过。 由于热交换面积较大，它们可能比传统吸收器略微更有效。
在具有平均可用太阳能的位置，平板集热器的尺寸大约为每加仑一天热水使用的一半到一平方英尺。 吸收管配置包括：
竖琴 – 传统设计，带底管立管和顶部收集管，用于低压热虹吸管和泵送系统;
蛇形管 – 一种在可变流量系统中最大化温度而不是总能量产量的连续S，用于紧凑型太阳能家用热水系统（无空间加热作用）;
淹没式吸收器，由两片金属板冲压而成，形成一个循环区;
边界层吸收收集器由几层透明和不透明的薄片组成，可以在边界层吸收。 因为能量在边界层中被吸收，所以热量转换可以比在热量累积在循环液体中之前吸收的热量通过材料的集热器更有效。
聚合物平板收集器是金属收集器的替代品，现在正在欧洲生产。 这些可以是完全聚合物，或者它们可以包括在由硅橡胶制成的耐冻水通道前面的金属板。 聚合物具有柔韧性，因此具有耐冻性，可以使用普通水代替防冻剂，因此可以将它们直接连接到现有的水箱中，而不需要降低效率的热交换器。 通过省去热交换器，温度不需要非常高以使循环系统接通，因此这种直接循环板，无论是聚合物还是其他，都可以更有效，特别是在低光照水平下。 一些早期选择性涂覆的聚合物收集器在绝缘时遭受过热，因为停滞温度可能超过聚合物的熔点。 例如，聚丙烯的熔点为160°C（320°F），而如果不使用控制策略，绝缘集热器的停滞温度可能超过180°C（356°F）。 因此，聚丙烯通常不用于上釉的选择性涂覆的太阳能集热器中。 越来越多地使用聚合物，例如高温硅氧烷（在250°C（482°F）以上熔化）。 一些非聚丙烯聚合物基釉面太阳能集热器采用哑光黑色涂层而不是选择性涂覆，以将停滞温度降低至150°C（302°F）或更低。
真空管收集器
大多数真空管收集器在欧洲中部使用热管作为其核心而不是直接通过它们的液体。 直流在中国更受欢迎。 真空热管（EHPT）由多个真空玻璃管组成，每个玻璃管包含与热管熔合的吸收板。 在称为“歧管”的热交换器中，热量被传递到家用热水或水力空间加热系统的传输流体（水或防冻混合物 – 通常为丙二醇）。 歧管采用绝缘材料包裹，并由保护金属板或塑料外壳覆盖。 真空管收集器内部的真空已被证明可持续使用超过25年，设计的反射涂层封装在管内的真空中，在真空丢失之前不会降解。 围绕管外部的真空大大减少了对流和传导热损失，因此比平板集热器实现更高的效率，特别是在较冷的条件下。 除了在需要非常热水的情况下（例如，用于商业过程）之外，这种优势在较温暖的气候中大部分消失。 可能发生的高温可能需要特殊设计以防止过热。
一些真空管（玻璃 – 金属）由一层玻璃制成，该玻璃与上端的热管熔合并在真空中封闭热管和吸收器。 其他（玻璃 – 玻璃）由在一端或两端熔合在一起的双层玻璃制成，在层之间具有真空（如真空瓶或烧瓶），吸收器和热管包含在常压下。 玻璃管具有高度可靠的真空密封，但两层玻璃减少了到达吸收器的光。 水分可能进入管的非抽空区域并导致吸收剂腐蚀。 玻璃金属管允许更多的光线到达吸收器，并保护吸收器和热管免受腐蚀，即使它们是由不同的材料制成（见电偶腐蚀）。
管之间的间隙可以允许雪通过收集器落下，从而最小化在一些下雪条件下的生产损失，尽管来自管的辐射热的缺乏也可以防止积雪的有效脱落。
平板和真空管收集器的比较
