太阳能集热器的热转换原理(教学)

太阳能集热器的热转换原理(教学）

太阳能集热器的热转换原理目录

背景资料 (1)

（一）知识背景 (1)

一、太阳能的光—热转换 (1)

二、太阳能集热器 (1)

三、集热器的利用——热水器介绍 (2)

四、光波波长与集热器升温原理 (3)

五、有关物理知识 (3)

（二）方法背景 (4)

1、设计理念 (4)

2、对象及用途 (4)

3、教材分析 (4)

活动方案 (5)

（一）示范性方案：太阳能集热箱升温比较实验 (5)

（二）指导性方案：太阳能集热器升温比赛 (8)

（三）拓展性方案：东方绿舟南洋中学新能源科技考察站活动 (11)

直接利用太阳能集热的活动——学习

单 (13)

课题申请表 (13)

课题实施记录 (14)

交流汇报提纲 (15)

课题研究结题报告 (16)

课题评价 (17)

参考资料 (18)

主编：陆赵华

地址：上海市南洋中学科研室

直接利用太阳能集热的活动

陆赵华

直接利用太阳能集热的活动

陆赵华

背景资料

（一）知识背景

在20世纪中，人类使用的能源主要有原油、天然气和煤炭三种，而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年了。所以，开发新能源，已经成为人类发展中的紧迫课题，那么，人类将向何处寻找新能源呢？先进国家的能源专家认为，太阳能、风能、地热能、波浪能和氢能这五种新能源，在今后将肯定会优先获得开发利用。我校设立了以新能源系列为特色的科技景点，就是为了介绍和普及新能源的知识和应用，期望作为明天主人的青少年学生能够从直观上对新能源有所了解或由此产生兴趣和引起关心，也希望得到全社会的关心和扶植，使更多的有识之士立志献身于这一事业。一、太阳能的光—热转换

太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式（右图说明太阳的功率及太阳能传递到地球后各种形式能量之间的转化过程），它们分别是太阳能的光—热转换、太阳能的光—电转换、太阳能的光—化学转换和太阳能的光—生物质转换，其中太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最为低

廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能，如地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。

二、太阳能集热器

我们学校科技景点中设置的太阳能热水器、太阳能饮水流动车和太阳能沐浴器，其实都是太阳能集热器，它是在太阳能加热系统中接受太阳辐射并向其传热介质传递内能的装置。太阳能集热器的种类很多，分类方法也不同。

1、按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两大类，其中以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。

2、按采光方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器

两大类。非聚光式集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转变为内能的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光式平板型集热器。它的吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相等，其结构如图（a）是利用温室效应的非聚光型集热器。在温室充入CO2可提高温室效应。聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。世界上最大的一面太阳能聚光集热器是法国比利牛斯山坡上的太阳能高温炉。它的抛物面聚光反射镜有9层楼高，面积有1830米2，它是由9500块小镜片拼接而成的。反射镜把安装在对面山坡上的63块巨型平面镜反射过来的阳光聚焦，焦点处安装高温熔炉，温度可达4000度以上。

3、按吸热体周围的状态分类：可分为普通集热器和真空管集热器。真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温环境下均有较高的集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空太阳能集热管具有透过率和吸收率高、

热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性，同时制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低，全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。如图所示为全玻璃真空管太阳能集热器结构。

三、集热器的利用——热水器介绍太阳能热水器的种类很多，简单的是一种“闷晒式”的太阳能热水器。它是一些筒形或扁盒形的容器，表面涂黑，放在有透明盖板的保温盒子里。“闷晒式”的太阳能热水器贮水的容器兼作太阳能集热器，构造简单，价格较低。在阳光好、气温高时，效果很好。原理和结构如上图所示。图中A是集热器，B是储水容器，C是辅助加热器。我国生产和使用的太阳能热水器有管板式、瓦楞式、扁盒式、玻璃真空管式，还有水泥浅池式和塑料枕头式的。虽然它们的形状和构造各不相同，但是工作原理几乎一样，即利用深颜色材料吸收太阳辐射能，然后把水加热。

