太陽能真空管加熱飲用水的對比研究*

陳 林，李 雷*，高 可，劉瑞明，何京鴻

(楚雄師范學院物理與電子科學學院，云南 楚雄 675000)

引言

隨著新能源技術的發展，新能源的利用越來越受到人們的青睞，作為新能源主力軍的太陽能利用發展更是迅猛，太陽能利用最成熟的是太陽能熱水器。2014年我國太陽能集熱系統安裝量5240萬m2，其中工程市場為2100萬m2，零售市場為3140萬m2[1]。尤其在中國，全玻璃真空管太陽能熱水器由于結構簡單、成本低廉、運輸方便等優點[2]，在市場上保有較高的占有率。眾所皆知，全玻璃真空管太陽能熱水器核心部分是全玻璃真空管集熱器，全玻璃真空管集熱器性能的優劣直接影響加熱水的效果。然而，大家把更多的關注點集中到聚光器的研究和太陽能集熱器熱性能的表征上。2004年，許雪松探討了CPC型熱管真空管集熱器的性能[3]，2007年，趙玉蘭測試了熱管式CPC真空管集熱器的熱效率[4]，2011年，李勇對6倍幾何聚光比CPC太陽能集熱器進行了實地測試[5]。2016年，王健研究了不同低倍聚光比CPC熱性能的對比試驗[6]，這些研究都表明，CPC太陽能集熱器可以把工質加熱到300℃左右，能產生一個較為持續的高溫環境，這些結論為CPC太陽能集熱器加熱工質的研究積累了寶貴的數據。同時，對真空管熱水器的研究也較為充分，Morrison[7]在TRNSYS中開發了用于預測全玻璃真空管熱水系統長期性能的數值模型，宋愛國[8]主要探討了真空管太陽熱水器熱性能，高文峰[9]也對太陽能真空管的性能做了大量的數值計算與模擬計算；楊秀，王金標[10]對真空管太陽能集熱器水溫對集熱效率的影響做了相應的實驗測試和數據分析；郝俊勇[11]對CPC太陽能集熱器的性能研究及凝結水輔助加熱系統進行了理論計算以及模擬實驗分析；田琦[12]針對水在玻璃真空管太陽能集熱器中加熱的熱性能計算以及實驗結果進行了分析。實驗數據大都圍繞太陽能熱水器性能或者太陽能熱水器加熱工質進行，而沒有直接提到真空管加熱飲用水的情況。

眾所周知，太陽能真空管由高硼硅玻璃組成，高硼硅玻璃是經過800―1000℃高溫熔化和成型制成，因其優異的性能，被廣泛應用于太陽能、化工、醫藥包裝等行業，高硼硅玻璃具有無毒、無污染的特點可以直接加熱飲用水；另一方面，CPC太陽能集熱器可以把工質加熱到300℃，為CPC太陽能真空管加熱飲用水提供了部分數據支撐。

所以，為了更全面的研究CPC聚光器直接加熱飲用水情況，本文設計并對比研究了三種不同條件下真空管加熱水的效果，這三種情況分別為：非聚光真空管，平面反射膜層聚光真空管以及復合拋物面聚光(Compound Parabolic Concentrator，CPC)真空管。

1.實驗過程

1.1試驗設備

本實驗使用TMC-2Z便捷式太陽能集熱管熱性能測試系統來測量真空管內溫度分布情況，其實物如圖1所示，該儀器可以測量真空管溫度、環境溫度、風速、輻照的實時情況，設備各項參數如表1所示。

圖1 TMC-2Z便捷式太陽能集熱管熱性能測試系統

名稱通道數測量范圍精度分辨率溫度1―25路-40℃―300℃±0.1℃0.1℃環境溫度2路-40℃―70℃±0.1℃0.1℃風速1路0～60m/s±0.1(0.5+0.05V)m/s0.1m/s太陽輻射1路0～2000W/m2±5%W/m21W/m2

本實驗通過戶外測試來獲取實驗數據，戶外測試受環境影響、太陽輻照條件、環境溫度、風速等條件的隨機性影響較大。實驗對天氣和季節的選擇很重要，所以，本實驗選擇楚雄天氣晴朗，風速較小，溫度較低的冬季進行測試。實驗所用的太陽能全玻璃真空管規格如表2所示。

表2 真空管規格參數

1.2測試過程

為了對比真空管在不同聚光情況下加熱飲用水情況，實驗使用四根相同批次真空管搭建了測試系統如圖2所示，分別A為平面聚光真空管、B為非聚光真空管、C為復合CPC聚光真空管，用于重復裝水加熱，計算一天燒水次數、體積以及獲得的熱量、D為對比復合CPC聚光真空管，用于對比A與B加熱飲用水的速度。為了減少真空管在加熱水的過程中和外界進行熱交換，導致熱量損失，在真空管封口處安裝管蓋。

