真空管太陽能集熱器

真空管集熱器就是將吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。用真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。 真空管型太陽能集熱器是太陽能熱利用的基本形式之一。真空管型太陽能熱管集熱器主要包括集熱部分、傳熱部分、換熱部分和框線尾架部分。集熱部分主要包括真空管、翅片（加強集熱能力，又叫鋁翼）及防止真空管口散熱的隔熱塞。可分為玻璃吸熱體真空管和金屬吸熱體真空管。

基本介紹

• 中文名：真空管太陽能集熱器
• 外文名：solar vacuum tubular collector
• 全稱：全玻璃真空太陽能集熱管
• 分類：玻璃吸熱體、金屬吸熱體

發展歷程

真空管集熱器就是將吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。用真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。真空管型太陽能集熱器是太陽能熱利用的基本形式之一。

1930年G.C.Abbot做出了真空太陽集熱管。

20世紀80年代初期，美籍華人貝律昆先生送給我國幾隻全玻璃真空太陽集熱管樣品。不久，我國研製成功全玻璃真空管集熱器，並參加了1982年在美國舉辦的世界能源博覽會。

1997年，全國銷量約4000000支。

現在國內的真空管太陽熱水器生產和套用的規模居世界首位。

平板式太陽能在70年代就已經發明和套用，自從80年代發明真空管太陽能後，在整個業界平板式太陽能就慢慢退出市場現在在我國只占不到5%的份額，太陽能熱水器也經歷了60年代的燜曬式太陽能，平板式太陽能，真空管式太陽能，真空熱管式太陽能的發展歷程，現在真空管已經發展到了三高真空管，真空熱管真空管。

目前，真空管太陽能在全國範圍內占主流，是太陽能熱水的發展方向。

結構

真空管主要由內管、外管（也稱罩玻璃管）、卡子、吸氣劑、真空夾層、選擇性吸收塗層、吸氣膜組成。內、　外管的材料是高硼矽3.3，屬於儀器級玻璃。真空管的真空度、吸收率、反射比及吸收膜層的質量直接影響集熱效果。

真空管型太陽能熱管集熱器主要包括集熱部分、傳熱部分、換熱部分和框線尾架部分。集熱部分主要包括真空管、翅片（加強集熱能力，又叫鋁翼）及防止真空管口散熱的隔熱塞。

翅片置於真空管內管腔中的，主要作用是加強管腔內的熱量向熱管的傳導，一般是鋁合金材質。值得注意的是翅片與熱管配合的圓槽精度要高，而且要做成收口的，否則熱管容易從圓槽脫出。

隔熱塞就象暖瓶塞，防止真空管內的熱量散失。其上留有很小的排氣孔，以防止管內空氣高溫膨脹壓強增加脹破真空管。其製作材質有軟木、木屑壓制、矽膠、矽膠與不鏽鋼組合等。

傳熱部分一般是指重力熱管，其基本特性是：很高的導熱性；優良的等溫性；熱流密度可變性；熱流方向的可逆性；恆溫特性（可控熱管）；環境的適應性。

原理與特點

幾種真空管太陽能集熱器：真空管集熱器；三高真空管集熱器；真空熱管集熱器共三種。

真空管太陽能工作原理：採用內管的吸熱塗層對太陽光吸收，加熱內管里的水，在與水箱或連箱進行交換，提高水溫。作為一種集熱板它在吸熱的同時也會進行散熱，而熱量的傳遞只有三種方式：輻射，傳導，對流。真空管太陽能的三種散熱傳熱方式均很小，內管的水銀塗層防止熱量輻射；內外管中間的真空層防止熱量傳導；至於熱量的對流散發對真空管太陽能而言，幾乎為零。熱效率達93.5%比平板太陽能提高50-80%。

