真空管式聚光板研讨

全玻璃真空管太阳能热水器不能承压、抗冻性差，其应用场合受到限制。热管式真空管热水器承压性好，可有效防止炸管等问题，可在高寒地区、开水器等特殊领域得到应用[1~4]。热管真空管集热器[5，6]可分为两种应用形式：单层玻璃和双层玻璃热管式集热器。前者的主要难题是金属与玻璃封接问题，一旦玻璃管的真空泄漏后，集热性能迅速下降；后者的主要难题是密封问题，少量的泄漏将导致高温空气向环境泄漏，大幅降低集热效率。课题组发明了“槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置”[7]，将热管、真空管和导热流体耦合为新型集热器，初步研究表明，系统可产生高温蒸汽，并可避免玻璃与金属的焊接所带来的诸多问题。此外，相对槽式聚光器，CPC（复合抛物面聚焦）聚光器无需跟踪，造价较低；可方便地和建筑屋面、墙面等建筑良好结合在一起，提高太阳能光热系统性能[8~12]。目前，将CPC、抗冻导热介质、热管和真空管进行高效耦合，并运用于太阳能热水器的研究不多见[13~15]。本文在前期研究基础上，将热管真空管式集热器和小型CPC聚光器耦合，研制一种高效CPC热管真空管式热水器，对其集热特性进行研究，为高效抗冻太阳能热水器的开发提供基础参数。

1实验部分

1.1实验装置CPC热管真空管式太阳能热水器测试系统由CPC聚光器、热管式真空管集热器、热水箱、热水循环系统和测试系统组成。热管式真空管集热器置于CPC聚光器的中心，管内装有导热油。CPC将阳光汇聚到真空管内管，内管外壁涂层吸热升温，通过热传导将热量传递给导热油；导热油通过对流和传导，将热量传递给热管蒸发端；热管再经过高效相变将热量分别传递到冷凝端及水箱内的水。为了保证热水箱温度均匀，通过循环泵对热水进行循环。实验装置示意图及系统装置照片分别如图1、2所示。其中，真空管规格为φ47×1600mm，内径为φ37mm。水箱容积为155L，水箱外壳材料为彩钢板，内胆材料为SUS304-2B食品级不锈钢，厚0.6mm，水箱保温材料为聚氨酯，厚约50mm。设计热管尺寸φ20×1800mm，其中蒸发段长1600mm，冷凝段长200mm，热管材料为321不锈钢。热管的设计图如图3所示。为增加集热管背光面接收太阳辐射的能力，在背面置CPC聚光板。当CPC聚光系统的聚光比超过3时，CPC装置尺寸较大且需要增加跟踪装置，考虑到成本及充分利用屋顶面积，拟开发聚光比为1-2的CPC聚光板。根据上述计算方法，采用截取比为0.5，截取CPC上部低效部分，截取后每片CPC聚光板开口宽度设计为125mm,高度为25mm，聚光面的面积为1.85m2，聚光比为1，每天采集阳光的时间增加至9h。该热水器由12组聚光器及热管真空管集热器构成，故整个系统总的聚光面面积为22.2m2[16]。该CPC聚光器实物图如图4所示。

1.2实验仪表试验过程中采用1mm的铠装(K型)热电偶测集热管中导热油的温度分布；采用Pt100铂电阻测水温；采用武汉中能测控技术工程有限公司的上润WP-MS806巡检仪以及MCGS组态软件进行温度数据采集，采样时间间隔为60s；太阳辐照度采用锦州阳光科技发展有限公司生产TBQ-2总辐射表测量，用TRM-2太阳能测试记录仪采集数据，采样时间间隔为10min。

1.3测试过程本文对CPC热管真空管式热水器与购买的同规格的某全玻璃真空管热水器（QBJ1-145-2.42-0.05-5)进行了热性能对比实验，测定了太阳辐照度及集热器各监控点的温度，并根据测得的热水温度和太阳辐射强度，计算了两种热水器的日平均效率、集热功率及瞬时效率。实验地点在南京，地理位置：东经118.8°，北纬32°；时间为2010年11月13号~2月28号。试验大都在晴朗天空进行。

2计算方法

2.1单位面积集热功率

2.2瞬时效率瞬时效率(非稳态效率)的定义式是：2.3日平均效率在家用太阳能热水器热性能测试的国家标准中，热性能指标主要是日平均效率。日平均效率描述了在正常天气状况下，一日内在热水器采光面上接收到的太阳辐射能中转化为提高水箱水温的热量的百分比，即：

3实验结果及分析

3.1太阳辐射强度图5为11月13号、20号、12月1号、2号及28号太阳辐射强度在9：00~15：00时间段内的变化趋势

图。由图可见，一天的太阳辐射瞬时强度主要位于300W/m2~800W/m2区间内。太阳辐射的高低受地势高低，大气状况，日照时间，太阳高度角等因素影响。冬季的太阳辐射中，直接辐射在总辐射中占的比例是很大的，且实验中辐射仪与热水器聚光面放置在同一平面内进行测量，所以12:30之后接收到的太阳辐射大幅降低。为对比研究这两种太阳能热水器的热性能，特选取2010-11-13一天的测量数据作为研究对象，这一天气温为11℃-22℃，太阳辐射能量累计值为13110000J/m2。

