真空管集熱器是一種在平板型集熱器基礎上發展起來的新型太陽能集熱裝置，其吸熱體與玻璃管之間的夾層保持高真空度。構成這種集熱器的核心部件是真空管,它主要由內部的吸熱體和外層的玻璃管所組成。可有效地抑制真空管內空氣的傳導和對流熱損失;再由於選擇性吸收塗層具有低的紅外發射率,可明顯地降低吸熱板的輻射熱損失。真空管集熱器主要分為全玻璃真空管集熱器和熱管真空管集熱器。還詳細介紹了真空管集熱器的發展現狀、以及其核心部件真空管的分類。
基本介紹
- 中文名：真空管集熱器
- 外文名：Vacuum tube collector
- 核心部件：真空管
- 類型：儲能設備
- 領域：能源
- 學科：熱力學
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基本信息
真空管太陽集熱器是在平板型太陽集熱器基礎上發展起來的新型太陽能集熱裝置。構成這種集熱器的核心部件是真空管,它主要由內部的吸熱體和外層的玻璃管所組成。吸熱體表面通過各種方式沉積有光譜選擇性吸收塗層。由於吸熱體與玻璃管之間的夾層保持高真空度,可有效地抑制真空管內空氣的傳導和對流熱損失;再由於選擇性吸收塗層具有低的紅外發射率,可明顯地降低吸熱板的輻射熱損失。這些都使真空管集熱器可以最大限度地利用太陽能,即使在高工作溫度和低環境溫度的條件下仍具有優良的熱性能。
按吸熱體的材料分類,有玻璃吸熱體真空管(或稱全玻璃真空管)和金屬吸熱體真空管(或稱玻璃—金屬真空管)兩大類。
發展現狀
全玻璃真空管在國外發展得較早。1979年我國引進樣品後,清華大學首先研製出我國的全玻璃真空管,並且逐步實現了產業化。目前,全國已有40—50家企業能夠生產全玻璃真空管,這對於我國太陽能行業的發展起到了積極的推動作用。金屬吸熱體真空管是國際上隨後發展起來的新一代真空管,它又可劃分為多種形式。熱管式真空管就是其中一種,北京太陽能研究所自1986年起開始開發。儘管金屬吸熱體真空管有各種不同的形式,但無論哪種形式,由於吸熱體採用金屬材料,而且真空管之間也都用金屬件連線,所以用這些真空管組成的集熱器具有以下共同的優點:
(1)工作溫度高。最高運行溫度超過100℃ ,有的型式甚至可高達300—400℃ ,使之成為太陽能中、高溫利用必不可少的集熱部件。
(2)承壓能力大。真空管及其系統都能承受自來水或循環泵的壓力,多數集熱器還可用於產生106Pa以上的熱水甚至高壓蒸汽。
(3)耐熱衝擊性能好。即使用戶偶然誤操作,對空曬的集熱器系統立即注入冷水,真空管也不會因此而炸裂。
正由於金屬吸熱體真空管具有其它真空管無可比擬的諸多優點,世界各國科學家競相研製出各種形式的真空管,如熱管式、同心套管式、U型管式、儲熱式、直通式、內聚光式等等,以滿足不同場合的需求,擴大了太陽能的套用範圍,成為當今世界真空管集熱器發展的重要方向。
傳熱分析
真空管太陽能集熱器可以吸收太陽能輻射熱量中的兩種能量：一種是太陽能直接輻射熱量；另一種是太陽能散射輻射熱量。
首先太陽光照射到真空管的外壁面上，熱量一部分被真空管壁吸收，一部分被反射到天空中，剩下一部分繼續照射到真空管內壁面上J真空管內壁表面塗有吸熱材料，該材料具有高吸收率低發射率的特點，最大限度的吸收太陽熱量。陽光中的太陽輻射熱量通過直接輻射與散射輻射加熱柱形真空管內壁集熱板，柱形集熱板的溫度升高后，熱量向兩側擴散，一側通過輻射損失與對流損失向管壁擴散；另一側通過輻射加熱與對流加熱的方式向不鏽鋼承壓內膽擴散。承壓內膽受到加熱後管壁溫度升高，然後以對流的形式加熱大管內的介質。
全玻璃真空管
組成與原理