真空管太陽能的使用壽命：由於它的材料是高硼矽玻璃，而內外塗層在真空的環境裡不受氧化，在不受外力的情況下壽命超20年以上。

真空管太陽能管優點：

抗凍能力強：在南極都有優良表現，採用抗凍型熱管，即使在－50℃的嚴寒條件下也不會凍裂；

熱效率高：熱效率達93%，系統熱效率可達46%，斯諾寶真空管太陽能技術系統熱效率可達75%，以致可以直接生產開水；

啟動快：熱管的熱容量大，在陽光下幾分鐘後即可輸出熱量，而且在多雲間晴的天氣，比其他熱水器能產生更多的熱水；

不結垢：由於水不直接流經真空管內，避免了因結水垢而引起的水道堵塞問題；

保溫好：熱管具有單向傳熱的特點，使熱水在夜間不會沿熱管向下散熱到周圍環境；

承壓高：由於玻璃管內不盛水，連線成集熱器後可隨自來水和循環泵的壓力，因而在大中型熱水系統套用中獨具優勢；

耐熱衝擊性好：即使用戶偶然誤操作，陽光下空曬後的熱水器內立即注入冷水，真空管也不會炸裂；

安裝簡便，運行可靠：集熱器內的真空管與集熱器間是“乾性連線”，無熱水泄漏問題，安裝方便，即使有一根熱管出現問題，在維修過程中也不會影響整個系統的正常使用。

分類

真空管按吸熱體材料種類，可分為兩類：一類是玻璃吸熱體真空管（或稱為全玻璃真空管），一類是金屬吸熱體真空管（或稱為玻璃－金屬真空管）。

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。

全玻璃真空管

基本結構

全玻璃真空管由外玻璃管、內玻璃管、選擇性吸收塗層、彈簧支架、消氣劑等部件組成，其形狀如一隻細長的暖水瓶膽。

全玻璃真空管的一端開口，將內玻璃管和外玻璃管的管口進行環狀熔封；另一端分別封閉成半球形圓頭，內玻璃管用彈簧支架支撐於外玻璃管上，以緩衝熱脹冷縮引起的應力。在內玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘結一隻金屬保護帽，以保護抽真空後封閉的排氣咀。內玻璃管的外表面塗有選擇性吸收塗層。彈簧支架上裝有消氣劑，它在蒸散以後用於吸收真空集熱管運行時產生的氣體，起保持管內真空度的作用。

全玻璃真空管集熱器：若干支真空管按照一定規則排列成的真空管陣列與聯集管（或稱為聯箱）、尾托架和反射器等部件一起組成一台真空管集熱器。全玻璃真空管集熱器的聯箱一般有圓形和方形兩種，多採用不鏽鋼板製作，集熱器配管接頭焊接在聯箱的兩端。聯箱的一面或兩面按設計的真空管間距開孔，真空管的開口端直接插入聯箱內，真空管與聯箱之間通過矽橡膠密封圈進行密封。為了提高真空管集熱器的性能，一些廠家的產品在真空管陣列的背面增設了反射板，其中多為平面漫反射板，一般採用鋁板或塗白漆的平板製成。因為反射板長期暴露在空氣中，容易積聚灰塵和污垢，需要經常清理，否則反射效果會受到影響，並且反射板增大了集熱器的風阻，影響集熱器安裝的穩定性，所以，風沙比較大的地區不宜安裝帶反射板的集熱器。

按照真空管的安裝走向的不同，全玻璃真空管集熱器可分為豎直排列（南北向）和水平排列（東西向）兩種排列形式，其中水平排列又有水平單排和水平雙排兩種形式。

性能特點

用全玻璃真空管集熱器與平板集熱器作比較可以看出：

全玻璃真空管的外管相當於平板集熱器的透明玻璃蓋板和外殼；內管和附著在內管外表面的選擇性吸收塗層相當於平板集熱器的吸熱體；內外管之間的真空夾層相當於平板集熱器的隔熱材料（保溫層）。進一步比較會發現：以國家標準《全玻璃真空太陽集熱管》（GB/T17049—1997）為依據生產的全玻璃真空管具有更為優良的性能。例如：玻璃管材採用硼矽玻璃3.3製造，太陽透射比高達0.89。圓柱形吸熱面使其在一天中接受的垂直光照較平面更多。採用磁控濺射工藝形成的鋁—氮—鋁塗層的太陽吸收率0.86以上，發射率小於或等於0.09；悶曬曝輻量達3.8MJ/m2；平均熱損係數僅為0.90W/m2.℃；真空夾層的氣體壓強為5×10-2Pa。上述指標保證了全玻璃真空管集熱器較高的吸熱性能，有效的避免了平板集熱器的傳導和對流熱損失，並且提高了集熱器的抗低溫能力，同時，還具有較高的抗冰雹（擊打）能力。

通過上述比較可見，真空管集熱器具有結構簡單、性能優良、生產工藝先進可靠、特別適合於打批量規模化生產的特點。

熱管式真空管

基本結構

熱管式真空管集熱器是金屬—玻璃真空集熱器的一種主要形式，如今國內已有多家企業涉足該項技術。熱管式真空管集熱器主要有熱管式真空管與聯集管、保溫盒、支架等部分一起組成。是金屬吸熱體真空管的一種，它由熱管、吸熱體、玻璃管和金屬端蓋等主要部件組成。

