熱管式真空管太陽集熱器

熱管式真空管太陽集熱器是利用熱管式真空集熱管來吸收太陽輻射能，以無機傳熱元件為傳熱媒體，進而加熱聯集管或水箱中水的一種過水型太陽集熱器。熱管式真空管太陽集熱器是我們現在常常套用到的一類節能設備，具有集熱效率高、得熱量大、輸出溫度高、承壓運行快、結構強度高、抗凍性強、安裝維護方便、使用中無漏水隱患、易實現和建築結合、具備較長的使用壽命等特點，可廣泛套用於各種規模和用途的太陽能集熱系統中。

基本介紹

• 中文名：熱管式真空管太陽集熱器
• 外文名：Heatpipe vacuum tube solar collector
• 關鍵部件：熱管式真空集熱管
• 主要優點：集熱效率高、維護方便、壽命長
• 主要構件：集熱、傳熱、換熱部分及框線尾架
• 套用領域：熱水系統、熱發電、海水淡化

發展及現狀

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。承壓集熱器按結構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展，太陽能熱管式集熱器以其自身的優點日益受到推崇，尤其在歐美等已開發國家更是如此。但我國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：價格較低，效率較高，加工製造較容易。國內太陽能熱管集熱器分為玻璃與金屬熔封（桑普、歐科、太陽雨）和真空管內置熱管兩種結構（力諾、博源、海爾），主要因為成本較高，在國內銷售較少。國外已開發國家，太陽能熱管式集熱器套用較多。 Apricus公司的直插式太陽能熱管集熱器生產規模較大，主要出口歐洲、澳大利亞、美國等地區，且現正籌建新的生產基地。從以上可以看出大力發展太陽能熱管和太陽能熱管式集熱器的必要性。

國內對熱管式真空集熱管及其太陽集熱器的研究始於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試方法，利用一套專門設計的“測量塊”，可以通過測定傳導熱阻兩端的較大溫差而獲得集熱管的輸出功率，提高了測量精度。他們還在傳熱分析的基礎上，提出了熱管真空管型太陽集熱器的總熱損係數、效率因子和熱轉移因子的計算方法，通過試驗測定了單根熱管式真空管及集熱器的瞬時效率曲線，與理論計算值符合較好。南京工業大學徐吉富，朱躍釗等人針對熱管式真空集熱管的結構進行了分析，假定了合理的邊界條件，建立了二維數學模型。並利用FLUENT軟體模擬管內熱量傳遞過程，揭示分析了其溫度場和流場的分布規律和影響因素；模擬以水、導熱油、空氣三種介質為例，空氣的溫升速度最快，其次是導熱油和水；證明了導熱油的引入是熱管式真空集熱管未來發展的一個方向；由熱損失分析發現，90%以上的系統熱損失都集中在塗層上，因而選擇吸收率更高、反射率低的塗層材料是提高集熱效率的一個重要發展方向；他們還將改進的導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，結果表明隨著集熱器聚光比和太陽光照強度的增加，集熱效率和火用效率先是急劇增加，然後逐漸趨於平緩；隨著的集熱流體溫度的增加，集熱效率逐漸降低，聚光比和光照強度越大，降低的程度越緩慢。

此外，瀋陽農業大學趙冰與中科院王志峰等，青海大學嚴軍，內蒙古工業大學閆素英．田瑞等人也分別從理論和實際套用方面對熱管式真空管太陽集熱器進行了研究。

基本原理

熱管式真空管太陽集熱器原理圖

熱管式真空管太陽集熱器原理圖

熱管式真空管太陽集熱器通常由熱管式真空集熱管、聯集管、導熱塊、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換為熱能，導熱塊的作用是使熱管冷凝段的熱量迅速有效地傳遞到聯集管里的傳熱工質中。為了使集熱器經受長時間高溫烘烤，達到理想的使用效果，採用矽酸棉與聚氨脂複合保溫、整體發泡的方式製作保溫材料，用來填充保溫盒，能有效地控制運行過程中的熱量損失。保溫盒以鋁合金為主要材料，採用表面噴塑的結構。

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，照射在集熱管內管的選擇性吸收膜上，膜層將太陽光能轉化為熱能，熱能量通過鋁翼傳至內置熱管上，迅速將熱管蒸發段內的工質加熱汽化，汽化工質上升至熱管冷凝段，從而使冷凝段快速升溫，並通過冷凝套管將能量傳導、匯集至通過流道管的介質（水、乙二醇等）中。熱管工質放出汽化潛熱後，冷凝成液體，在重力作用下流回熱管蒸發段，接受集熱管的熱量後，再次上升汽化，再次冷凝回流，循環往復工作。熱管式集熱器通過熱管內工質的汽—液相變循環過程，連續不斷的吸收太陽輻射能為系統提供熱能。

