一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器性能研究

■ 常澤輝 鄭彥捷 鄭宏飛

(1.北京理工大學機械與車輛學院；2.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院)

一 引言

太陽能集熱器是太陽能熱水器的核心部件，是用來吸收太陽輻射并使之轉換為熱能傳遞給傳熱介質的裝置。常見的太陽能集熱器主要有真空管式太陽能集熱器、平板型太陽能集熱器和熱管式太陽能集熱器。

平板型太陽能熱水器是由金屬吸熱板芯、玻璃蓋板、鋁合金圍護結構和保溫材料等構成。由于其金屬流道和性能不依賴真空度的結構，使其具備了一系列相對于真空管式集熱器更突出的特點：整個管路采用金屬元件，可承壓運行；局部破損不會引起工質泄漏，易于與建筑結合，實現建筑一體化結構。基于這些優點，平板型熱水器在歐洲各國的占有率為90%[1]。其缺點是冬季集熱溫度不高、較難滿足用戶需求，還特別需要防凍。

真空管式太陽能熱水器，主要由真空管集熱器、儲熱水箱、集聯箱、尾架、密封件等組成。因具有無需追蹤、涂層太陽吸收比大、發射比小、熱效率高、經濟實惠等優點而得到廣泛使用。另外其集熱效率較高，當環境溫度大于-10℃時，集熱溫度可大于45℃，能基本滿足用戶的熱水需求；但當環境溫度小于-10℃時，集熱溫度通常不能滿足用戶需求。其缺點是易于破碎，因而難于承壓運行，特別是在大系統和大工程中應用時，真空管集熱器還存在管內大量充水運行，導致熱惰性增大。

熱管式真空管以其獨有的結構原理和性能得到了市場的認可，但在實際應用中，也出現了新的問題，由于其管內的吸熱面與管外冷凝端的散熱面之比是100∶2，所以冷凝端溫度很高，若不及時帶走產生的熱量則會影響其熱效率，而且高溫熱水容易結垢，這也成為熱效率下降的一個原因。

上述太陽能集器的一個共同的缺點是在寒冷的冬季可能無法使用。為了克服上述集熱器的缺點，同時發揮各自的優勢，獲取更高的集熱溫度，有多種新的設計思想被提出。Singh H等[2]提出了一種基于CPC聚光、真空管集熱整體封裝的太陽能集熱器，該集熱器有較大的聚光角，可較長時間無需跟蹤太陽，其缺點是全年的效率較低。葛洪川等[3]研制了一種在管內聚光的真空管型集熱器，也能獲得較高的集熱溫度。任云鋒等[4]將復合拋物面(CPC)與熱管平板式集熱器相結合，對一種以平板形吸熱板為接收器的CPC型熱管式太陽能集熱器展開研究，結果表明，該集熱器不但提高了集熱溫度和集熱效率，而且降低了熱損失。張維薇等[5]設計了一種新型整體拋物面熱管式真空管集熱器，對該集熱器的集熱性能做了對比實驗研究，結果表明該集熱器具有較高集熱性能。Kim Y等[6]對單軸跟蹤式聚光太陽能集熱器和固定式太陽能聚光集熱器的熱性能進行了對比研究，結果顯示跟蹤式聚光太陽能集熱器集熱溫度穩定，其即熱效率比固定式約高14.9%。上述研究結果表明，小槽聚光、真空管接收的集熱器部分解決了傳統集熱器集熱溫度不高的問題，但真空管熱惰性大和易于破碎的缺點并沒有克服，如果沒有外玻璃蓋板，聚光面易積聚灰塵的缺陷也未克服。另外，即使是利用CPC聚光器，其聚光角也有限，不可能滿足全天的太陽聚光需求，因此對于固定不動的聚光器，其全天采光效率較低。

為了進一步克服傳統太陽能集熱器的不足，設計了一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器，并對其聚光性能和集熱性能進行了研究，利用導熱油作為傳熱介質，避免冬季被凍裂的缺點，能滿足用戶冬季的用水需求。