熱管式真空管由熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、消氣劑等組成。在熱管式真空管工作時，表面鍍有選擇性吸收塗層的金屬吸熱板吸收太陽輻射能並將其轉化為熱能，傳導給與吸熱板焊接在一起的熱管，使熱管蒸發段內的少量工質迅速汽化，被汽化的工質上升到熱管冷凝段，釋放出蒸發潛熱使冷凝段快速升溫，從而將熱量傳遞給集熱系統工質。熱管工質放出汽化潛熱後，迅速冷凝成液體，在重力作用下流回熱管蒸發段。通過熱管內不斷重複的汽—液相變循環過程，快速高效的將太陽熱能源源不斷的輸出。

熱管式真空管集熱器由真空集熱管、導熱塊（或導熱套管）、連集管、保溫材料、保溫盒、尾托架等部分組成。熱管式真空管集熱器工作時，每隻熱管真空管都將太陽輻射能轉換為熱能，通過熱管反覆的汽—液相變循環過程將熱量通過熱管冷凝段傳遞給導熱塊（或導熱套管），從而加熱聯集管內的系統循環工質，使集熱系統工質的溫度逐步上升，直至達到使用要求的。與此同時，真空集熱管及保溫盒也不可避免地通過輻射或傳導的形式損失一部分熱量。

性能特點

熱管式真空管太陽能集熱器具有集熱效率高、得熱量大、輸出溫度高、承壓運行好、結構強度高、抗凍性強等特點。安裝維護方便，使用中無漏水隱患，易實現和建築相結合，具備較長的使用壽命。熱管式真空管太陽能集熱器使用數量根據熱水需求量可任意組合。安裝位置靈活，承壓運行，系統阻力小，集熱系統容水量小，熱水系統的運行通過太陽能控制器自動進行控制，可直接對熱水加熱，適用於各種集中熱水供應及泳池加熱系統。

值得一提的是，熱管式真空管與聯集管的連線是屬於“乾性連線”即聯集管內的傳熱工質與集熱管冷凝段之間是不直接接觸的，集熱器聯集管沒有漏水隱患，可以承受較高的運行壓力，個別集熱管破損也不會影響整個集熱器的運行，維護起來非常方便，因而特別適用於大中型太陽熱水系統，容易實現與建築的結合。

影響太陽能熱管集熱器性能的參數有：集熱面積、集熱效率、熱損及真空管的性能；聯集管（聯集箱）的阻力特性，還有太陽能熱管集熱器的容水量及放置朝向和傾角。

國內外太陽能集熱器對比

綜觀太陽能集熱器的發展，太陽能熱管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和真空管內置熱管兩種結構，主要因為成本較高，在國內銷售較少。國外已開發國家，太陽能熱管集熱器套用較多，運輸、安裝、維修比較方便。要求安全、衛生、環保標準較高。

對於太陽能熱管集熱器而言，安裝維修安裝方便，可更換，便於維修。維修困難，U形管損壞，整台更換。運輸各部件可獨立包裝，體積小，便於運輸和搬運，成本低。必須整機包裝，體積大，不便於運輸和搬運，運輸成本較高。套用分體、有吸液芯太陽能熱管集熱器橫置安裝可用於陽台，無吸液芯熱管熱管集熱器豎置安裝，通過調節安裝角度或減短太陽能熱管長度，可用於陽台。分體、陽台、工程，不受安裝角度限制。

其他幾種金屬吸熱體真空集熱管

除了前面介紹的熱管式真空管集熱器之外，金屬吸熱體真空管集熱器還有其它各種不同的形式，如同心套管式、U形管式、內聚光式、直通式等，隨著技術的發展，還將會有新的形式出現。雖然他們的結構各有不同，但具有一個共性：吸熱體都採用金屬材料，而且真空集熱管之間也都用金屬件連線。

發展前景

我國的住宅設計目前尚未考慮生活熱水供應，而家裡有熱水洗澡是小康生活的一個必要條件。我國能源供應緊張，依靠常規能源不可能全部解決城市住宅生活熱水供應。我國太陽能資源非常豐富，全國有三分之二以上地區年輻照總量大於502萬千焦/平方米，總日照時數在2000小時以上；而且近年來太陽能熱水器發展迅速，使得利用太陽能供熱水不僅在技術上和經濟上是可行的，並已具備了與常規能源的競爭力。

太陽能熱水器早在八十年代初就在我國開始推廣，套用範圍包括集體浴室、游游泳池加熱、工農業生產等。現在的市場發展勢頭正逐年向居民住宅用熱水傾斜，在國內的一些地區已陸續出現太陽能熱水器在住宅中的統一設計和安裝，取得了良好的社會經濟效益。

