引言随着我国碳中和目标的提出，急需寻求一种清洁可再生新能源。太阳能凭借环保、安全和无害等优点被广泛运用于光热、光伏发电等领域。根据是否有真空空间，将太阳能集热器分为平板型和真空管型。平板型太阳能集热器结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.F001图1平板型太阳能集热器结构平板型太阳能集热器是一种以空气或液体为热媒的太阳能加热装置，平板型太阳能的工作原理主要通过太阳光透过玻璃盖板照射到吸热板，被吸热板吸收并且转换成热能，然后再将热能传递给内部的工质，使工质温度升高，作为集热器能量输出，完成从太阳能向热能的转化。具有抗冻、承压性能较好、加工简单、与建筑物结合程度高、经济性好等优点。1集热器热性能研究太阳能集热器的集热效率是集热器热性能的重要体现。集热器的集热效率与集热器内部结构、外部环境、集热器热损失等方面有关。邓月超[1]利用CFD模拟集热器的对流换热过程。得出集热器的最佳空气流道为3 cm，且集热器流道中的热损失因空气夹层间距的改变受到影响。Cerón[2]等建立推算集热器瞬时热特性的解析模型，此模型基于有效热容量，并通过试验证明解析模型的可行性。李念平[3]等研究表面积尘对集热器热性能的影响。研究表明，随积尘量的增加，集热器最高效率、最高温度和瞬时效率逐步下降，积尘量与效率的下降值成正比。胡小芳[4]等对集热器的热损失进行分析。研究发现，顶部热损失是集热器的主要损失来源，并得出顶部热损失系数的计算公式。Baritto[5]等总结关于集热器质量流量和出口温度的数学方程，并通过试验证明该数学方程的计算结果与实际结果具有良好的一致性。2集热器优化研究集热器的优化方向主要有集热器结构优化、吸热板优化、流体介质优化等几个方面。不同流道结构的平板型集热器如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.F002图2不同流道结构的平板型集热器空气集热器的优化侧重于对集热器结构和吸热板进行优化。有关平板型太阳能集热器结构类型的研究如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.T001表1平板型太阳能集热器结构研究集热器结构类型研究内容普通平板型太阳能集热器集热器板间距优化与阵列方式［6］。4种不同类型的平板集热器研究表明，双流道模型的热效率是4种类型中最高的［7］。双流道太阳能空气集热器集热器的上下流道在15~20 mm之间，获得最高热效率［8］。双效太阳能集热器提出一种新型太阳能平板集热器，可实现空气加热模式、水加热模式、水—空气同时加热3种工作模式［9］。扰流板型太阳能集热器研究不同扰流板数量和出口流速对集热器热效率的影响［10］。开孔型扰流板太阳能集热器研究开孔型扰流板对集热器性能的影响，扰流板开孔后集热效率明显提升［11］。微热管阵列平板式太阳能空气集热器采用平板微热管阵列技术，同时结合吸热膜，使集热器具有高效稳定热性能［12］。有关吸热板优化类型的研究如表2所示。流体集热器的优化主要通过改变流体介质的性能从而提高集热器热效率，流体介质优化类型研究如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.T002表2吸热板优化类型研究吸热板类型研究内容改变吸热板表面粗糙度改变吸热板粗糙度可以加强集热器的热性能，Nu数和摩擦阻力系数分别为原来的3.8倍和2.2倍［13］。覆盖金属丝的吸热板在空气流量相同的情况下，可以使双通道平板集热器比单通道的集热效率高7％~19.4％［14］。聚合物太阳能集热器聚合物太阳能集热器可以避免使用防冻剂，抵御低环境温度［15］。热反应选择性涂料层通过溶胶—凝胶二氧化钛与铜锰尖晶石的热反应形成新的非选择性涂层，新涂料层对可见光的吸收率大于95%［16］。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.T003表3流体介质优化类型研究流体种类研究内容纳米流体纳米流体的辐射特性进行理论和实验研究，计算得出太阳能集热器的集热效率［17］。炭包铜纳米颗粒流体添加炭包铜纳米颗粒流体的集热器温度提高近20 ℃，性能更稳定［18］。空气对不同相对湿度下的湿空气密度等热物性参数进行计算，得到工作介质为相对湿度50%的湿空气比工作介质为干空气的集热器效率高12.4%［19］。WThermionVP-1型导热油纳米流体同使用传统流体的集热器相比较，该类型纳米流体可使集热效率提升10%以上［20］。3平板型集热器应用现状3.1制冷采暖一体化应用太阳能空调在平板集热器制冷采暖方面应用广泛，使用太阳能空调显著降低建筑能耗。太阳能空调按工作原理可分为两种，第一种是把光能转化为电能，再由电能驱动压缩式制冷机实现制冷；第二种则是把太阳能转化为热能，利用热能驱动制冷机进行制冷。