这两种技术的支持者之间存在着长期存在的争论。 其中一些可能与真空管收集器的物理结构有关，这些收集器具有不连续的吸收区域。 屋顶上的一排抽空管在收集管之间具有开放空间，并且每个收集器的两个同心玻璃管之间具有真空。 收集器管仅覆盖屋顶上的一小部分单位面积。 如果根据占用的屋顶面积将真空管与平板集热器进行比较，则可能会得到与比较吸收器区域相比的不同结论。 此外，ISO 9806标准在描述太阳能集热器的效率测量方式时不明确，因为这些可以用总面积或吸收器面积来衡量。 不幸的是，热收集器的功率输出不像PV板那样。 这使得购买者和工程师很难做出明智的决定。
平板式集热器通常比真空管损失更多的热量，因为温度的增加。 它们不适合高温应用，例如工艺蒸汽生产。 与平板相比，真空管集热器具有较低的吸收板面积与总面积比（通常为总面积的60-80％）。 基于吸收板面积，大多数真空管系统每平方米比同等平板系统更有效。 这使得它们适用于屋顶空间有限的地方，例如建筑物的占用者数量高于合适和可用屋顶空间的平方米数量。 通常，每安装的平方米，当环境温度较低时（例如在冬季）或天空阴天时，真空管可以提供更多的能量。 然而，即使在没有太多阳光和太阳热量的区域，一些低成本的平板收集器也比真空管收集器更具成本效益。 虽然有几家欧洲公司生产真空管集热器，但真空管市场仍由东部制造商主导。 几家中国公司拥有15 – 30年的业绩记录。 没有明确的证据表明这两种设计在长期可靠性方面存在差异。 然而，真空管技术更年轻，并且（特别是对于带有密封热管的新型号）仍然需要展示有竞争力的寿命。 真空管的模块化在延展性和维护方面是有利的，例如，如果一个管中的真空减少。
应用
该技术的主要用途是住宅建筑，其中热水需求对能源费用有很大影响。 这通常意味着具有大家庭的情况，或者由于频繁的衣物洗涤而导致热水需求过量的情况。 商业应用包括洗衣店，洗车，军用洗衣设施和饮食场所。 如果建筑物位于离网状态或者公用电力经常停电，该技术还可用于空间供暖。 对于具有昂贵的水加热系统的设施，或者诸如需要大量热水的洗衣房或厨房的操作，太阳能热水系统最有可能具有成本效益。 未上釉的液体收集器通常用于加热游泳池的水，但也可以应用于大规模的水预热。 当负荷相对于可用的收集器区域较大时，大部分水加热可以在低温下进行，低于游泳池温度，其中无釉收集器在市场上已经很好地建立作为正确的选择。 由于这些收集器不需要承受高温，因此可以使用较便宜的材料，如塑料或橡胶。 许多无釉收集器由聚丙烯制成，必须完全排干，以避免在晴朗的夜晚空气温度降至44F以下时冻结。
碗
太阳能碗是一种太阳能集热器，其操作类似于抛物面碟，但不是使用具有固定接收器的跟踪抛物面镜，而是具有带跟踪接收器的固定球面镜。 这降低了效率，但使其构建和操作更便宜。 设计师称之为固定镜像分布式聚焦太阳能发电系统。 其发展的主要原因是消除了抛物面盘系统移动大镜子跟踪太阳的成本。
固定的抛物面镜在太阳移动时会产生各种形状的太阳图像。 只有当镜子直接指向太阳时，光线才会聚焦在一个点上。 这就是抛物面碟系统跟踪太阳的原因。 固定的球面镜将光线聚焦在同一个地方，与太阳的位置无关。 然而，光不是指向一个点，而是分布在从镜子表面到半个半径的线上（沿着贯穿球心和太阳的线）。
当太阳在天空中移动时，任何固定收集器的孔径都会发生变化。 这导致所捕获的太阳光量的变化，产生所谓的功率输出的正弦效应。 太阳能碗设计的支持者声称与跟踪抛物面镜相比，总功率输出的降低被较低的系统成本所抵消。
使用跟踪接收器收集集中在球面反射器焦线处的日光。 该接收器围绕焦线枢转并且通常是平衡的。 接收器可以包括承载用于热传递的流体的管道或用于将光直接转换成电的光伏电池。