熱管性能的影響因素

熱管的好壞對太陽能集熱器性能的影響非常大。熱管的品質取決於材料材質、製作工藝和工作介質的選擇。製作熱管的材料較好的是TU1銅，其含氧量低，耐腐蝕性強，焊接性能也不錯。製作工藝中關鍵是銅管清洗、注液量的選擇、除氣。對於變徑熱管來說，變徑頭焊接時內壁氧化的保護問題也值得注意。試驗表明對熱管進行2次除氣，對性能的提高大有幫助。

我們用的常溫（還有低溫、中溫、高溫）熱管中工作介質一般有水、乙醇、甲醇、甲苯、丙酮、乙烷等。對於這些介質銅都可以作為相容殼體材料。同時，設備水平也是決定熱管質量的重要因素。

評判熱管的性能主要看其啟動性能、等溫性能、耐溫性能、傳熱性能（功率）和不凝氣體含量。太陽能集熱器所用熱管一般為大頭（冷凝端）變徑重力熱管。

聯集管結構

換熱部分主要是指集熱器的聯集管，它包括流道、保溫層（也叫隔熱體）、外殼、端蓋。流道由乾管和套管組成，熱管的大頭插入套管進行換熱，而且插裝前應在熱管的大頭塗裝導熱矽脂，以增加熱傳導效果。熱量通過導熱矽脂膜傳到套管內壁再傳到外壁，從而加熱乾管腔內的流動的介質。流道的阻力特性及介質的運動特性是太陽能集熱器設計的重要依據。套管與熱管的配合精度要非常高，試驗表明，相同型號的太陽能集熱器塗裝導熱矽脂的瞬時效率要比沒塗裝的提高約1%。

導熱矽脂是一種乳白色的油脂，其導熱係數一般在1.7W/（m·K），其評判指標包括耐溫範圍、針入度、揮發物質、游離度。

保溫層在國內有用聚氨脂的也有用玻璃棉模組的，在國外多數用後者。聚氨脂泡沫塑膠是用聚醚與多異氰酸脂為主要原料，再加入阻燃劑、穩泡劑和發泡劑等，經混合攪拌、化學反應而成的一種微孔發泡體，其導熱係數一般在0.016W/(m·°C)～0.055W/(m·°C)。使用溫度在-100℃～100°C。試驗表明聚氨脂發泡密度在40kg/m3時，閉孔率高達97%，保溫性能最好。

型材選擇

聯集管的外殼多採用鋁型材。它可根據設計者的思想設計成各種造型，但除了考慮保溫層的均勻性外，還要注意型材的最大對角線不宜超過170mm，否則鋁型材廠家擠制型材將比較困難。鋁型材的表面處理主要有氧化、電泳、噴塑、烤漆等幾種方法。

端蓋製作型材也多種多樣，有尼龍塑膠、鑄鋁、金屬板衝壓等。

尾架

框線尾架部分包括太陽能集熱器的框線、拉桿、托架和護托。主要起連線、加固和調節的作用。需要說明的是太陽能集熱器的護托不同於普通緊湊式太陽能熱水器的護托，一定要設計成可調式的。因為太陽能集熱器對真空管的竄動量要求較嚴，必須用可調式護托調節。一般竄動量應在3mm～5mm之間。

結垢問題

聯集管集熱器以工藝簡單、價格低廉、真空管冬季保溫好等特點被大面積推廣，但普通聯集管集熱器也存在一些不足。一是真空管內直接加熱水，升溫快，聯集箱內的水容易被蒸發（管路系統不合理或控制系統故障時出現真空管內的水減少，上部內管處於空曬。）當內管上下溫差超過玻璃耐受溫差衝擊極限時，內管會炸裂，造成系統漏水，其中原因一般是應力集中、玻璃有微裂紋導致被激炸二是真空管內長期有水又溫升較快，水中鈣鎂離子濃度大時管內壁容易結垢，管內也容易積澱一些絮狀物（特別是豎插管集熱器，污物不能自動排出，橫插管集熱器循環時被水帶走一大部分）致使集熱效率下降三是冬季環境溫度低於零度時，室外集熱系統內的水容易結冰，使管路凍壞；現常用的解決辦法是除做好保溫外，另在管道下方加電熱帶和進行防凍循環，即冬季為了防凍要耗電耗熱。目前的解決方法主要有：根據水質情況定期清理真空管；或對自來水進行淨化、軟化、加藥、磁化等。淨化和軟化可用過濾裝置去除泥沙等大顆粒污物，用反滲透膜或樹脂離子置換法去除鈣鎂離子。