光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。

太阳能必须经过各种转换,才可能方便地服务社会。各种太阳能利用成功的关键在于太阳能转换技术。现代意义上的太阳能转换技术开发的全部内容可归纳为两个主要方面：

（1）高效地收集太阳能，主要技术内容有：

①选择性表面技术；

②受光面的光学设计；

③集热体的热结构设计与分析；

④装置的机械结构设计。

（2）将收集的太阳能高效地转换为其他形式的有用能，主要技术内容有：

①尽可能降低能量转换过程中的各种热、电损失；

②优异的系统设计。

太阳能光热转换在太阳能工程中占有重要地位，其基本原理是通过特制的太阳能采光面，将投射到该面上的太阳能辐射能作最大限度地采集和吸收，并转换为热能，加热水或空气，为各种生产过程或人们生活提供所需的热能。

太阳能光热转换材料是一种重要的太阳能材料。光热利用领域的材料按用途可分为蓄热材料、导热材料、热电材料、集热材料等。

1、蓄热材料

蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固2液或固2固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术 , 因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。许多物质作为潜在的相变储热材料 (PCM) 已经被研究过 , 但只有部分物质实现了工业化生产 , 其中制冷与低温范围的技术与产品相对比较成熟 , 很多已实现商品化。法国 Cristopia 、澳大利亚 TEAP 、日本三菱化学 ( Mitsubishichemical) 、瑞典 Climator 、美国陶氏化学 (Dow chemical)、德国 Rubitherm GmbH 与 MerckKgaA 等公司生产的 PCM 产品类型主要是盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类 , 其熔点为- 33 ～ 110 ℃。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。

显热储能通过物质的温度变化来储存热能 , 储热介质必须具有较大的比热容。可作为储热介质的固态物质有岩石、砂、金属、水泥和砖等 , 液态物质则包括水、导热油以及融熔盐。

与液态储热材料相比 , 固态储热材料具有两个特点 :

①更大的热能储存温度范围 , 可以从室温至 1000 ℃以上的高温段;

②不产生介质泄漏 , 对容器材料的要求低。

这几年主要研究的热存储材料有二醇二硬脂酸盐 (Dioldistearates) 、十水合硫酸钠(Na2SO4 · 10H2O)、聚乙二醇/4 ,4 二苯基甲烷二异氰酸盐 / 季戊四醇共聚物 (PEG/ MDI/PE copolymer) 、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯 / 石蜡混合物等。

2、导热材料

在太阳能热利用方面 , 大多数分散的集热器与蓄热器之间的距离相对较远 , 因此导热系统仍是不可或缺的。导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料 , 另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料。国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料 , 以降低热交换系统的复杂程度 , 从而达到降低系统成本的目的。未来的重点是新型热传导媒质的研发如离子流体 , 以及新型热循环管道材料如金属化塑胶管等。

3、热电材料

热电材料 ( 又称温差电材料 ) 是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料 , 其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子或空穴激发特征 , 当热电材料两端存在温差时 , 材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差 ( 电压 ) 。热电材料主要分为半导体金属合金型热电材料、方钴矿型热电材料、金属硅化物型热电材料、氧化物型热电材料 4 种。 2007 年日本在氧化物热电材料的研究中走在世界前列。目前 , 已经商业应用的热电材料有 PbTe ( 工作温度为 230 ～ 530 ℃ , 主要用于发电 ) 、Bi2Te3/Sb2Te (工作温度为室温～ 130 ℃ , 主要用于小规模发电以及制冷 ) 、 SiGe ( 工作温度高于 530 ℃ , 主要用于外太空发电 ) 。

4、集热材料

太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在 0.25 ～ 2.5μm 范围内。从光热效应来讲, 太阳光谱中的红外波段直接产生热效应 , 而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热 , 主要是衣服和皮肤吸收太阳光线 , 从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲 , 黑色意味着光线几乎全部被吸收 ,吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换 , 似乎用黑色的涂层材料就可满足了 , 但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知 , 黑体辐射的波长范围在 2 ～ 100 μ m之间 , 黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关 , 辐射强度的峰值对应的波长在 10 μ m 附近。

由此可见 , 太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠 , 因此要实现最佳的太阳能热转换 , 所采用的材料必须满足以下两个条件 :

①在太阳光谱内吸收光线程度高 , 即有尽量高的吸收率α ;