圖2 真空管加熱飲用水對比試驗

測試從早上9點一直延續到下午18點，持續了9個小時，使用高溫探頭檢測真空管加熱飲用水情況，8號探頭監控A管，11號探頭監控B管，2號探頭監控C管，14號探頭監控D管。

2.實驗結果分析

2.1正南方向，不同真空管加熱飲水的對比

圖4為測量當天太陽輻照分布，由圖可知，測試當天輻照較好，中午12：50時，達到一天輻照的最大值930W/m2。

圖4 測試當天的太陽輻射圖

通過整理測試數據，并對比了不同真空管加熱水的情況，圖5a為正南方向，非聚光真空管加熱水溫度與時間的關系曲線；圖5b為正南方向，平板式聚光真空管加熱水溫度與時間的關系曲線；圖5c為正南方向，復合CPC聚光真空管加熱水溫度與時間的關系曲線。很明顯，三種真空管加熱水至最高溫度(燒開)所用的時間是不一樣的，非聚光真空管燒開水時間最長為182min，其次為平板聚光真空管，所用時間為130min，復合CPC聚光真空管燒開水用時最短為81min。出現這些差異的原因是，非聚光真空管加熱水完全依靠太陽光直射獲得加熱水的熱量，且真空管在工作時僅僅只有內管表面積的一半可以接收到太陽直射，受光照時間少。所以，用這種方式加熱飲用水是很慢的。具有減反射層的真空管加熱不僅能接受直射太陽輻照而且可以把太陽光反射到真空管上，使得真空管吸收涂層被太陽光照射面積增大，而將真空管的熱效率加以提高。

圖5 a非聚光式真空管加熱飲用水水溫隨時間變化的曲線，b平板聚光式真空管加熱飲用水水溫隨時間變化的曲線圖，c復合CPC聚光式真空管加熱飲用水水溫隨時間變化的曲線

復合CPC聚光真空管加熱飲用水時間更短，是由于復合CPC聚光器的主體部分為兩片拋物面反射板，這種反射板是根據邊緣光學原理設計的非成像聚光器，入射陽光在CPC中通過幾次反射到達接收表面，流失較少，還可以對斜入射的太陽光進行有效收集，達到最大理論聚光比，性能非常接近于理想聚光器[13，14]。

2.2一天獲得的熱水量

在相同太陽輻照下，探究了復合CPC聚光真空管燒開熱水所獲得的熱量，由熱量計算公式1可知，水獲得的熱量與水的質量、比熱容、溫度變化有密切關系。

Q=C×M×Δt

(1)

其中，C為水的比熱容4.2×103J/(Kg℃)，M為水的質量M=ρ×V，ρ為水的密度1×103kg/m3，Δt為加熱水后的溫度差。

計算時，水的密度變化不考慮，每次加入到真空管內水溫均為15℃，在楚雄地區，由于當地的大氣壓強低于海平面的大氣壓，因此在本地將水的溫度加熱至93℃就已經是開水。所以，給真空管加熱時，溫度到達93℃就停止加熱。

從表3可以看出，使用長為500mm，內徑為47mm的真空管，從早上9點到下午18點期間(一天內)復合CPC槽式聚光真空管給飲用水加熱，可以燒開4次，由于下午18:00以后，太陽輻照迅速減弱，使得真空管對水第五次加熱只到76.2℃，但是在這段時間里獲得的熱量也有100.25KJ。在這一天中獲得的總熱量為570939.3J≈0.57MJ，加熱開水的體積為1815ml，相當于市面出售550ml礦泉水三瓶。

根據標準真空管(長為1800mm，內徑為58mm)來計算一天加熱飲量，將可獲得熱量537.9MJ，獲得熱水量為6534ml，相當于市面出售550ml礦泉水11瓶。

表3 復合CPC槽式聚光真空管加熱飲用水水量對比

表4對比了非聚光、平面聚光、復合CPC聚光真空管燒開水次數和所需要時間，在一天之內復合CPC真空管可以把水燒開四次，獲得開水1815ml，非聚光真空管可以把水燒開兩次獲得熱水700ml，平面聚光真空管可以把水燒開三次，獲得熱水量為1060ml。

備注：“*”表示該次實驗中水未燒開。

3.結論

為了更好的分析全玻璃真空管太陽能集熱器加熱水的效果，對比了不同聚光方式下，同批次真空管加熱飲用水的情況，并對實驗結果進行了詳細的分析和研究，得出以下結論：

在相同條件下，非聚光式真空管加熱飲用水燒開時間最長為182min，其次為平板聚光真空管時間為130min，加熱最快的是復合CPC聚光真空管，時間為81min。

探究了一天內復合CPC聚光真空管燒開熱水的次數和體積，測試表明，復合CPC聚光真空管可以將15℃的水燒開4次，能夠獲得的熱量為0.57MJ，熱水的水量為1815ml，相當于市面出售550ml礦泉水三瓶；使用體積更大的標準真空管將可以獲得537.9MJ的熱量，同時獲得6534ml熱水，相當于市面出售550ml礦泉水11瓶。