四、光波波长与集热器升温原理：1、太阳光波太阳辐射的波长在0.15--4微米之间（如下图所示），包括了8.7%的紫外线，43%的可见光和48.3%的红外线。6*10-3 0.40 0.45 0.49 0.58 0.60 0.62 0.77 400 波长（10-6 m）紫外紫蓝青绿黄橙红红外频率（1014Hz） 5 *102 7.5 6.7 6.1 5.2 5.0 4.8

3.9 10-2不可见光可见

光不可见光2、温室效应

波长（10-6 m） 1.0 1.4 2.0 3.0 4.0 5.0

6.0

7.0

8.0 400温度（℃）

1650 1150 700 400 300 190 150 90一切物体都在辐射红外线，物体温度不同，红外线的波长和强度也不同（如右图所示）。太阳光谱中主要是可见光和近红外线，辐射能量绝大部分集中在波长0.29 --3.0微米之间，而这些光波穿透玻璃的能力很强，几乎全部可以穿透玻璃，但是当这种光线被箱内吸收材料吸收后转变为热时，这些吸收材料也能向外辐射能量，但由于它温度较低，主要是远红外辐射，波长大于3.0微米，恰好玻璃能阻止这些波长的辐射通过。由于阳光进得来，而热辐射出不去，慢慢箱内的温度积累得越来越高，这种现象叫“温室效应”，太阳能集热器就是利用了这种原理，把光能转化成内能。五、有关物理知识1、物体的内能在热力学中，物体的内能是由它内部状态所决定的能量，是指物体中所有分子的热运动的动能和分子势能的总和。一般说来物体的内能跟它的温度和体积都有关系。2、能的转化和守恒定律又称能量守恒和转换定律，是自然科学中关于物质运动的最重要的普遍定律之一。它可表述为：物质的任何一种运动形式，如机械、热、电磁、光、化学等，在一定条件下都能够而且必然地以直接或间接的方

式，转化为其他的任何运动形式，在转化前后，作为物质运动的一种量度的能量，恒保持不变。在中学物理教科书中将定律的表述归纳为：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体。3、热传递是改变物体内能的方式之一，单一的热传递是在没有做功而存在温度差的条件下，热量从一个物体转移到另外的物体，或从物体的一部分转移到其他部分的过程。热传递又分对流、传导和辐射三种方式，在实际过程中常常同时出现。（1）对流：液体或气体依靠其流动而实现的热传递过程。其中自然对流是由流体中各处温度不均匀引起压强或密度的差异而形成。对流的特点是在热传递的同时伴随着大量物质的定向循环运动，在循环中温度趋于均匀。这是液体和气体中热传递的主要方式。（2）传导：是靠大量分子、原子和电子之间的相互碰撞作用，使热量由高温物体(或物体的高温部分)传向低温物体(或物体的低温部分)的热传递过程。是固体中热传递的主要方式，在液体和气体中往往与对流同时发生。不同物质的热传导性能用在单位时间内流过单位横截面的热量进

行比较。（3）辐射：是借助电磁波传递能量的方式。它能把热量以光速穿过真空从一个物体传给其他物体。这种传递过程不是单方面而是物体间相交换的，但其结果总是热量从高温物体传给低温物体。物体温度越高、表面越黑暗、

粗糙，发射能量的本领就越强。而且辐射的波长分布情况也随温度而变，在温度较低时主要是不可见的红外辐射，在500℃以上以至更高时,逐渐出现较强的可见光直至紫外辐射,但热辐射主要靠波长较长的红外线、远红外线以至微波。（二）方法背景1、设计理念本活动以初、高中学生为主体，依托学校科技教育环境（新能源特色）的优势，研究太阳能集热器的原理，制作简单的太阳能集热器，开展实验、竞赛和学生自主性的科技考察活动，培养学生对科学的兴趣和爱好，激发学生的创造思维，增强成为新能源开拓者的决心。使学生在研究性的活动中逐步了解科学最基本的概念和过程，逐步培养学生具有从事科学技术活动的基本技能；使学生养成科学的思维习惯，掌握一定的科学方法，提高他们运用科学分析问题解决问题的能力；培养他们具有严谨、求实的科学态度和科学行为习惯。帮助他们树立科学的观念和精神，理解科学技术和社会的关系，为他们今后创造性地从事或参与科学技术活动和社会实践打下基础。2、对象及用途（1）初中二年级——高中二年级；（2）科技辅导员。3、教材分析以校本课（新能源校本课）为主。课程目标1、通过活动使同学知道科学与技术的结合才能产生社会效益，了解技术创新应该有扎实的文化科学知识基础；2、通过研究性活动中培养学生学科学、爱科学、用科学、信科学和客观、求真、探索、合