3.2集热温度图6是真空管内不同位置处导热油温度随时间的变化关系。由图可见，导热油温度较高，大多在60℃~90℃之间，少量位于90℃~103℃。最高集热温度达到了103℃，在12:30之前太阳辐照较大时真空管顶部导热油温度大多数在85℃~90℃之间，证明该热水器在辐照强度较高时有望进一步提高集热温度，即提高集热温度品位，甚至产生开水和低压蒸汽，从而拓宽热水器的应用范围。由于真空管全周加热，靠近真空管管壁的导热油温度迅速升高，密度减小，在惯性力和浮升力的作用下底部的导热油沿真空管管壁向上流动，所以，测试起始阶段导热油温度分布有一定梯度，热管底部位置、中部位置、顶部位置测得的温度依次上升。起始阶段上部导热油温度高于中部及底部较大，可能是由于导热油流动过程中导致热电偶测试位置不稳。一段时间后，导热油流动趋于稳定，由于热管本身的等温性作用，沿轴向温度分布几乎一样，所以测得的集热管内导热油的温度分布较均匀。图7是CPC热管真空管式热水器及全玻璃真空管热水器的水箱温度随时间的变化情况。由图可知，在同样的环境下，全玻璃真空管热水器的水温上升速率明显低于CPC热管真空管式热水器。因为CPC热管真空管式热水器真空管内的导热油和水箱之间通过热管单向传热，水箱不能反向将热量传给导热油；热管启动温度较低，所以热管传热速率比较快，水箱中的水升温速率也较快；此外，由于导热油具有一定的蓄热能力，所以当太阳辐射降低时，CPC热管真空管式热水器水箱内的温度波动也较小，即便太阳完全下山后，导热油内蓄含的热量也能使水箱内的水温上升一段时间，而全玻璃真空管热水器的水温则是迅速的下降。可见，CPC热管真空管式热水器的集热温度会比全玻璃真空管热水器的高。

3.3单位面积集热功率图8是两种热水器的集热功率对比图，由图可见，CPC热管真空管式热水器的集热功率高于全玻璃真空管热水器。前者单位面积集热功率为200W/m2~610W/m2，而后者为150W/m2~500W/m2。结合图5的太阳辐射变化规律可知，在12:30之前的太阳辐射强度都是比较高的，之后采集到的太阳辐射强度处于直线下降趋势，在CPC聚光板的作用下，相对应的在12:30之前CPC热管真空管式热水器收集的热量比全玻璃真空管热水器多许多，水温上升的速率就较快，直接导致这个阶段CPC热管真空管式热水器的单位面积集热功率较大，且与全玻璃真空管热水器的单位面积集热功率的差值也大。

3.4瞬时效率图9是两种热水器的瞬时效率对比图，由图可见，CPC热管真空管式热水器的瞬时效率高于全玻璃真空管热水器10%~20%。前者瞬时效率约为75%~85%，而后者瞬时效率约为60%~70%。证明热管技术的应用在很大程度上提高了热水器的集热效率。

3.5日平均效率为了便于比较，图10给出了所测试的这两种热水器日平均效率的变化曲线。可以发现，高效CPC热管真空管式热水器的日平均效率在80%左右，高于国标45%要求，且比全玻璃真空管热水器的日平均效率高10%~20%。由以上集热功率、瞬时效率及日平均效率对比图可看出：相比全玻璃真空管热水器而言，CPC热管真空管式热水器在热管真空管背部加上价格相对低廉的聚光板增大了热管真空管的采光强度，并且通过可蓄热的导热油的相变传热作用及热管的单向传热作用，大幅度降低了散热损失，所以具有更高的集热品位、集热功率、瞬时效率及日平均效率[17]。本文没有研究导热油，密封以及橡胶圈的寿命期限，这个将在以后的工作中进行详细的研究。由于条件限制，并没有进行具体的抗冻实验，如果条件允许，以后会将该装置移往严寒地区进行低温抗冻实验。

4结论

(1)CPC热管真空管式太阳能热水器在300W/m2~800W/m2辐射条件下，日平均效率在80%左右，比全玻璃真空管热水器的日平均效率高约10%~20%；单位面积瞬时集热功率也高于全玻璃真空管热水器，最高可达610W/m2；瞬时效率为75%~85%，比全玻璃真空管热水器高10%~20%。(2)在热管真空管背部加上价格相对低廉的CPC聚光板后，导热油的集热温度得到明显提高，导热油温度最高可达103℃，证明该热水器可提高热水品位，进一步拓宽热水器使用范围；热管的单向传热和导热油的蓄热性能使得散热损失较少，可提高集热器的稳定性。(3)CPC热管真空管式太阳能热水器用了真空技术和热管技术，具有不冻管、不炸管、不结垢的优点；热管单向传热，整机热量散热损失少；热管启动温度低，启动速度快，升温速度快，可有效解决玻璃真空管热水器在高寒地区爆管的难题，特别适用于高纬度地区使用；该热水器还耦合了低倍聚光的小型CPC，增加CPC热管真空管式集热器的组数，或者增大CPC的聚光比，可拓展作为太阳能开水器，以及用于高效太阳能制冷和空调的中温热源。因此，具有广阔的推广应用前景。