太阳能碗的设计源于德克萨斯技术大学电气工程系的一个项目，由Edwin O’Hair领导，开发了一个5兆瓦的发电厂。 为德克萨斯州克罗斯比顿镇建造了一个太阳能碗作为试验设施。 碗的直径为65英尺（20米），以15°角倾斜以优化成本/产量关系（33°将具有最大产量）。 半球的边缘被“修剪”到60°，最大孔径为3,318平方英尺（308.3平方米）。 这个先导碗以10千瓦的峰值发电。
直径为15米的Auroville太阳能碗是由塔塔能源研究所于1979 – 1982年对3.5米碗进行的早期测试而开发的。 该测试显示太阳能碗用于烹饪蒸汽的生产。 建造太阳能碗和厨房的全面项目从1996年开始运行，并于2001年全面投入运营。
太阳能集热器加热空气
简单的太阳能空气收集器由吸收材料组成，有时具有选择性表面，以捕获来自太阳的辐射并通过传导热传递将该热能传递给空气。 然后将这种加热的空气导入建筑空间或加热空气用于空间加热或工艺加热需求的加工区域。 太阳能 – 热空气系统以与传统强制通风炉类似的方式运行，通过在能量收集表面上循环空气，吸收太阳的热能以及与其接触的管道空气来提供热量。 简单有效的收集器可用于各种空调和过程应用。
各种应用可以利用太阳能空气加热技术来减少使用常规热源（例如化石燃料）的碳足迹，以产生可持续的产生热能的方法。 太阳能空气加热装置可以解决诸如空间加热，温室季节延长，预热通风补充空气或工艺热等应用。 在“太阳能热电联产”领域，太阳能热技术与光伏发电（PV）配对，通过从光伏集热器带走热量来提高系统效率，冷却光伏电池板以改善其电气性能，同时加热空气用于空间供暖。
空间加热和通风
住宅和商业应用的空间加热可以通过使用太阳能空气加热板来完成。 这种配置通过从建筑物外壳或室外环境吸入空气并使其通过收集器来进行操作，其中空气通过来自吸收器的传导而变暖，然后通过被动装置或借助于其来帮助将其供应到生活空间或工作空间。风扇。 这种系统的先驱人物是GeorgeLöf，他于1945年为科罗拉多州博尔德的一所房子建造了一个太阳能加热空气系统。 他后来包括一个用于储热的砾石床。
大多数商业，工业和公共建筑都需要通风，新鲜空气或补充空气，以满足规范要求。 通过适当设计的无釉蒸发空气收集器或空气加热器吸入空气，太阳能加热的新鲜空气可以减少白天操作期间的加热负荷。 现在正在安装许多应用，其中蒸发的收集器预热新鲜空气进入热回收通风机以减少HRV的除霜时间。 通风和温度越高，投资回收期越长。
工艺加热
太阳能空气热还用于过程应用，例如烘干衣物，农作物（即茶，玉米，咖啡）和其他干燥应用。 通过太阳能收集器加热然后通过待干燥介质的空气可提供降低材料水分含量的有效手段。
太阳能空气加热器类型
收集器通常按其空气导管方法分类为以下三种类型之一：
通过收集器
前通
回传
前后收集器组合
收藏家也可以按其外表面进行分类：
有光
无釉
通过式空气收集器
在通道配置中提供任何太阳能技术的最高效率，在吸收器的一侧上的空气穿过穿孔材料并且从材料的导电性质和移动空气的对流性质加热。 通过吸收器具有最大的表面积，其能够实现相对高的导热传递速率，但是显着的压降可能需要更大的风扇功率，并且在多年的太阳辐射暴露之后某些吸收器材料的劣化可能另外产生空气质量和性能的问题。 。
后部，前部和组合通道空气收集器
在后通道，前通道和组合类型配置中，空气被引导到吸收器的后部，前部或两侧，以从返回加热到供应管道集管。 尽管在吸收器的两侧通过空气将为传导传热提供更大的表面积，但是在吸收器的前侧通过空气会产生灰尘（污垢）的问题，这通过限制接收的太阳光量来降低吸收器效率。 。 在寒冷气候中，靠近玻璃窗的空气将另外导致更大的热量损失，导致收集器的整体性能降低。