作、竞争等科学精神；3、通过活动培养学生运用科学的客观标准和准则去评价科学的现象和事物；4、通过观察、实验、动手制作与竞赛等活动，让学生了解太阳能集热器的原理，开发学校科技项目的教育功能，培养学生实践、创新能力，提高学生的科技素养。5、通过学生自主性的科技考察活动，培养学生能将所学的科学知识与实际问题结合，提出解决问题的设想，并设计完成实验；在实验过程中能积极思考问题，培养学生动手能力，并能按给定的格式完成研究报告。活动方案（一）示范性方案：太阳能集热箱升温比较实验在晴朗的冬日，阳光下，你会感觉很暖和。这时候阳光照在你身上，携带的能量被你的衣服、皮肤吸收而转化成内能。如果用保温的方法不让这些能量散失，温度就会很快升高，太阳能集热箱就是根据这个现象而制作的。同时我们还知道黑色表面的物体吸收太阳辐射的本领最强，而白色最差。到底是不是这样呢？其他各种颜色的物体对吸收太阳辐射的本领又如何呢？下面我们可以动手

制作一个闷晒式的太阳能集热箱来做一次升温比较实验。

活动目的：1、学会制作简单的太阳能集热箱，研究不同颜色的材料对太阳辐射吸收的状况。2、在知道太阳辐射和能量分布的基础上，思考如何更合理地利用太阳能，从而培养学生的动手能力和研究方法。活动器材：

聚苯乙烯泡沫塑料、松软物体（棉花、羽绒等）、盖板玻璃

等；各种颜色的材料（纸张、布匹或颜料等）、温度计等。活动方法：1、准备实验：图1泡沫塑料盖板玻璃保温层吸收材料温度计

遮盖薄片⑴制作一个简单的太阳能集热箱：就地取材，利用包装用的泡沫塑料制作太阳能集热箱，形状如图1 所示，尺寸可根据材料自定。盖板玻璃最好取双层玻璃，也可以用单层玻璃内层加覆一层塑料保鲜膜，吸收材料我们可用各种颜色的材料（纸张、布匹或颜料等），保温层可用棉花、羽绒等松软多孔物体。门可以装在侧面，也可使盖板玻璃装成插卸式，侧面钻一小孔，便于温度计插入其中观察效果，温度计的玻璃泡不允许与任何物体接触，也不允许让阳光直射其上，一般用涂黑的薄片遮盖，其他各部分都要密封。这样，一只闷晒式的太阳能集热箱就做成了。⑵测量太阳高度角太阳高度角是指太阳光线与地平面之间的夹角。太阳高度与地面接受太阳能的强弱有关，太阳高度角越大，吸收太阳辐射的效率越大。若太阳高度角为α，用一直杆竖立在水平面上，从杆的投影长度与杆的长度可知，tgα=杆长/影长，则太阳高度角α=tg-1杆长/影长，如图2所示。我们做下面实验时，先测量并记录下太阳高度角的大小，并尽量使集热箱的吸收面（玻璃）正对太阳（如图3所示）。2、升温比较实验实验名称

