[科普中國(guó)]-熱管式真空管太陽集熱器

發(fā)展及現(xiàn)狀

真空管型太陽能集熱器是太陽能熱利用的基本形式之一，按承壓能力可分為非承壓集熱器和承壓集熱器。承壓集熱器按結(jié)構(gòu)形式又可分為熱管集熱器和U型管集熱器。縱觀太陽能集熱器的發(fā)展，太陽能熱管式集熱器以其自身的優(yōu)點(diǎn)日益受到推崇，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家更是如此。但我國(guó)的太陽能集熱器使用多以U型管為主，約占太陽能真空管集熱器總量的70%～80%。主要原因是：價(jià)格較低，效率較高，加工制造較容易2。國(guó)內(nèi)太陽能熱管集熱器分為玻璃與金屬熔封（桑普、歐科、太陽雨）和真空管內(nèi)置熱管兩種結(jié)構(gòu)（力諾、博源、海爾），主要因?yàn)槌杀据^高，在國(guó)內(nèi)銷售較少。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，太陽能熱管式集熱器應(yīng)用較多。 Apricus公司的直插式太陽能熱管集熱器生產(chǎn)規(guī)模較大，主要出口歐洲、澳大利亞、美國(guó)等地區(qū)，且現(xiàn)正籌建新的生產(chǎn)基地。從以上可以看出大力發(fā)展太陽能熱管和太陽能熱管式集熱器的必要性。

國(guó)內(nèi)對(duì)熱管式真空集熱管及其太陽集熱器的研究始于1986年，由北京太陽能研究所所開展。北京太陽能研究所何梓年等人在早期研究了熱管式真空集熱管的熱性能測(cè)試方法，利用一套專門設(shè)計(jì)的“測(cè)量塊”，可以通過測(cè)定傳導(dǎo)熱阻兩端的較大溫差而獲得集熱管的輸出功率，提高了測(cè)量精度。他們還在傳熱分析的基礎(chǔ)上，提出了熱管真空管型太陽集熱器的總熱損系數(shù)、效率因子和熱轉(zhuǎn)移因子的計(jì)算方法，通過試驗(yàn)測(cè)定了單根熱管式真空管及集熱器的瞬時(shí)效率曲線，與理論計(jì)算值符合較好。南京工業(yè)大學(xué)徐吉富，朱躍釗等人針對(duì)熱管式真空集熱管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，假定了合理的邊界條件，建立了二維數(shù)學(xué)模型。并利用FLUENT軟件模擬管內(nèi)熱量傳遞過程，揭示分析了其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布規(guī)律和影響因素；模擬以水、導(dǎo)熱油、空氣三種介質(zhì)為例，空氣的溫升速度最快，其次是導(dǎo)熱油和水；證明了導(dǎo)熱油的引入是熱管式真空集熱管未來發(fā)展的一個(gè)方向；由熱損失分析發(fā)現(xiàn)，90%以上的系統(tǒng)熱損失都集中在涂層上，因而選擇吸收率更高、反射率低的涂層材料是提高集熱效率的一個(gè)重要發(fā)展方向；他們還將改進(jìn)的導(dǎo)熱油型熱管式真空集熱管制作出單軸跟蹤槽式聚光太陽集熱器，分析了其熱效率和火用效率，結(jié)果表明隨著集熱器聚光比和太陽光照強(qiáng)度的增加，集熱效率和火用效率先是急劇增加，然后逐漸趨于平緩；隨著的集熱流體溫度的增加，集熱效率逐漸降低，聚光比和光照強(qiáng)度越大，降低的程度越緩慢34。

此外，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)趙冰與中科院王志峰等，青海大學(xué)嚴(yán)軍，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)閆素英．田瑞等人也分別從理論和實(shí)際應(yīng)用方面對(duì)熱管式真空管太陽集熱器進(jìn)行了研究5。

基本原理

熱管式真空管太陽集熱器通常由熱管式真空集熱管、聯(lián)集管、導(dǎo)熱塊、隔熱材料、保溫盒、套管、支架等幾部分組成。其中，熱管式集熱管作用是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，導(dǎo)熱塊的作用是使熱管冷凝段的熱量迅速有效地傳遞到聯(lián)集管里的傳熱工質(zhì)中。為了使集熱器經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤，達(dá)到理想的使用效果，采用硅酸棉與聚氨脂復(fù)合保溫、整體發(fā)泡的方式制作保溫材料，用來填充保溫盒，能有效地控制運(yùn)行過程中的熱量損失。保溫盒以鋁合金為主要材料，采用表面噴塑的結(jié)構(gòu)6。