二 小槽聚光-真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器結構

本文提出的一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器，其設計思想是將平板集熱器、真空管集熱器和聚光集熱器的優點集于一體，同時又能提高真空管接收器單位面積太陽輻照度的新型太陽能集熱器，使其能在冬季寒冷環境下獲得60℃以上的溫度。

提出的太陽能集熱器有兩種跟蹤方式，一種是裝置整體框架跟蹤太陽結構，可根據太陽高度角隨季節的變化，通過調節框架外的調節手柄來改變聚光槽的傾角，使太陽光聚焦線始終與真空管接收器重合。實物如圖1所示，在京郊小區安裝的示范工程如圖2所示。

圖1 新型整體框架跟蹤太陽能集熱器實物圖

圖2 京郊小區太陽能熱水器示范工程圖

另一種是聚光小槽自動跟蹤太陽結構，采用內部跟蹤方式，其產品結構如圖3所示。在聚光槽兩端安裝有光敏探頭，通過比較聚光槽兩端的太陽輻照度差值，聚光槽自動調節傾角，使得兩端太陽輻照度相同，并且等于最大輻照度。該集熱器能實時跟蹤太陽，具有集熱效率高、傳熱介質工作穩定性好、便于與建筑結合、熱惰性小等優點。圖4為該集熱器的一個示范工程圖。經過在實際天氣條件下運行，能達到預期的集熱效果。

圖3 新型小槽跟蹤太陽能集熱器實物圖

圖4 示范工程圖

1 系統的組成

該太陽能熱水器由新型槽式太陽能集熱器、儲熱水箱、油泵、循環管路等組成，系統如圖5所示。其中為了減少系統運行過程中向環境的散熱，循環管路和儲熱水箱外均包有巖棉保溫層。新型槽式太陽能集熱器是整個系統的核心部件，它主要是由組合曲面聚光器、真空管集熱器、太陽跟蹤系統和封裝外殼等主要部件依次連接組成。其中，封裝外殼由透明玻璃蓋板和外殼體組成。

圖5 整體封裝式太陽能集熱系統

小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器需對太陽光進行跟蹤，可通過安裝在框架上的調節手柄手動調整或聚光槽兩端的光敏探頭自動進行調整，以保持聚光槽對太陽光的最佳集光位置，提高集熱溫度和太陽能的熱利用效率。

2 系統的工作原理

該裝置的工作原理為：太陽光由透明玻璃蓋板入射到組合曲面聚光器上，經聚光器內表面反射聚焦到真空管集熱器上，使傳熱介質受熱升溫，熱能再經熱傳導由真空管集熱器內的導熱油輸送到儲熱水箱，水箱中的水受熱升溫，而換熱后導熱油的溫度降低，降溫后的導熱油通過油泵回到集熱器中，如此循環，不斷加熱儲熱水箱中的水，使水溫達到用戶所需要的溫度。

為提高裝置換熱效率，減少傳統真空管集熱器內部的熱惰性，專門設計了金屬同心管(見圖6)，放入真空管中，代替管中的液體。從圖6可以看出，當真空管內通導熱油時，導熱油首先進入金屬同心管的內管，然后再流入外管與內管之間的空腔，并在其中吸收太陽輻射能。與傳統的U型管相比，改進后的同心管中導熱油的換熱面積增大，單位時間內吸收的熱量隨之增加，非常有利于系統的高效運行。

圖6 玻璃真空管與金屬同心管

3 聚光器的設計

設計聚光性能好、易于加工的多曲面槽式聚光器是實現將低能流密度太陽光聚集到真空管上的關鍵。所設計的聚光器橫截面曲線如圖7所示。它主要由拋物面、平面反射鏡和槽底拋物面組成。聚光原理為：平行于對稱軸的入射光線，在最大聚光寬度AB'內大部分將入射到拋物面的內表面上，經反射后入射到真空管接收器上。少部分光線直接或經平面反射鏡、槽底拋物面內表面一次或二次反射后匯聚到真空管接收器上；接收器的中心線正好與拋物面的焦線重合，槽底拋物面的焦線在接收器的下部。