实验者姓名日期时间

天气气温℃太阳高度角⑴实验数据记录箱内温度（℃）光照时间（分）太阳能集热箱内吸收材料选取的各种颜色红橙黄绿青蓝紫黑白（其他）51015202530⑵实验结论：

3、观察各集热箱，测量能够到达的最高温度各为多少度，各需多长时间？

4、观察一天内集热箱能够到达的最高温度是多少度，一般出现在什么时候，与太阳高度角大小是否有关？归纳与思考1、以上实验用的集热箱应除了集热箱吸收材料颜色不同外，其他条件要完全相同。可让每个学生各选取一种材料，在同等条件下操作，以使实验结果较为准确。集热器2、若活动当天天气不佳，也可在室内做，用电灯（100瓦以上）代替太阳（如右图所示），完成以上实验。3、吸收材料的形状对太阳辐射热的吸收情况比较实验箱内温度（℃）光照时间（分）各种形状的吸收材料平板形圆筒形格子形蜂窝形（其他）5101520 25304、吸收材料的表面光滑程度对太阳辐射热的吸收情况比较实验。（学生自己设计研究报告）提示：可以取同种颜色（一般为黑色）的材料，分别用光滑表面、粗糙表面、毛绒表面等进行比较。

5、盖板玻璃对箱内

温度影响的研究玻璃厚度增加，保温性能增加，但透光性能降低，照射到箱内的热辐射能量减少。如何妥善解决这对矛盾，请同学们设计一些实验自己研究。（二）指导性方案：太阳能集热器升温比赛太阳是一个巨大的能源宝库，太阳能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的能源。据测算，在我国土地上的太阳能辐射总量达1.2万亿千瓦。太阳的辐射能给人们的直接感觉是光和热，而太阳能集热器就是直接把太阳能转化为内能的装置。思考与实验思考1：冬天，天气寒冷，用自来水洗手会感到刺骨难忍。我们可以利用身边的材料来制作一个简易太阳能热水器，用热水来洗手。所需器材有：泡沫塑料盒，铜管（也可用塑料软管代替），玻璃板，黑色涂料（墨汁）。制作如右图所示。我们能采取哪些措施来提高热水器的热水温度和出水量？

请你动手验证一下你的观点是否正确。【参考答案】：将来光面与太阳光垂直，将若干个简易太阳能热水器串联在一起，在密闭的盒内充CO2气体。思考2：阳光照射到太阳能集热器上，将太阳能转化为能，下图是一种太阳能热水器的示意图，图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿时针（选填“顺”或“逆”）方向运动。这是因为。C是辅助加热器，其作用是。请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明选择位置的理由。

【参考答案】：内，顺，集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受到浮力作用沿管向右上方运动形成顺时针方向流动的水流。在阴天用电加热方式使水温升高。在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门；在贮水容器下方竖直管道上安出水阀门，可使热水流出，冷水得于补充。下面，我们用自己动手设计制作的太阳能集热器，比赛一下，看看谁的集热器升温最快、保温最好、效率最高。活动目的：1、在知道太阳能集热器原理的基础上，合理处理吸热与保温的关系，设计制作太阳能集热器，并比赛其热效率。2、通过充分合理的使用太阳能，培养学生对选材取料、综合设计、合理安排等方面的能力。活动器材：太阳能集热器（学生自己制作）、盛水容器（自选，一般可用塑料袋）；温度计（以数字式温度计为佳）、计时仪器（钟、表）等。活动内容：1、比赛用集热器要求：采光面积≤0.1米2；箱内有效容积≥0.004米3；整个集热器体积（不包括支撑架）≤0.01米3。2、比赛场地要求：一块风速小、光照均匀的平地，分成每平方米见方的若干块，编好号码。3、比赛内容：⑴太阳能集热器内不放任何加热物体，即测量集热器内空气的温度。在规定的时间（一般为半小时）内，温度高者为胜。注：左图中所示的集热器及使用仅供参考，集热器的材料和形状均不限制。温度计塑料袋⑵自己准备一容器（涂黑的烧杯、烧瓶或塑料袋等均可），

装入100毫升水，并插入温度计（或数字式温度计的探头），将此容器固定在集热器内，不能让水流出。在规定的时间（一般为半小时）内，水温高者为胜。左图为学生在进行太阳能集热器升温比赛