热管式真空集热管的研究进展

北京金阳科创太阳能技术有限公司 ■ 葛洪川 蒋富林 孙伟

0 引言

在太阳能光热应用领域，特别是低温洗浴热水的应用中，全玻璃真空集热管产品得到了很大的普及，但在应用中也遇到了热水系统可靠性低、北方寒冷地区冬季几乎不能使用的问题。市场迫切要求光热产品升级换代，以提供可靠的热水系统集热元件和彻底解决寒冷冬季的使用问题。同时，市场需要光热的中温(100 ℃以上)应用，以满足太阳能空调采暖和工业用热的需求。

近年来，金属吸热体真空管的技术与产品有了突破性的改进，为太阳能光热技术的提升、产品的更新换代提供了可能[1]。热管式真空集热管生产工艺中的金属与玻璃的真空密封技术通过几十年来的完善日趋成熟，并且对其多方面的应用研究也取得重大进展，这包括适合热水工程使用的防过热可控温真空管、适合100℃以上使用的非聚光免跟踪中温真空集热管、适合与建筑结合的水平热管真空管。

1 防过热可控温真空集热管

1.1 热水系统应用时的过热问题

太阳能真空管的加热不受控已成为太阳能热利用装置制造和系统设计时考虑的首要问题，由于真空管集热器的空晒温度过高(可超过300 ℃)，使得系统设计时需考虑多方面的影响：

1)温度过高需要选用耐高温的材料，使成本提高；如选用聚氨酯发泡保温，会导致炭化失效。

2)温度过高造成系统内部的压力过高，需提高系统承压能力，使成本增加。在承压时水温可达130 ℃，导致胶圈老化。

3)高温高压会造成系统寿命短、可靠性降低、维护费用提高等。整机系统过热使搪瓷水箱内胆寿命缩短，管道不能使用铝塑管是承压系统未能推广的原因。

4)真空管长期处于高温状态使其寿命大幅降低，同时真空管系统可靠性降低。

因此，必须解决真空管的过热问题，才能使真空管及其系统安全可靠、耐用、免维护，降低成本进而得到广泛应用。同时，防过热也是太阳能光热装置与建筑结合必须解决的问题。

1.2 真空管防过热的方法

为了解决过热问题，各国研究者在几十年的实践中提出过各种方案，经归结主要有以下几种：

1)在传热部件热管上想办法：可通过合理控制工质灌充量，使过温时产生干涸效应，减少传热；或者加设温控装置，制作控温热管，使热管在设定温度停止工作。

控温热管主要方法分为两种：一是阻止传热通道——到设定温度时，阻断蒸发段与冷凝段的通道。这种方法由于蒸发段与冷凝段不连通，热管内压力处于不平衡状态，封堵元件极易受损。二是阻止工质回流——到设定温度时，工质存留在热管的冷凝段内，使蒸发段处于干烧状态，热管停止工作。这种方法由于蒸发段与冷凝段连通，热管内压力处于平衡状态，封堵元件寿命长，但应用时控温重复性差。

2)改变吸热体表面的发射率，吸热体分为圆柱吸热体(全玻璃真空管)和平面条带吸热体(热管式真空管)。高温时加大热损，减小系统得热量，如得热量与系统(装置)热损相当，可使系统(装置)停止升温。

3)定量加充气体，使高温时对流热损增大，避免真空管过热。

目前，国内外现有的太阳能集热系统过热保护方案都存在一定的问题，有的技术不够成熟，有的使成本增高，在经济上不合理。因此，对于翅片式热管真空集热管的高温过热问题，文献[2]提出一种控制太阳能真空管空晒温度的方法，该方法是通过改变太阳能真空管吸热体背部表面的发射率，来控制太阳能热管真空管的空晒温度。

此方法中，在确定吸热体正面太阳光谱选择性吸收涂层性能的情况下，可通过实验找到与设定空晒温度对应的吸热体背面的设定发射率值，然后通过改变吸热体背面的表面状态，使吸热体背面的发射率值大于或等于设定发射率值，从而控制空晒温度。