全玻璃真空管太陽集熱器是在平板型太陽集熱器的基礎上發展的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管,它採用了真空技術,消除了氣體的對流與傳導熱損,並套用選擇性吸收塗層,使真空集熱管的輻射熱損降到最低,這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運行,也能在寒冷地區的冬季及低日照與天氣多變地區運行,擴大了套用領域。它像一個拉長變細的暖水瓶膽,由兩根同軸圓玻璃管組成,內、罩玻璃管間抽成真空,太陽選擇性吸收表面(塗層)沉積在內管的外表面構成吸熱體,將太陽能轉化為熱能,加熱內玻璃管內的傳熱流體。全玻璃真空太陽集熱管通常採用單端開口的形式,在一端將內、罩玻璃管環形熔封在一起。真空集熱器內裝有吸氣劑。
優點
這種集熱器的優點是:
(1)結構簡單、製造方便、可靠性強;
(2)集熱效率高,保溫性能好;
(3)可以在中高溫下運行,也能在寒冷地區的冬季運行;
(4)使用壽命長,一年四季都可使用。
缺點
缺點:
(1)管記憶體水過多,管內水溫上升緩慢,而且對於真空管南北放置的熱水裝置,管中的熱水無法全部取出,致使系統熱水利用率降低;
(2)不能承壓,易在玻璃管內結垢,管子易炸裂。
熱管真空管
組成與原理
80年代以來,國內外越來越重視熱管式真空管集熱器的研究,它是一種新型的太陽能集熱裝置。太陽輻射穿過真空管玻璃外殼,投射在金屬吸熱板上,吸熱板將太陽輻射能轉化為熱能,使熱管蒸發段內的傳熱介質汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段後,通過導熱塊將熱量傳遞給集熱管內的工質,而自身又凝結成液體,依靠重力流回蒸發段。上述過程重複循環,使集熱管內的工質不斷升溫。與此同時,被加熱的吸熱板和集熱管則不可避免地經由各種途徑向周圍環境散失一部分熱量。由於運用了真空技術,大幅度降低了集熱器的熱損失,因而使其在高工質溫度或低環境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能,同時運用了熱管技術,被加熱工質不直接流經真空管,因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較,熱管式真空集熱器除了工作溫度高,承壓能力大和耐熱衝擊性能好等優點,還有其顯著特點。
優點
這種集熱器的優點:
(1)耐冰凍:熱管由特殊的材料和工藝保證,即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下,真空管也不會凍裂;
(2)啟動快:熱管的熱容量很小,受熱後立即啟動,因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量,而且在多雲間晴的低日照天氣也能將水加熱;
(3)保溫好:熱管具有單向傳熱的特點,即白天由太陽能轉換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水,而夜間被加熱水的熱量不會沿熱管向下散發到周圍環境;
(4)安裝維修方便:安裝方便,操作簡單,易於固定,運行可靠;
(5)特別適用集中供熱及全玻璃真空集熱管產品不適用的高寒地區。
缺點
(1)生產成本高;
(2)技術要求高。
真空管分類
熱管式真空管
熱管式真空管主要由熱管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成。太陽光穿過玻璃管投射在吸熱板上,吸熱板吸收太陽輻射能並將其轉換為熱能,加熱熱管內的工質,使其汽化並將熱量傳送到熱管的頂端,加熱傳熱介質(通常是水),同時使工質凝結,流回熱管的下端(加熱端),如此不斷循環。安裝時,真空管與地面應有10°以上的傾角。
