[科普中国]-热管式真空管太阳集热器

发展及现状

真空管型太阳能集热器是太阳能热利用的基本形式之一，按承压能力可分为非承压集热器和承压集热器。承压集热器按结构形式又可分为热管集热器和U型管集热器。纵观太阳能集热器的发展，太阳能热管式集热器以其自身的优点日益受到推崇，尤其在欧美等发达国家更是如此。但我国的太阳能集热器使用多以U型管为主，约占太阳能真空管集热器总量的70%～80%。主要原因是：价格较低，效率较高，加工制造较容易2。国内太阳能热管集热器分为玻璃与金属熔封（桑普、欧科、太阳雨）和真空管内置热管两种结构（力诺、博源、海尔），主要因为成本较高，在国内销售较少。国外发达国家，太阳能热管式集热器应用较多。 Apricus公司的直插式太阳能热管集热器生产规模较大，主要出口欧洲、澳大利亚、美国等地区，且现正筹建新的生产基地。从以上可以看出大力发展太阳能热管和太阳能热管式集热器的必要性。

国内对热管式真空集热管及其太阳集热器的研究始于1986年，由北京太阳能研究所所开展。北京太阳能研究所何梓年等人在早期研究了热管式真空集热管的热性能测试方法，利用一套专门设计的“测量块”，可以通过测定传导热阻两端的较大温差而获得集热管的输出功率，提高了测量精度。他们还在传热分析的基础上，提出了热管真空管型太阳集热器的总热损系数、效率因子和热转移因子的计算方法，通过试验测定了单根热管式真空管及集热器的瞬时效率曲线，与理论计算值符合较好。南京工业大学徐吉富，朱跃钊等人针对热管式真空集热管的结构进行了分析，假定了合理的边界条件，建立了二维数学模型。并利用FLUENT软件模拟管内热量传递过程，揭示分析了其温度场和流场的分布规律和影响因素；模拟以水、导热油、空气三种介质为例，空气的温升速度最快，其次是导热油和水；证明了导热油的引入是热管式真空集热管未来发展的一个方向；由热损失分析发现，90%以上的系统热损失都集中在涂层上，因而选择吸收率更高、反射率低的涂层材料是提高集热效率的一个重要发展方向；他们还将改进的导热油型热管式真空集热管制作出单轴跟踪槽式聚光太阳集热器，分析了其热效率和火用效率，结果表明随着集热器聚光比和太阳光照强度的增加，集热效率和火用效率先是急剧增加，然后逐渐趋于平缓；随着的集热流体温度的增加，集热效率逐渐降低，聚光比和光照强度越大，降低的程度越缓慢34。

此外，沈阳农业大学赵冰与中科院王志峰等，青海大学严军，内蒙古工业大学闫素英．田瑞等人也分别从理论和实际应用方面对热管式真空管太阳集热器进行了研究5。

基本原理

热管式真空管太阳集热器通常由热管式真空集热管、联集管、导热块、隔热材料、保温盒、套管、支架等几部分组成。其中，热管式集热管作用是将太阳辐射能转换为热能，导热块的作用是使热管冷凝段的热量迅速有效地传递到联集管里的传热工质中。为了使集热器经受长时间高温烘烤，达到理想的使用效果，采用硅酸棉与聚氨脂复合保温、整体发泡的方式制作保温材料，用来填充保温盒，能有效地控制运行过程中的热量损失。保温盒以铝合金为主要材料，采用表面喷塑的结构6。

热管式真空管太阳集热器的基本工作原理为：太阳光透过集热管，照射在集热管内管的选择性吸收膜上，膜层将太阳光能转化为热能，热能量通过铝翼传至内置热管上，迅速将热管蒸发段内的工质加热汽化，汽化工质上升至热管冷凝段，从而使冷凝段快速升温，并通过冷凝套管将能量传导、汇集至通过流道管的介质（水、乙二醇等）中。热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段，接受集热管的热量后，再次上升汽化，再次冷凝回流，循环往复工作。热管式集热器通过热管内工质的汽—液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为系统提供热能1。

技术要求热管式真空管太阳集热器的关键部件是热管式真空集热管，根据国标GB/T 19775—2005《玻璃一金属封接式热管真空太阳集热管》的规定，现将热管式真空集热管的主要技术要求归纳如下：