熱管式真空管太陽集熱器的基本工作原理為：太陽光透過集熱管，照射在集熱管內(nèi)管的選擇性吸收膜上，膜層將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能量通過鋁翼傳至內(nèi)置熱管上，迅速將熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)加熱汽化，汽化工質(zhì)上升至熱管冷凝段，從而使冷凝段快速升溫，并通過冷凝套管將能量傳導(dǎo)、匯集至通過流道管的介質(zhì)（水、乙二醇等）中。熱管工質(zhì)放出汽化潛熱后，冷凝成液體，在重力作用下流回?zé)峁苷舭l(fā)段，接受集熱管的熱量后，再次上升汽化，再次冷凝回流，循環(huán)往復(fù)工作。熱管式集熱器通過熱管內(nèi)工質(zhì)的汽—液相變循環(huán)過程，連續(xù)不斷的吸收太陽輻射能為系統(tǒng)提供熱能1。

技術(shù)要求熱管式真空管太陽集熱器的關(guān)鍵部件是熱管式真空集熱管，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19775—2005《玻璃一金屬封接式熱管真空太陽集熱管》的規(guī)定，現(xiàn)將熱管式真空集熱管的主要技術(shù)要求歸納如下：

（1）玻璃管太陽透射比大于等于0.89（AM1.5），玻璃管應(yīng)力的雙折射光程差小于等于120nm/cm。

（2）熱管啟動(dòng)溫度應(yīng)不大于30℃；在熱源溫度為30℃±0.5℃的狀況下，熱管冷凝段溫度T應(yīng)不小于23℃；熱管在零下25℃的環(huán)境中應(yīng)無凍損現(xiàn)象。

（3）吸熱板涂層太陽吸收比大于等于0．86（AM1.5）；紅外發(fā)射率小于等于0.10。

（4）金屬與玻璃管封接處的漏率Q應(yīng)小于1.0×10Pa·m/s。

（5）真空集熱管內(nèi)的氣體壓強(qiáng)小于等于0.05Pa。

（6）集熱管的空曬性能參數(shù)Y=(ts-ta)/G≥195m2·℃/kW（當(dāng)太陽輻照度G≥800W/m2，環(huán)境溫度0℃≤ta≤30℃時(shí)）。

（7）抗機(jī)械沖擊：集熱管應(yīng)能承受直徑為30mm的實(shí)心鋼球從不低于0．5m的高處自由落下垂直撞擊集熱管中部而無損壞。

應(yīng)用領(lǐng)域太陽能熱水系統(tǒng)由熱管真空管型太陽集熱器構(gòu)成的太陽能熱水系統(tǒng)，是熱管式真空管及其太陽集熱器在實(shí)際應(yīng)用中推廣最為廣泛的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的氣候條件、系統(tǒng)用途和用戶要求，綜合考慮集熱器的陣列組合、熱量的儲(chǔ)存、系統(tǒng)的防凍、輔助能源的選擇．組成不同的太陽能熱水系統(tǒng)，比如太陽能中央熱水系統(tǒng)、太陽能供熱供暖系統(tǒng)、太陽能游泳池?zé)崴到y(tǒng)，可廣泛用于民用住宅、賓館、飯店、學(xué)校、部隊(duì)、工廠、醫(yī)院等生活社會(huì)場(chǎng)所，還可以用于工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)熱水、開水預(yù)熱等。熱管真空管型太陽能熱水系統(tǒng)也可以分為直接循環(huán)和間接循環(huán)兩種，兩者相比，直接循環(huán)系統(tǒng)只能以單一方式提供熱水，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而間接循環(huán)系統(tǒng)則可以提供不同溫度的熱源以及提供不同用途的生活和工業(yè)熱水等，具有承壓性，系統(tǒng)稍顯復(fù)雜78。