1.3 实验和结论

通过对热管真空管翅片背面做粗糙处理的方法，使其能增加集热管在过热条件下的热损失，有效控制真空集热管的空晒温度，从而延长太阳能集热系统的使用寿命，并降低制造成本。

文献[3]分别以翅片背面未做处理的一根标准集热管(管1)和翅片背面做过不同程度粗糙处理的两根集热管(管2、3)为研究对象，建立了一维稳态热损失模型，介绍了热性能实验的方法、器材、实验台，并分析了测试结果和模型计算结果。图1给出了实验及模型计算热损失数据。

图1 实验及模型计算热损失数据

通过对粗糙处理过的集热管和标准管的对比发现，翅片背面的粗糙度对集热管的热损失有较大影响，这种影响在低温时并不明显，温度越高影响越大。例如，当铜管温度均为100 ℃时，对比管1，管2 增加了18.75%的热损失，管3 增加了46.25%的热损失；而当铜管温度均为200 ℃时，对比管1 ，管2 增加了45.36%的热损失，管3 增加了109.29%的热损失[3]。

通过对做过不同粗糙处理的集热管对比发现，随着粗糙度的增大，集热管的热损失也增大。例如，从计算所得发射率0.142＞0.085，即管3的翅片背面粗糙度大于管2 的翅片背面粗糙度，因此在相同温度时管3 的热损失明显大于管2，并且增大程度随着温度的升高而增加。

因此，这种对翅片背面进行粗糙处理的方法可用于高温时控温，从而防止集热系统过热而影响集热器的使用寿命。在实际应用中，为了防止系统过热，可根据实际的太阳能辐射情况加工翅片背面粗糙度不同的太阳能集热器[3]。

文献[4]采用两台热管式真空管承压热水器，分别安装标准的热管式真空管(热水管2)和经过处理的热管式真空管(热水器1)，并进行升温对比实验。

图2 两台对比实验热水器水温变化情况

结果显示水温低于80 ℃时，温升速度基本相同；高于80 ℃后，经过处理的真空管热水器的温升速度明显低于未经处理的真空管热水器。

以上研究和实验说明，通过改变热管式真空管吸热板背面的表面发射率可控制真空管在高温段的性能。同时，改变吸热板背部表面的发射率除了采用改变粗糙度的方法外，还可通过机械或化学处理方法实现，包括改变真空管吸热板背部表面的粗糙度和增加表面的氧化程度，以及采用真空镀膜的方法，将该表面的发射率增加到设定值。为了更准确和有效地控制热管真空管的装置过热，还需进一步研究，找出每种应用装置的过热温度出现与真空管吸热板性能的对应关系，从而避免过热的出现。

1.4 防过热可控温真空管的应用

由此防过热方案生产的热管真空管造价低、易操作，几乎可不增加成本。产品已批量应用于承压整机和西藏高辐照地区的太阳能热水系统，并取得显著效果，其可增加热水系统的安全可靠性，使系统达到高效可靠、耐用和免维护的要求。

图3 热管式真空管在热水系统中的应用

2 非聚光免跟踪中温真空集热管

2.1 中温集热器的需求

近年来，真空管太阳能集热器的应用领域由太阳能热水向太阳能供热采暖和太阳能空调领域拓展，这就要求真空管太阳能集热器在工作温度较高时仍能保持较高的工作效率。

众所周知，玻璃吸热体由于其机械强度和耐冷热冲击的限制使其无法作为中温集热器的吸热体，只有金属吸热体才可作为中温真空管的吸热体。

国内外许多学者采取了诸如内置CPC和外置CPC来提高真空管太阳能集热器在高温工况下的工作效率，这些措施可一定程度上提高真空管太阳能集热器的热性能，但工艺相对复杂，一些工艺仅停留在实验室阶段，目前无法在工程中推广应用。

文献[5]采用在吸热体背面设置遮热板的方式，有效降低真空管的背部辐射热损，使真空管具有较好的中温性能。研究结果表明，带遮热板的真空集热管在较高温度工作时性能优越。

由于在圆周向增加遮热板较为困难，文献[6,7]提出在热管式平板吸热体真空集热管吸热板背部增加平板式遮热板的方式减少辐射热损，工艺相对于在圆周向增加遮热板更加简单，易于实现。文献[8]通过理论分析和对比实验验证，确定了带有遮热板的平板金属吸热体真空管太阳能集热器的中温热性能。