熱管式真空管除了具有工作溫度高、承壓能力大和耐熱衝擊性能好等金屬吸熱體真空管共同的優點外,還有其顯著的特點:
(1)耐冰凍熱管由特殊的材料和工藝保證,即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下,真空管也不會凍裂。
(2)啟動快熱管的熱容量很小,受熱後立即啟動,因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量,而且在多雲間晴的低日照天氣也能將水加熱。
(3)保溫好熱管具有單向傳熱的特點,即白天由太陽能轉換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水,而夜間被加熱水的熱量不會沿熱管向下散發到周圍環境。這一特性稱為熱管的“熱二極體效應”。
同心套管式真空管
同心套管式真空管(或稱直流式真空管)的外形跟熱管式真空管較為相似,只是在熱管的位置上用兩根內外相套的金屬管代替。工作時,冷水從內管進入真空管,被吸熱板加熱後,熱水通過外管流出。
水平安裝在屋頂上,通過轉動真空管而將吸熱板與水平方向的夾角調整到所需要的數值,這樣既可簡化集熱器支架,又可避免集熱器影響建築外觀。
目前,德國Prinz公司和北京桑達公司都生產直流式真空管。兩家都採用玻璃—金屬熱壓封技術,不過Prinz採用電鍍黑鉻塗層,而桑達採用磁控濺射鋁-氮-氧塗層。另外,桑達真空管與集管之間的連線比較簡單、可靠。
U形管式真空管
國外有些文獻將同心套管式真空管和U形管式真空管統稱為直流式真空管,因為兩者的工作原理完全一樣,只是前者的冷、熱水從內、外管進出,而後者的冷、熱水從兩根平行管進出(見圖3)。
這種真空管的主要特點除了熱效率高、可水平安裝之外,真空管與集管之間的連線要比同心套管式簡單。
儲熱式真空管
儲熱式真空管主要由吸熱管、玻璃管和內插管等部件組成。吸熱管內貯存水,外表面有選擇性吸收塗層。白天,太陽輻射能被吸熱管轉換成熱能後,直接用於加熱管內的水;使用時,冷水通過內插管漸漸注入,並將熱水從吸熱管頂出;夜間,由於有真空隔熱,吸熱管內的熱水溫降很慢。
儲熱式真空管組成的系統有以下特點:
(1)不需要貯水箱真空管本身既是集熱器又是貯水箱,因而儲熱式真空管組成的熱水器也可稱為真空悶曬式熱水器,不需要附加的貯水箱。
(2)使用方便打開自來水龍頭後,熱水可立即放出,所以特別適合於家用熱水器。
直通式真空管
這種真空管主要由吸熱管和玻璃管兩部分組成。吸熱管表面有高溫選擇性吸收塗層。傳熱介質由吸熱管的一端流入,經太陽輻射能加熱後,從另一端流出,故稱為直通式。由於金屬吸熱管和玻璃管之間的兩端都需要封接,因而必須藉助於波紋管過渡,以補償金屬吸熱管的熱脹冷縮。
直通式真空管的主要特點是:
(1)運行溫度高可將真空管與聚光反射鏡結合,組成聚焦型太陽集熱器,能達到很高的運行溫度(300-400℃)。
(2)易於組裝由於傳熱介質從兩端分別進出,因而便於真空管串聯連線。
內聚光式真空管
這種真空管本身就是一種低聚光的聚焦型集熱器,不過聚光反射鏡是在真空管裡面,故稱為內聚光式真空管。國外有的文獻將它稱之為複合鏡式(cuspmirror)真空管。它主要由複合拋物柱面反射鏡、吸熱體和玻璃管等幾部分組成。吸熱體通常是熱管,也可是同心套管,其表面有高溫選擇性吸收塗層。平行的太陽光無論從什麼方向穿過玻璃管,都被複合拋物柱面鏡反射到位於焦線處的吸熱體上,然後按熱管式真空管或同心套管式真空管的原理運行。
內聚光式真空管的主要特點是:
(1)運行溫度較高複合拋物柱面鏡的聚光比一般為3—5,運行溫度可達150℃以上。
(2)不需要跟蹤系統這是由複合拋物柱面鏡的光學特徵所決定的,因而避免了複雜的自動跟蹤系統。