玻璃系统
玻璃系统通常具有透明的顶板和隔热的侧板和后板，以最大限度地减少对周围空气的热损失。 现代面板中的吸收板可具有超过93％的吸收率。 玻璃太阳能收集器（通常用于空间加热的再循环类型）。 空气通常沿着吸收板的前部或后部通过，同时直接从其吸收热量。 然后可以将加热的空气直接分配用于诸如空间加热和干燥的应用，或者可以存储以供以后使用。 根据所更换的燃料，釉面太阳能空气加热板的回报可能少于9 – 15年。
无釉系统
在商业，工业，农业和工艺应用中，未上釉的系统或蒸发的空气系统已用于加热补充或通风空气。 它们由吸收板组成，当吸收器吸收热量时，空气穿过或穿过吸收板。 不透明的玻璃材料较便宜，并且减少了预期的投资回收期。 透明的收集器被认为是“未上釉的”，因为它们的收集器表面暴露于元件，通常不透明且不密封。
无釉蒸发的太阳能集热器
背景
术语“未上釉的空气收集器”是指太阳能空气加热系统，其由金属吸收器组成，顶部没有任何玻璃或玻璃。 市场上最常见的无釉收集器类型是蒸发的太阳能收集器。 这些技术得到了这些政府机构的广泛监控，加拿大自然资源部开发了可行性工具RETScreen™来模拟蒸发太阳能集热器的节能模型。 从那时起，已在世界各国的各种商业，工业，机构，农业和工艺应用中安装了数千个蒸发的太阳能收集系统。 该技术最初主要用于工业应用，例如制造和装配厂，其中存在高通风要求，分层的天花板热量以及建筑物中通常的负压。 随着在建筑物上安装可再生能源系统的不断增加，由于高能量生产（高达750峰值热瓦特/平方米），高太阳能转换率（高达90％）和蒸汽太阳能收集器现在用于整个建筑物库存。与太阳能光伏和太阳能热水相比，降低了资本成本。
太阳能空气加热是一种可再生能源加热技术，用于加热或调节建筑物或工艺加热应用的空气。 它通常是所有太阳能技术中最具成本效益的，特别是在大规模应用中，它解决了加热气候中最大的建筑能源使用，即空间加热和工业过程加热。 它们要么是上釉的，要么是无釉的。
操作方法
无釉空气收集器加热环境（外部）空气而不是再循环建筑物空气。 透明的太阳能集热器通常采用壁挂式安装，以捕捉冬季采暖月份的下部太阳角度以及雪地的阳光反射，并在每平方英尺4到8 CFM的流速下运行时实现最佳性能和投资回报（72至144 m3 / h.m2）收集器区域。
蒸发的太阳能收集器的外表面由数千个微小的微穿孔组成，这些微穿孔允许捕获热量的边界层并均匀地吸入外部面板后面的空气腔中。 这种加热的通风空气在负压下被吸入建筑物的通风系统，然后通过传统方式或使用太阳能管道系统进行分配。
可能进入HVAC系统的热空气连接到蒸发的收集器，该收集器具有沿收集器顶部定位的空气出口，特别是如果收集器朝西。 为了解决这个问题，Matrix Energy获得了一项具有较低空气出口位置和穿孔腔框架的蒸发式收集器的专利，以便在穿孔吸收器后面增加空气湍流，从而提高性能。
这张剖视图显示了MatrixAir蒸发的太阳能集热器组件和气流。 在夏季运行期间，下部空气入口减轻了到HVAC系统的热空气的吸入。
加拿大自然资源部和NREL的广泛监测表明，蒸发的太阳能集热系统减少了传统加热负荷的10-50％，而RETScreen是系统性能的准确预测指标。 透明的太阳能集热器充当防雨屏，它们还捕获从建筑物外壳逃逸的热量损失，该建筑物外壳收集在收集器空气腔中并被抽回到通风系统中。 太阳能空气加热系统无需维护，预计使用寿命超过30年。
蒸发太阳能集热器的变化