带遮热板的热管式真空管是在金属吸热板的背部加设铝制遮热板，此工艺简单，成本较低，易于实现。热管式真空管和带遮热板的热管真空管的截面图见图4。

图4 两种管型真空管的截面图

2.2 实验与结论

设计了用于测试中温集热器的测试平台，提出了在吸热板背部增加遮热板来减少辐射热损失，进而提高热管式真空管集热器性能的方法，建立了真空管集热器的传热模型。通过对比试验，确定了带遮热板的真空管太阳能集热器的性能，得到相应的瞬时效率曲线。

国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)成功研制开发了工作温度在100 ℃以上的中高温集热器热性能测试台，目前工作温度能稳定在150 ℃(以水为工质)，目标是180 ℃(以水为工质)。选用北京金阳科创太阳能技术有限公司生产的两种直流式真空管太阳能集热器作为测试样品，两台集热器都是采用6支外径102 mm、管长2000 mm的直流式真空管，集热器采光面积均为1.20 m2，唯一不同是其中一台集热器吸热体背部安装了遮热板。测试状态下的实验装置和集热器见图5。

图5 中温太阳能集热器热性能测试装置

图6为两种真空管集热器热性能测试结果，可见带遮热板的真空管集热器的热性能较优，尤其是在工作温度129 ℃时，归一化温差为0.13 m2·K/W，集热器的效率为0.55，远高于不带遮热板的集热器效率。这是报道过的热性能最好的真空管集热器。

图6 两种真空管型集热器热性能测试结果

通过模型计算得出，带遮热板的真空管比不带遮热板的真空管吸热体对玻璃管的净辐射传热热损降低22.7%，两者正面辐射热损相当，而背面带遮热板比不带遮热板的真空管辐射热损降低57%。可见加设铝制内遮热板的优越性。

吸热板背部加遮热板的真空管集热器的中温集热效果优异，且制作工艺简单、成本低，是未来太阳能光热中温应用领域中值得推广的一款真空管集热器。

带遮热板的真空管集热器在中温利用时不用跟踪器和聚光器，可利用太阳辐射中的散射分量，在大多数地区全年的太阳辐射利用率比带聚光器的中温利用装置多约50%，是一种更适合的太阳能光热中温利用产品。

遮热板的应用比在玻璃罩管表面制备减反射涂层和提高吸热体涂层性能更有效且性价比高。

2.3 非聚光免跟踪中温真空管的应用

由于该中温段的真空管运行时无需跟踪，使得中温集热系统简单可靠，已应用于澳洲低温发电、原油加热、工业用热和冬季采暖等项目。

图7 北方寒冷地区冬季采暖项目

3 水平应用的热管真空管

3.1 与建筑结合的需求

太阳能技术与建筑技术结合，要求在建筑设计阶段就要将太阳能集热器作为建筑的重要组成元素融入到建筑整体中，既不破坏建筑结构和整体形象，又能在不同的使用环境下高效运行，达到更长的使用寿命。这就要求太阳能集热器具应有高效、耐用、抗冻、安全的特性，并承受一定的运行压力。要达到与建筑结合的要求，就要求太阳能集热器突破安装位置和角度上的局限，能够水平安装，与建筑外观和谐统一。

在重力热管式真空管集热器的基础上开发出了一种可水平安装运行的无芯水平热管真空管集热器[9]。真空管集热器竖立放置会影响建筑的美观，且夏季得热量小。

3.2 无芯水平热管的原理[9]

重力热管工作时必须有一倾角，否则热管内工质无法回流，影响热管工作性能。如需要热管水平工作时，一般是采用有芯热管，利用管芯的毛细作用使热管内的工质可顺利回流到热管的蒸发段。如果在现有使用中的太阳能集热器热管内加设毛细芯，将造成制造工艺复杂和集热器成本过高。

当一液滴滴入液体中，该液滴会自动溶入液体内，液面保持平整，不断地滴入液滴只能使整个液面升高，而不是仅对滴入液滴的地方产生影响。基于此，发明了可水平传热的无芯水平热管产品。本无芯水平热管的蒸发段在轴向方向没有高度位差，其中的工作液体为连续液面，形成液体流通通路，来实现冷凝段液态工作介质的回流，从而实现热管在该水平段的水平传热。