太陽能熱發(fā)電在已經(jīng)建成的槽式聚光太陽能熱發(fā)電站中，接收器一般采用直通式全玻璃真空集熱管，與其相比，熱管式真空集熱管在承壓能力方面有一定優(yōu)勢(shì)。在直接用水作吸熱介質(zhì)的單回路槽式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，采用熱管式真空集熱管可有效解決承壓?jiǎn)栴}。它還相當(dāng)于“二次換熱”，換熱介質(zhì)只與熱管冷凝段發(fā)生換熱，熱管啟動(dòng)快、相變傳熱的方式使其具有高效率910。

太陽能制冷與空調(diào)太陽能制冷與空調(diào)系統(tǒng)需要較大的太陽集熱面積和較高的熱源，因此需要合理布置太陽集熱器陣列，這種系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)相似。熱管真空管型太陽集熱器陣列承壓能力強(qiáng)、流動(dòng)阻力小，是一種適合大規(guī)模工程化的集熱器。將熱管真空管型太陽集熱器、熱泵和空調(diào)結(jié)合在一起使用可以同時(shí)滿足冬季供暖和夏季制冷兩種要求，還可以滿足日常生活用熱水的需要，克服了單純利用太陽能供暖時(shí)，寒冷天氣和陰雨天熱量不足的缺點(diǎn)，能夠進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。對(duì)于雙效和三效溴化鋰一水吸收式制冷系統(tǒng)，它們需要150℃以上的高溫水，可通過熱管真空管型太陽集熱器來獲取高溫?zé)嵩?，采用CPC聚光的方式效果更佳。另外，熱管真空管型太陽集熱器也可以滿足太陽能固體吸附式制冷驅(qū)動(dòng)熱源的要求，其所選工質(zhì)的解析溫度一般不高于100℃，所以悶曬或者聚光形式均可達(dá)到要求11。

太陽能海水淡化將太陽能與膜蒸餾技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行淡化水處理，是太陽能熱利用的一個(gè)重要領(lǐng)域。熱管真空管型太陽集熱器可以提供較高的溫度，能為膜蒸餾熱端加熱系統(tǒng)提供熱水，實(shí)現(xiàn)海水、苦咸水的淡化。傳統(tǒng)的太陽能海水淡化所需要的供熱溫度在70℃～100℃，可以和太陽能制冷系統(tǒng)相結(jié)合，傳熱介質(zhì)先流經(jīng)太陽能制冷系統(tǒng)，再為太陽能海水淡化提供熱源，提高了太陽能熱利用的效率1。

改進(jìn)應(yīng)用CPC(Compound Parabolic Concentrator)型熱管式真空管太陽集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置。它綜合運(yùn)用了聚光技術(shù)、真空技術(shù)和熱管技術(shù)，具有熱損小、熱容量小、熱二極管性及工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。CPC是一種根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的非成像低聚焦度復(fù)合拋物面聚光器，可將給定接收角范圍內(nèi)的入射光線按理想的聚光比收集到接收器上。由于它的接收角較大，運(yùn)行時(shí)不要求連續(xù)跟蹤太陽，只須定期調(diào)整傾角就可以有效地工作。CPC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作溫度高，對(duì)聚光面加工精度要求不高，將其應(yīng)用在熱管真空管型太陽集熱器上，是一個(gè)值得研究的方向。

CPC型熱管真空管太陽集熱器可分為內(nèi)聚光和外聚光兩種形式。內(nèi)聚光式集熱器以熱管作為CPC的接收器，其外表面鍍有選擇性吸收涂層，接收會(huì)聚光線；接收器和聚光器均固定封裝在抽成真空的玻璃管內(nèi)；內(nèi)聚光熱管式真空集熱管的外形和常規(guī)全玻璃真空集熱管相同，工作溫度卻比普通熱管式真空集熱管和全玻璃真空集熱管有很大提高。外聚光式集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以不同類型的外聚光反射器為聚光器，以常規(guī)的熱管式真空集熱管為接收器；試驗(yàn)證明此種集熱器的集熱效率大幅度提高。外聚光式集熱器在提高了集熱效率的基礎(chǔ)上降低了成本，內(nèi)聚光式集熱器提高了系統(tǒng)的工作溫度，可見CPC技術(shù)與熱管式真空集熱管的結(jié)合，使太陽集熱器產(chǎn)品的技術(shù)含量有了很大的提升1213。