技術要求

熱管式真空管太陽集熱器的關鍵部件是熱管式真空集熱管，根據國標GB/T 19775—2005《玻璃一金屬封接式熱管真空太陽集熱管》的規定，現將熱管式真空集熱管的主要技術要求歸納如下：

（1）玻璃管太陽透射比大於等於0.89（AM1.5），玻璃管應力的雙折射光程差小於等於120nm/cm。

（2）熱管啟動溫度應不大於30℃；在熱源溫度為30℃±0.5℃的狀況下，熱管冷凝段溫度T應不小於23℃；熱管在零下25℃的環境中應無凍損現象。

（3）吸熱板塗層太陽吸收比大於等於0．86（AM1.5）；紅外發射率小於等於0.10。

（4）金屬與玻璃管封接處的漏率Q應小於1.0×10Pa·m/s。

（5）真空集熱管內的氣體壓強小於等於0.05Pa。

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

（7）抗機械衝擊：集熱管應能承受直徑為30mm的實心鋼球從不低於0．5m的高處自由落下垂直撞擊集熱管中部而無損壞。

套用領域

太陽能熱水系統

由熱管真空管型太陽集熱器構成的太陽能熱水系統，是熱管式真空管及其太陽集熱器在實際套用中推廣最為廣泛的。在實際工程套用中，可以根據不同的氣候條件、系統用途和用戶要求，綜合考慮集熱器的陣列組合、熱量的儲存、系統的防凍、輔助能源的選擇．組成不同的太陽能熱水系統，比如太陽能中央熱水系統、太陽能供熱供暖系統、太陽能游泳池熱水系統，可廣泛用於民用住宅、賓館、飯店、學校、部隊、工廠、醫院等生活社會場所，還可以用於工業生產作業熱水、開水預熱等。熱管真空管型太陽能熱水系統也可以分為直接循環和間接循環兩種，兩者相比，直接循環系統只能以單一方式提供熱水，系統簡單，而間接循環系統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熱水等，具有承壓性，系統稍顯複雜。

太陽能熱發電

在已經建成的槽式聚光太陽能熱發電站中，接收器一般採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勢。在直接用水作吸熱介質的單迴路槽式聚光太陽能熱發電系統中，採用熱管式真空集熱管可有效解決承壓問題。它還相當於“二次換熱”，換熱介質只與熱管冷凝段發生換熱，熱管啟動快、相變傳熱的方式使其具有高效率。

太陽能製冷與空調

太陽能製冷與空調系統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，這種系統與太陽能熱水系統相似。熱管真空管型太陽集熱器陣列承壓能力強、流動阻力小，是一種適合大規模工程化的集熱器。將熱管真空管型太陽集熱器、熱泵和空調結合在一起使用可以同時滿足冬季供暖和夏季製冷兩種要求，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，寒冷天氣和陰雨天熱量不足的缺點，能夠進一步提高整個系統的性能。對於雙效和三效溴化鋰一水吸收式製冷系統，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熱源，採用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製冷驅動熱源的要求，其所選工質的解析溫度一般不高於100℃，所以悶曬或者聚光形式均可達到要求。

太陽能海水淡化

將太陽能與膜蒸餾技術相結合進行淡化水處理，是太陽能熱利用的一個重要領域。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提供熱水，實現海水、苦鹹水的淡化。傳統的太陽能海水淡化所需要的供熱溫度在70℃～100℃，可以和太陽能製冷系統相結合，傳熱介質先流經太陽能製冷系統，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。

改進套用

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。它綜合運用了聚光技術、真空技術和熱管技術，具有熱損小、熱容量小、熱二極體性及工作範圍寬等優點。CPC是一種根據邊緣光線原理設計的非成像低聚焦度複合拋物面聚光器，可將給定接收角範圍內的入射光線按理想的聚光比收集到接收器上。由於它的接收角較大，運行時不要求連續跟蹤太陽，只須定期調整傾角就可以有效地工作。CPC結構簡單，工作溫度高，對聚光面加工精度要求不高，將其套用在熱管真空管型太陽集熱器上，是一個值得研究的方向。

CPC型熱管真空管太陽集熱器可分為內聚光和外聚光兩種形式。內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塗層，接收會聚光線；接收器和聚光器均固定封裝在抽成真空的玻璃管內；內聚光熱管式真空集熱管的外形和常規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。外聚光式集熱器結構簡單，以不同類型的外聚光反射器為聚光器，以常規的熱管式真空集熱管為接收器；試驗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上降低了成本，內聚光式集熱器提高了系統的工作溫度，可見CPC技術與熱管式真空集熱管的結合，使太陽集熱器產品的技術含量有了很大的提升。