该无芯水平热管工作时，工作介质在蒸发段吸收热量蒸发为气态，气态的工作介质通过液面与热管壁之间的轴向空间形成气体流通通路到达冷凝段，并在冷凝段放出热量冷凝为液态，液态的工作介质流入热管水平段内由液态工作介质形成的液面中，通过该连续液面形成的液体流通通路使该段被蒸发的工作介质不断得到补充，如此不断循环，实现热管水平段的水平持续传热，从而保证没有轴向高度位差的水平蒸发段的热管持续传热。

工程应用中，采用无芯水平热管的热管真空管太阳能集热器产品可水平放置，这样太阳能集热器可方便地水平结合于建筑物上；且其吸热不再受太阳入射角的影响，从而克服了传统太阳能真空管在夏天吸热少的缺陷。

3.3 水平热管金属吸热体真空管

如图8所示，水平热管金属吸热体真空管继承了金属吸热体真空管的结构，主要由无芯水平热管、金属吸热体和真空玻璃罩管构成。

图8 水平热管金属吸热体真空管

真空玻璃管内的金属吸热体将吸收的太阳热能传导给热管蒸发段，再由热管内的工质将热量传递到热管冷凝端。该产品保留了金属吸热体热管真空管产品集热效率高、传热速度快、产热量大、抗冻能力强等优点，可东西向水平放置，安装灵活方便，使用寿命长，是金属吸热体真空管产品中的高端产品，并且是与建筑结合应用的理想产品。

3.4 水平热管真空管的应用

水平热管真空管非常适合制作阳台型太阳能热水器，已有多种阳台壁挂热水器使用。

水平热管真空管也非常适合大型建筑的太阳能热水工程项目。水平安装的热管真空管集热器既有美观视觉效果，又坚固防风实用。

图9 水平热管真空管集热器工程

4 结论与展望

金属吸热体热管真空管的研究和改进取得重大进展，相关研究提出的解决方案有效解决了应用中的部分技术难题，包括真空管在热水系统特别是整机使用中的过热问题，真空管在采暖空调、工业用热和低温发电等中温应用中进一步提高集热器效率的问题，以及真空管集热器在与建筑设计结合一体化中水平使用的问题。

太阳能光热产品升级换代将更多寄希望于金属吸热体热管真空集热管。可以展望这些技术的研究进展将进一步扩展热管真空集热管的使用范围，随着生产成本的降低，热管式真空集热管必将成为光热应用领域的新亮点。

[1]周小波, 蒋富林, 孙伟. 热管式真空太阳能集热管及其应用[J]. 太阳能, 2011, (16): 52－58.

[2]葛洪川, 蒋富林,孙伟. 控制太阳能真空管空晒温度的方法[P].中国专利: 201110008552.3, 2011-01-14.

[3]张海莹, 郑宏飞, 熊建银, 等. 翅片式热管真空管太阳能集热器的热损性能研究[J].太阳能学报, 2014, 35(5): 773－778.

[4] Zheng Hongfei , Xiong Jianying, Su Yuehong, et al. A Infl uence of the receiver's back surface radiative characteristics on the performance of a heat-pipe evacuated-tube solar collector[J].Applied Energy, 2014, 116：159－166.

[5]闵子健, 葛洪川, 孙伟. 带内遮热板真空集热管的研究[J].太阳能学报, 2007, 28(8): 865－867 .

[6]江希年，高汉三，葛洪川. 真空太阳能集热管[P].中国专利：200420073199.3, 2004-07-27.

[7]郭晋锋, 王宁，葛洪川，等. 带有遮热板的热管式真空管[P].中国专利：201220026036.3, 2012-01-19.

[8]张昕宇, 由世俊 , 葛洪川, 等. 带遮热板的热管式真空管集热器中温性能的理论与实验研究[J] .太阳能学报( 已录用待发表).

[9]葛洪川, 周小波. 无芯水平热管真空管集热器及其在建筑中的应用[J].太阳能, 2007, (10): 24－28.