②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失 , 即有尽可能低的发射率γ。

太阳能平板集热器

太阳能平板集热器是典型的平板集热，简称平板集热器。

1、平板集热器的分类

（1）按集热工质分类

①水集热

普通的太阳能平板热水器、公用热水系统，几乎都采用水作为集热工质。

②空气集热

太阳能干燥和太阳房采暖的集热装置，通常均以空气作为集热工质。

③防冻液集热

高寒地区经常采用防冻液和水作为集热工质的双循环太阳能集热。

（2）按集热体表面光学特性分类

①黑面

一般是在集热体表面涂刷或喷涂一层黑色涂料，简称黑面，目前较少采用。

② 光谱选择性吸收面

这是经过化学、电镀等工艺制成的选择性吸收面，应用广泛。

（3）按透明盖板层数分类

①单层透明盖板；

②两层或多层透明盖板 。

太阳能平板集热器的透明盖板，通常多采用单层，特殊情况用两层，极少情况用三层或不用。

2、典型平板集热器的基本组成

平板集热器的典型结构由集热体、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。

（1）集热体

它是太阳辐射能、转换为热能并传向集热工质的关键部件，是太阳能平板集热器的关键部件，其特性参数决定了平板集热器的工作性能，一般应具备以下特性：

①表面光谱选择性能好，集热板面的太阳辐射吸收率高，热反射率低；

②具有优良的传热结构设计；

③密封性能好，能承受一定的工作压力；

④与集热工质具有良好的相容性；

⑤对环境具有良好的耐天候性；

⑥制作工艺简单。

一般集热体多采用金属制作。集热体表面喷涂黑色涂料或制作光谱选择性吸收涂层。

（2）透明盖板

在集热体的上方，覆盖一层或多层透明盖板，一方面降低集热体对环境的散热损失，起到隔热作用；另一方面保护集热板面，免受风霜雨雪和尘埃等的直接侵袭。它具备以下特性：

①光学性能好，阳光透光率高，而吸收率和反射率低；

②隔热性好；

③ 机械性能好，能承受一定的风压、冰雹等外力和热应力的作用

④ 耐老化性能好，长年暴露在大气环境和阳光下，上述各种特性均无明显恶化。

（3）隔热层

隔热层是集热体底部和四侧填充的一定厚度的绝热材料，以降低集热体的热损失。它具备以下特性：

①导热系数低；

②不吸湿，不吸水；

③具有一定的机械结构强度。

（4）壳体

壳体将集热体、透明盖板和隔热层装配成一体，构成一个完整的太阳能集热器。整个壳体要有一定的整体刚度和机械强度，以便保护集热体和隔热层不受外部环境的各种损伤和影响，且便于装配。

3、工作原理

阳光透过透明盖板照射到集热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质，小部分反射向透明盖板。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中的热能所加热，温度逐渐升高，加热后的集热工质，带着有用的热能从集热器的出口端流出。如此循环，将投射的太阳辐射能蓄入储水箱中备用，成为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的热损失。这样的换热循环过程，一直维持到集热温度达到某个平衡点时为止。

全玻璃真空管

太阳能平板集热器在70年代就已经发明和应用，自从80年代发明真空管集热器，在整个业界太阳能平板集热器就慢慢退出市场（在广东，云南，海南等省至今还有在推广和使用）。因为太阳能平板集热器自身的设计特点决定了它的散热损失较大，故温度大多运行在60℃以下。真空管集热器是在平板集热器基础上发展起来的新型集热装置。目前，市场上已开发很多形式的真空集热管，最常用的有全玻璃真空集热管、热管式真空集热管、U形管真空集热管等。

1、结构组成

全玻璃真空管由玻璃外管、玻璃内管、选择性吸收涂层、弹簧支架（固定卡）、吸气剂等部件组成，其形状如一只细长的暖水瓶胆。

全玻璃真空管的一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封；另一端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽。内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层。弹簧支架上装有吸气剂，它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体，起保持管内真空度的作用。

2、真空管太阳能的特点

（1）真空管太阳能工作原理是采用内管的吸热涂层对太阳光吸收，加热内管里的水，在与水箱或连箱进行交换，提高水温。作它在吸热的同时也会进行散热，而热量的传递只有三种方式：辐射，传导，对流。真空管太阳能的三种散热传热方式均很小，内管的水银涂层防止热量辐射；内外管中间的真空层防止热量传导；至于热量的对流散发对真空管太阳能而言，几乎为零。