圖7 聚光器的剖面及聚光原理圖

將該聚光器在實體建模軟件Pro-E(Pro/Engineer)中建模，并導入光學軟件LightTools中進行光學仿真分析。假設光線條數為10×10條，真空管直徑為58mm。當光線沿著軸線方向左偏13?或向右偏13?入射時，真空管接收器上模擬光線追跡結果如圖8所示。

由圖8光線追跡結果可看出，當光線沿著不同方向入射時，接收器接收的光線條數不同，在光線左偏13?或右偏13?入射時，進入聚光器的光線能大部分入射到接收器上，只有少部分光線反射出聚光器。結果表明，設計的集熱器具的聚光角約為±13?。

圖8 光線偏離對稱軸入射時，偏離角度對聚光效率的影響

三 集熱器的集熱性能測試

為了對集熱器性能進行檢驗，建立實驗平臺對系統進行了在實際天氣下的升溫實驗，測試系統實物圖如圖9所示。測試實驗地點：北京市；水箱保溫層厚度：50mm；材料：聚氨酯。系統其他參數及測試的結果見表1。其中，表中的環境溫度為集熱器附近的實測溫度，水箱溫度為水箱2/3高度處的溫度。

圖9 集熱器性能測試實物圖

表1 兩種系統實驗參數及在冬季的測量結果

從表1可以看出，在冬季相對晴好的天氣條件下，此類集熱器在冬季仍有較好的集熱效率，集熱溫度可達60℃以上，這是一般的平板集熱器無法達到的，即使是普通的全玻璃真空管也無法以如此高的集熱效率達到這么高的溫度。因此，該集熱器合適在中國北方較寒冷的地區使用。

四 結論

針對傳統太陽能集熱器在寒冷冬季集熱溫度不高等弊端，提出了一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器的設計思想，通過多曲面聚光槽聚光集熱，提高了真空管的集熱溫度，使得集熱器單位面積上需使用的真空管集熱器數量減少，進而減少了整個系統的熱惰性；采用導熱油作為傳熱介質，可在-30℃左右運行，避免了系統結垢和沉渣等毛病，也徹底避免了真空管集熱器炸管和平板集熱器冬季凍裂的缺陷；使用全玻璃內插套管回流器做接收器，由于增加了傳熱介質的換熱面積，使得換熱介質可較快達到所需溫度。

搭建實驗測試系統對該太陽集熱器進行了光學仿真和集熱性能測試。結果表明，所設計的聚光器具有較大的聚光角，在環境溫度為-3～-10℃時，水溫最高能加熱到80℃，日效率達到40%，可滿足用戶冬季生活熱水的要求。

[1] 何梓年. 提高平板型太陽熱水器產品性能擴大平板型太陽熱水器市場份額[J]. 可再生能源, 2004, (1): 6－8.

[2] Singh H, Eames P C. Correlations for natural convective heat exchange in CPC solar collector cavities determined from experimental measurements [J]. Solar Energy, 2012, 86(9): 2443－2457.

[3] 彭祖林, 葛洪川, 高漢三, 等. 內聚光型太陽能光電光熱復合管的光學設計[J]. 太陽能學報, 2007, 28(6): 577－582.

[4] 任云鋒, 魚劍琳, 趙華. 一種CPC 型熱管式太陽能集熱器的實驗研究[J]. 西安交通大學學報, 2007, 41(3):291－295.

[5] 張維薇,朱躍釗,蔣金柱, 等. 新型CPC熱管式真空管集熱器設計與性能分析[J]. 熱力發電, 2009, 38(7): 119－123.

[6] Kim Y , Han G Y , Seo T . An evaluation on thermal performance of CPC solar collector [J]. Heat and Mass Transfer, 2008, (35): 446－457.