未上釉的蒸发收集器也可以安装在屋顶上，用于没有合适的朝南墙或其他建筑考虑的应用。 Matrix Energy Inc.已获得一项名为“Delta”的屋顶安装产品的专利，这是一种模块化屋顶安装的太阳能空气加热系统，其南面，东面或西面的外墙根本无法使用。
每个10英尺（3.05米）的模块将提供250 CFM（425 m3 / h）的预热新鲜空气，通常每年可节省1100 kWh（4 GJ）的能量。 这种独特的两级模块化屋顶式蒸发式收集器，每个模块的效率接近90％，每两平方米的收集器可提供超过118 l / s的预热空气。 一排可以串联多达七个收集器，对沿着一个中央管道并联连接的行数没有限制，通常每平方英尺可用屋顶区域产生4CFM的预热空气。 +
透明的收集器可以配置为加热空气两次以增加输送的空气温度，使其适用于空间加热应用以及通风空气加热。 在两级系统中，第一级是典型的无釉蒸发收集器，第二级具有覆盖蒸发收集器的玻璃。 玻璃窗允许来自第一级的所有加热空气被引导通过第二组蒸发收集器，用于第二级太阳能加热。
太阳能集热器发电
本节所述的抛物槽，盘子和塔架几乎全部用于太阳能发电站或用于研究目的。 抛物槽已用于一些商业太阳能空调系统。 虽然简单，但这些太阳能聚光器与理论最大浓度相差甚远。 例如，对于相同的接收角，抛物线槽浓度约为理论最大值的1/3，即，对于系统的相同总公差。 通过使用基于非成像光学器件的更精细的聚光器，可以实现接近理论最大值。 太阳能集热器也可以与光伏收集器结合使用以获得组合的热量和功率。
抛物槽
这种类型的收集器通常用于太阳能发电厂。 槽形抛物面反射器用于将太阳光聚集在放置在焦点处的绝缘管（杜瓦管）或热管上，该管包含冷却剂，该冷却剂将热量从集热器传递到发电站中的锅炉。
抛物面菜
使用抛物面碟形收集器，一个或多个抛物面盘将太阳能聚集在一个焦点上，类似于反射望远镜聚焦星光的方式，或碟形天线聚焦无线电波。 这种几何形状可用于太阳能炉和太阳能发电厂。
抛物线的形状意味着平行于碟形轴的入射光线将被反射到焦点，无论它们到达的盘子在哪里。 来自太阳的光线几乎完全平行地到达地球表面，并且盘子与其指向太阳的轴线对齐，允许几乎所有入射的辐射被反射到盘子的焦点。 此类收集器中的大多数损失是由于抛物线形状的缺陷和不完美的反射造成的。
大气散射造成的损失通常很小。 然而，在朦胧或有雾的日子里，光线会在大气层的各个方向上扩散，这会显着降低抛物面碟的效率。
在盘式斯特林发电厂设计中，耦合到发电机的斯特林发动机被放置在盘的焦点处。 这吸收了聚焦在其上的能量并将其转化为电能。
电力塔
电力塔是一个大型塔楼，周围是跟踪镜，称为定日镜。 这些镜子对齐并将太阳光聚焦在塔顶的接收器上，收集的热量传递到下面的发电站。 这种设计达到了很高的温度。 高温适合于使用常规方法（例如蒸汽轮机）或直接高温化学反应（例如液体盐）来发电。 通过集中太阳光，当前系统可以比简单的太阳能电池获得更好的效率。 通过使用相对便宜的镜子而不是使用昂贵的太阳能电池，可以覆盖更大的区域。 可以通过光纤电缆将集中的光重定向到合适的位置，用于诸如照明建筑物之类的用途。 通常通过加热流体的地下储罐来实现在混浊和过夜条件下用于发电的蓄热器。 熔盐已被用于良好的效果。 由于其优异的热性能，还提出了其他工作流体，例如液态金属。
然而，聚光系统需要太阳跟踪以保持阳光聚焦在收集器上。 它们无法在漫射光条件下提供强大的功率。 即使天空变得混浊，太阳能电池也能够提供一些输出，但是由于漫射光不能集中，所以聚光系统的功率输出在阴天条件下急剧下降。