（2）真空管太阳能的使用寿命长：内外涂层在真空的环境里不受氧化，在不受外力的情况下寿命超20年以上。

（3）各种环境的影响：散热小，保温效果好，抗冻能力强（在南极都有优良表现）；真空管对风的阻力小，抗风能力强；真空管是圆形的形状，受外来冲击力小，抗冰雹能力强。

（4）真空管太阳能管的热效率高。

太阳能热水器的类型很多 , 其构造主要有集热器和蓄热器两大部分组成 , 其中集热器是技术关键 , 直接关系到太阳能热水器的使用性能和能够正常运行的环境温度条件。目前广泛应用于日常生活中的太阳能热水器根据集热器的不同按使用季节基本上可分为 3 类。

第1类 : 只能在夏季或炎热气候下使用。一般有闷晒式和普通平板式。

第2类 : 能在春、夏、秋及最低环境温度高于零度时使用 , 主要类型有全玻璃真空管式和双层玻璃平板式。此类集热器在气温低于零度时须放水停用 , 否则将造成集热器的冻伤害。

第3类 : 可以在全年任何气候中使用 , 主要有热管玻璃真空管式集热器。 20 世纪 80 年代中期 , 以平板型太阳集热器为主要部件的太阳能热水器在我国已初步形成产业 , 这对于节约常规能源、保护自然环境和改善人民生活都发挥了积极的作用 , 然而由于平板型太阳能集热器只能提供低温热水而且一般不能全年运行 , 应用范围受到限制。

为进一步提高集热器的工作温度 , 拓宽太阳能应用领域 , 研究开发了全玻璃真空管式太阳能集热器及热管2真空管式太阳能集热器。

目前大量应用的太阳能集热器主要有平板式太阳能集热器、全玻璃真空管式太阳能集热器、热管式太阳能集热器、热管-真空管式太阳能集热器 , 其中全玻璃真空管式太阳能集热器占领国内大部分市场。但从太阳能集能器的发展趋势来看 , 平板式太阳能热水器具有发展潜力 , 理论上平板式太阳能集热器的日平均效率比真空管式太阳能集热器要高。

我国平板太阳能热水器有 20 多年的生产、推广应用经验。目前华南、云南地区平板太阳能热水器仍占据市场的主体地位 , 即使在北方地区也有不少用户使用。近年来直插式全玻璃管真空管热水器在使用中也暴露了不少问题 , 如炸管、冻裂、管内结垢和沉积泥沙、密封胶圈漏水、冬眠等 , 特别是大工程不能承压运行 , 使人们重新审视平板太阳能热水器 , 也为平板太阳能热水器的发展带来了新的机遇。

平板太阳能热水器的另一优势是易与建筑有机结合 , 且十分可靠。通过云南及北京九阳等一些公司的示范 , 这一优势已逐渐为建筑师、建筑商所认同。我国平板太阳能热水器的发展已显现新的商机 , 如能借鉴国外成功经验 , 发挥自己的优势 , 扬长避短 , 一定能发展起来。

(1) 在冬季气候条件低于零度的地区 , 一定要采用防冻液-水二次换热 , 即使是自然循环家用平板太阳能集热器中也应充防冻液 , 热水箱内设置防冻液2水二次换热器 , 如简单的夹套水箱。热水工程使用泵驱动防冻液在平板太阳能集热器及储热水箱的换热器间循环换热 , 从根本上解决平板太阳能集热器中水的冻结及集热器冻坏问题 , 同时也从根本上解决平板太阳能集热器中水的结垢问题。

(2) 要在提高平板太阳能集热器的热性能方面下工夫 ,解决冬天热效率低的问题。有效的办法是 : 采用性能较高的选择性镀层吸热板 , 达到高太阳光吸收率 (90%) , 低红外发射率 (6%) , 并解决好管板热接触。装备制造业的介入是解决这一问题的关键。平板太阳能集热器玻璃盖板采用高透过率 (90%) 钢化平板玻璃 , 以替代低透过率的普通窗玻璃。

(3) 改进平板太阳能集热器的密封、背部保温 , 延长其使用寿命 , 优化边框设计 , 以满足与建筑有机结合的要求。

(4) 在完成上述工作的基础上进行实事求是的宣传推广, 逐步改变平板太阳能热水器冬天冻坏、热效率低和不能用等看法 , 建立平板太阳能热水器冬天冻不坏、产出生活热水热效率高、冬天也能用的新观念 , 促进平板太阳能热水器市场健康发展。