（1）玻璃管太阳透射比大于等于0.89（AM1.5），玻璃管应力的双折射光程差小于等于120nm/cm。

（2）热管启动温度应不大于30℃；在热源温度为30℃±0.5℃的状况下，热管冷凝段温度T应不小于23℃；热管在零下25℃的环境中应无冻损现象。

（3）吸热板涂层太阳吸收比大于等于0．86（AM1.5）；红外发射率小于等于0.10。

（4）金属与玻璃管封接处的漏率Q应小于1.0×10Pa·m/s。

（5）真空集热管内的气体压强小于等于0.05Pa。

（6）集热管的空晒性能参数Y=(ts-ta)/G≥195m2·℃/kW（当太阳辐照度G≥800W/m2，环境温度0℃≤ta≤30℃时）。

（7）抗机械冲击：集热管应能承受直径为30mm的实心钢球从不低于0．5m的高处自由落下垂直撞击集热管中部而无损坏。

应用领域太阳能热水系统由热管真空管型太阳集热器构成的太阳能热水系统，是热管式真空管及其太阳集热器在实际应用中推广最为广泛的。在实际工程应用中，可以根据不同的气候条件、系统用途和用户要求，综合考虑集热器的阵列组合、热量的储存、系统的防冻、辅助能源的选择．组成不同的太阳能热水系统，比如太阳能中央热水系统、太阳能供热供暖系统、太阳能游泳池热水系统，可广泛用于民用住宅、宾馆、饭店、学校、部队、工厂、医院等生活社会场所，还可以用于工业生产作业热水、开水预热等。热管真空管型太阳能热水系统也可以分为直接循环和间接循环两种，两者相比，直接循环系统只能以单一方式提供热水，系统简单，而间接循环系统则可以提供不同温度的热源以及提供不同用途的生活和工业热水等，具有承压性，系统稍显复杂78。

太阳能热发电在已经建成的槽式聚光太阳能热发电站中，接收器一般采用直通式全玻璃真空集热管，与其相比，热管式真空集热管在承压能力方面有一定优势。在直接用水作吸热介质的单回路槽式聚光太阳能热发电系统中，采用热管式真空集热管可有效解决承压问题。它还相当于“二次换热”，换热介质只与热管冷凝段发生换热，热管启动快、相变传热的方式使其具有高效率910。

太阳能制冷与空调太阳能制冷与空调系统需要较大的太阳集热面积和较高的热源，因此需要合理布置太阳集热器阵列，这种系统与太阳能热水系统相似。热管真空管型太阳集热器阵列承压能力强、流动阻力小，是一种适合大规模工程化的集热器。将热管真空管型太阳集热器、热泵和空调结合在一起使用可以同时满足冬季供暖和夏季制冷两种要求，还可以满足日常生活用热水的需要，克服了单纯利用太阳能供暖时，寒冷天气和阴雨天热量不足的缺点，能够进一步提高整个系统的性能。对于双效和三效溴化锂一水吸收式制冷系统，它们需要150℃以上的高温水，可通过热管真空管型太阳集热器来获取高温热源，采用CPC聚光的方式效果更佳。另外，热管真空管型太阳集热器也可以满足太阳能固体吸附式制冷驱动热源的要求，其所选工质的解析温度一般不高于100℃，所以闷晒或者聚光形式均可达到要求11。

太阳能海水淡化将太阳能与膜蒸馏技术相结合进行淡化水处理，是太阳能热利用的一个重要领域。热管真空管型太阳集热器可以提供较高的温度，能为膜蒸馏热端加热系统提供热水，实现海水、苦咸水的淡化。传统的太阳能海水淡化所需要的供热温度在70℃～100℃，可以和太阳能制冷系统相结合，传热介质先流经太阳能制冷系统，再为太阳能海水淡化提供热源，提高了太阳能热利用的效率1。

改进应用CPC(Compound Parabolic Concentrator)型热管式真空管太阳集热器是一种新型的太阳能集热装置。它综合运用了聚光技术、真空技术和热管技术，具有热损小、热容量小、热二极管性及工作范围宽等优点。CPC是一种根据边缘光线原理设计的非成像低聚焦度复合抛物面聚光器，可将给定接收角范围内的入射光线按理想的聚光比收集到接收器上。由于它的接收角较大，运行时不要求连续跟踪太阳，只须定期调整倾角就可以有效地工作。CPC结构简单，工作温度高，对聚光面加工精度要求不高，将其应用在热管真空管型太阳集热器上，是一个值得研究的方向。

CPC型热管真空管太阳集热器可分为内聚光和外聚光两种形式。内聚光式集热器以热管作为CPC的接收器，其外表面镀有选择性吸收涂层，接收会聚光线；接收器和聚光器均固定封装在抽成真空的玻璃管内；内聚光热管式真空集热管的外形和常规全玻璃真空集热管相同，工作温度却比普通热管式真空集热管和全玻璃真空集热管有很大提高。外聚光式集热器结构简单，以不同类型的外聚光反射器为聚光器，以常规的热管式真空集热管为接收器；试验证明此种集热器的集热效率大幅度提高。外聚光式集热器在提高了集热效率的基础上降低了成本，内聚光式集热器提高了系统的工作温度，可见CPC技术与热管式真空集热管的结合，使太阳集热器产品的技术含量有了很大的提升1213。