太阳能集热特性研究

目前市场上的太阳能集热器都已基本满足低温工作的要求，特别是100℃以下生活热水的需要。但是，太阳集热器正逐步向中温工作领域迈进，其工作温度在100℃~200℃，可以满足空调与制冷、海水淡化和工业用热等领域的需求，这样才能真正发挥太阳能热利用的作用，从而更大程度地解决能源紧张问题[1]。国内曾进行过抛物面槽式集热系统的实际应用，但未能得到真正的推广应用，一些企业对玻璃与金属密封真空集热管进行了大量的实验研究，但均未使其规模化生产。为了实现太阳能中温热利用，朱跃钊教授等提出一种简单有效的方式来解决大规模太阳能高品位集热中的诸多难题，即槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置[2]。本装置涉及一种槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置，它主要包括槽式聚光器、热管、双层真空玻璃管和导热介质，以及聚光器太阳跟踪装置。集成现有成熟工艺的双层真空玻璃管，能够有效地吸收太阳能热量及阻止所接收到的太阳能热量向外散失，避免了玻璃与金属的焊接所带来的诸多问题，在吸收太阳能的热量及传递热量上采用了热管传热和导热介质，进一步改善了从太阳能接收和热量传递的效率，进而提高了太阳能利用的品位，本装置的优点在于可以用来制冷以及其它的工业及民用用途。

1新型槽式太阳能集热试验装置

1.1新型槽式太阳能集热装置的设计新型太阳能槽式集热装置的设计参数如表1所示，其试验装置如图1所示，跟踪系统由天文跟踪与光电跟踪相结合，增强系统的跟踪精度。表110m2新型槽式太阳能集热装置的设计参数新型槽式太阳能集热器截面示意图如图2所示，太阳辐射通过聚光镜的一次反射将太阳光最终通过真空管外管进入真空管内，汇聚到真空管内管的涂层上，再通过导热介质将热量传递给热管的蒸发段，再通过热管的冷凝段将热量传递给需要加热的工质，这一过程不断重复，热管连续工作将收集的能量传递出来[3]。

1.2新型槽式太阳能集热装置的试验方案试验系统流程如图3所示，加热包内充满导热油，通过导热油泵的供给，连续循环加热导热油；加热后的导热油通过蒸汽发生器换热产生蒸汽[4]。T1-T8为流体温度的数据采集点。集热器采用南北向放置，即东西向跟踪，设置南北向倾角为32°，通过调节集热器的放置位置来跟踪太阳入射角的变化[5]。在新型槽式太阳能集热装置运行的同时，对太阳辐射进行测量。

2试验结果与讨论

2.1对新型槽式太阳能集热装置在闷晒和循环两种实际工况下进行试验(1)闷晒工况试验过程中太阳辐射强度随时间变化在650W/m2~780W/m2之间波动，如图4所示。在导热油泵停止的情况下，加热包内充满导热油，不循环，在随后的测量时间内加热包内温度不断升高，如图5所示，在1h内可将包内4kg的导热油由90℃加热到190℃。（2）循环工况对新型槽式太阳能集热装置进行了工况下试验，此工况下导热油泵开启，整个系统内导热油不断循环加热，导热油温度逐渐升高，实验过程中太阳辐射强度随时间变化在650W/m2~800W/m2之间波动，13:15之后由于有云天气，故辐射强度降低，如图6所示。图7为真空管内的温度随时间变化曲线，11:00-13:00温度最高，最高温度达到250℃，由于有云天气辐射强度降低，所以13:30左右真空管内的温度持续下降。图8为储油罐进、出口的温度随时间变化的曲线图，由图可知储油罐进、出口的温度随着时间的变化不断升高，即使13:30左右真空管内的温度持续下降，但是其温度远远高于循环工况下的导热油，故导热油温度持续上升，温度最高可达到115℃。集热器的瞬时效率如图9所示，由于13:15左右之后出现有云天气，所以13:30之后的效率未考虑，11:00-13:00之间瞬时集热效率最高，最高可达36%左右，平均集热效率约为26%。

2.2试验结果分析集热效率是评价太阳能集热装置性能的一个重要指标，集热效率的高低直接决定了该类型集热器装置开发与研究的可行性与必要性，通过实验研究，平均集热效率约26%左右，主要是由于目前国内现有的反光镜面制作工艺不精确导致聚光分散，同时由于在自然条件下测试，太阳辐射强度受天气影响很大，从而影响系统的集热效率，所以该装置还有较大的提升空间。

3系统优化设计

3.1CPC二次聚光罩本试验采用的反射材料为玻璃镜面，由于反射表面的光滑程度以及抛物形状制造工艺的不理想，会造成聚光分散的情况。为了更好的实现聚光提高光学效率，设计了一套二次聚光装置，如图10所示，此装置为CPC二次聚光罩示意图，通过二次聚光罩把一次聚光分散的太阳光经CPC再次反射到集热管上。图11为CPC二次聚光罩试验装置图。图12为安装二次聚光罩前后集热效率的比较图，安装CPC聚光面之后，平均效率可达30%左右，提高集热效率3~4个百分点。

3.2热量散失考虑到整个系统的保温状况以及真空玻璃管管口法兰连接处温度较高造成热量散失等因素导致的结果，因此对集热装置用红外测温仪进行了扫描和拍摄。如图13所示，真空玻璃管管口法兰连接处温度约50℃~60℃，与空气对流散热较快，也是影响集热系统效率的一个重要因素，为下一步试验完善指明了方向，将加强对真空集热管与加热包连接处的保温等。

4结论

（1）该型集热器结构简单、成本较低，通过进一步完善和优化，集热效率可达35%以上。（2）通过二次聚光罩，新型槽式太阳能集热装置可以将导热介质加热到190℃以上，可以进一步产生170℃的饱和蒸汽，在空调及工业应用中前景广阔。（3）通过二次聚光罩可以解决由于国内镜面加工精度不足的问题，明显提高集热效率，大约提高3~4个百分点。（4）抛物面反光玻璃是太阳能集热系统的关键部件，期望有国产化的装置及产品。