第一种方式属于大功率太阳能发电技术，前期投资成本大，使用性能和经济性较低，因此主要使用第二种太阳能空调技术实现驱动制冷。太阳能驱动的溴化锂—水吸收式制冷机原理如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.F003图3太阳能驱动的溴化锂—水吸收式制冷机原理袁家普[21]等考虑不同地区气候条件的情况下，设计3套太阳能中央空调联合系统。Gu[22]等利用两级发生器结合热虹吸管，设计出一种新型无泵溴化锂—水太阳能吸收式制冷系统，提升系统制冷性能，COP接近0.8。李志生[23]等提出在传统太阳能吸收制冷系统的基础上增设压缩式热泵系统，研制出使太阳能集热器与热泵系统的蒸发器合为一体的新型太阳能吸收式制冷系统。研究发现，两种系统可以较好地解决传统系统运行中出现的问题。胡文举[24]等提出以综合机械性能系数评价方法，建立太阳能喷射辅助压缩式空调制冷系统的数学模型，与传统压缩制冷系统相比，太阳能喷射辅助压缩式空调制冷系统降低10%的电能消耗。3.2太阳能建筑一体化应用太阳能和建筑实现一体化的方式主要包括主动式和被动式，其中被动式建筑的安装相对简便，仅需根据建筑物朝向和周围环境，处理建筑物内部形式和结构关系，成本相对低廉。但是被动式安装容易受天气影响，稳定性较差，且舒适度得不到满足。主动式安装则相对稳定、舒适度好，但是需要安装辅助热源，成本较高。到目前为止，平板型太阳能集热器与建筑物广泛结合，并且与建筑物一体化程度逐步提高。季杰[25]等设计一栋完全依靠太阳能提供能源的示范建筑，建筑所需的电力、采暖制冷和热水等均由太阳能提供。根据数据结果得到各种太阳能技术与建筑物一体化的性能表现。梁春华[26]等通过计算得到集热器最佳倾斜角度，以最大限度接收太阳辐射，并基于维度变化，对平板型集热器和建筑物结合展开研究，分析得到每种屋顶布置集热器面积等参数。Sanjay[27]等对有无玻璃盖板的瓦式PV/T空气集热器性能进行测试。研究结果表明，无玻璃盖板的瓦式PV/T空气集热器的热能和有效能比有玻璃盖板的空气集热器分别高出27%和29.3%，同时也证明瓦式PV/T空气集热器比传统PV/T空气集热器拥有更好的性能。瓦式PV/T屋顶可以很好地与建筑物融合，增加采光面积，瓦式PV/T屋顶如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.021.F004图4瓦式PV/T屋顶民用住宅设计上，德国根据居住者对热水和采暖的需求而确定[28]，每户一般采用单独的储水箱，同时采用热交换器和辅助热源的双循环系统。一些地区虽然阳光资源不丰富，但是该系统可以满足用户全年70%的热水需求。3.3光伏光热一体化（PV/T）研究现状光伏光热一体化将光电和光热技术结合，因为太阳能电池板产生电能的同时产生大量的热量，而这些热量导致发电效率下降，利用热流体将热量带走，同时获得需要的电能和热能。光伏光热一体化技术可以增加太阳能资源利用率，降低使用成本。同时光伏光热一体化技术与建筑物结合程度高，有利于节能建筑发展。陈波[29]等对相变蓄热式PV/T集热器进行研究，使用相变材料填充集热器，同时对比保温材料填充的集热器。结果表明，使用相变材料填充的集热器明显降低组件温度，光电转化效率也得到提高。荆树春[30]等设计一种采用铝方管结构的光伏光热一体化系统。经过研究发现，铝方管PV/T系统的热效率达50%以上，水流量在6 L/h情况下，带有铝方管的PV/T集热器光伏组件温度降低16.84 ℃，发电功率相对提高11.39%。梁子伟[31]等对PV/T集热器进行优化设计，运用Fluent软件对不同结构尺寸、辐照强度和流量共计75种工况下的PV/T热性能进行数值模拟。结果表明，最佳冷却水流量为0.008 kg/s，光伏电池和集热器面积的最佳比值为D/W=0.4。4结语国内外各学者从理论分析、设计新型的空气集热器、与建筑一体化、海水淡化、建立模型等方面对平板型太阳能集热器进行较全面的研究，旨在提高太阳能的利用效率。当前平板型太阳能集热器的换热手段已经达到一定极限，平板型太阳能集热器的集热能力有限，单纯改变结构已无法达到目的。为进一步提升平板型集热器热性能，可以从材料、流体工质等角度深入研究和探索。阻碍平板型太阳能集热器在寒冷地区推广的主要原因是抗冻性能较差，而针对平板型太阳能集热器抗冻性能问题的研究相对较少。对平板型太阳能集热器的研究和发展方向总结如下：（1）考虑涂料经济性前提下，积极探索新型涂料，使吸热板具有更高的吸收率和低发射率；（2）研究和开发透光率更高，同时保温性能更好的盖板；（3）优化集热器结构，通过改善集热器生产工艺，保证集热器严密性的同时，改善集热器的热损失问题；（4）积极探索和研究具有优良性能的流体工质；（5）将太阳能光伏发电和光热发电与大规模基础发电对接，形成规模发电体系；（6）发展太阳能光伏光热一体化、太阳能双效集热器系统等互补的系统，使集热器利用率增加；（7）从建筑美学角度考虑，进一步加强太阳能与建筑物一体化的程度，减少建筑能耗。