太阳能真空管加热饮用水的对比研究*

陈 林，李 雷*，高 可，刘瑞明，何京鸿

(楚雄师范学院物理与电子科学学院，云南 楚雄 675000)

引言

随着新能源技术的发展，新能源的利用越来越受到人们的青睐，作为新能源主力军的太阳能利用发展更是迅猛，太阳能利用最成熟的是太阳能热水器。2014年我国太阳能集热系统安装量5240万m2，其中工程市场为2100万m2，零售市场为3140万m2[1]。尤其在中国，全玻璃真空管太阳能热水器由于结构简单、成本低廉、运输方便等优点[2]，在市场上保有较高的占有率。众所皆知，全玻璃真空管太阳能热水器核心部分是全玻璃真空管集热器，全玻璃真空管集热器性能的优劣直接影响加热水的效果。然而，大家把更多的关注点集中到聚光器的研究和太阳能集热器热性能的表征上。2004年，许雪松探讨了CPC型热管真空管集热器的性能[3]，2007年，赵玉兰测试了热管式CPC真空管集热器的热效率[4]，2011年，李勇对6倍几何聚光比CPC太阳能集热器进行了实地测试[5]。2016年，王健研究了不同低倍聚光比CPC热性能的对比试验[6]，这些研究都表明，CPC太阳能集热器可以把工质加热到300℃左右，能产生一个较为持续的高温环境，这些结论为CPC太阳能集热器加热工质的研究积累了宝贵的数据。同时，对真空管热水器的研究也较为充分，Morrison[7]在TRNSYS中开发了用于预测全玻璃真空管热水系统长期性能的数值模型，宋爱国[8]主要探讨了真空管太阳热水器热性能，高文峰[9]也对太阳能真空管的性能做了大量的数值计算与模拟计算；杨秀，王金标[10]对真空管太阳能集热器水温对集热效率的影响做了相应的实验测试和数据分析；郝俊勇[11]对CPC太阳能集热器的性能研究及凝结水辅助加热系统进行了理论计算以及模拟实验分析；田琦[12]针对水在玻璃真空管太阳能集热器中加热的热性能计算以及实验结果进行了分析。实验数据大都围绕太阳能热水器性能或者太阳能热水器加热工质进行，而没有直接提到真空管加热饮用水的情况。

众所周知，太阳能真空管由高硼硅玻璃组成，高硼硅玻璃是经过800―1000℃高温熔化和成型制成，因其优异的性能，被广泛应用于太阳能、化工、医药包装等行业，高硼硅玻璃具有无毒、无污染的特点可以直接加热饮用水；另一方面，CPC太阳能集热器可以把工质加热到300℃，为CPC太阳能真空管加热饮用水提供了部分数据支撑。

所以，为了更全面的研究CPC聚光器直接加热饮用水情况，本文设计并对比研究了三种不同条件下真空管加热水的效果，这三种情况分别为：非聚光真空管，平面反射膜层聚光真空管以及复合抛物面聚光(Compound Parabolic Concentrator，CPC)真空管。

1.实验过程

1.1试验设备

本实验使用TMC-2Z便捷式太阳能集热管热性能测试系统来测量真空管内温度分布情况，其实物如图1所示，该仪器可以测量真空管温度、环境温度、风速、辐照的实时情况，设备各项参数如表1所示。

图1 TMC-2Z便捷式太阳能集热管热性能测试系统

名称通道数测量范围精度分辨率温度1―25路-40℃―300℃±0.1℃0.1℃环境温度2路-40℃―70℃±0.1℃0.1℃风速1路0～60m/s±0.1(0.5+0.05V)m/s0.1m/s太阳辐射1路0～2000W/m2±5%W/m21W/m2

本实验通过户外测试来获取实验数据，户外测试受环境影响、太阳辐照条件、环境温度、风速等条件的随机性影响较大。实验对天气和季节的选择很重要，所以，本实验选择楚雄天气晴朗，风速较小，温度较低的冬季进行测试。实验所用的太阳能全玻璃真空管规格如表2所示。

表2 真空管规格参数

1.2测试过程

为了对比真空管在不同聚光情况下加热饮用水情况，实验使用四根相同批次真空管搭建了测试系统如图2所示，分别A为平面聚光真空管、B为非聚光真空管、C为复合CPC聚光真空管，用于重复装水加热，计算一天烧水次数、体积以及获得的热量、D为对比复合CPC聚光真空管，用于对比A与B加热饮用水的速度。为了减少真空管在加热水的过程中和外界进行热交换，导致热量损失，在真空管封口处安装管盖。

图2 真空管加热饮用水对比试验

测试从早上9点一直延续到下午18点，持续了9个小时，使用高温探头检测真空管加热饮用水情况，8号探头监控A管，11号探头监控B管，2号探头监控C管，14号探头监控D管。

2.实验结果分析

2.1正南方向，不同真空管加热饮水的对比

图4为测量当天太阳辐照分布，由图可知，测试当天辐照较好，中午12：50时，达到一天辐照的最大值930W/m2。

图4 测试当天的太阳辐射图

通过整理测试数据，并对比了不同真空管加热水的情况，图5a为正南方向，非聚光真空管加热水温度与时间的关系曲线；图5b为正南方向，平板式聚光真空管加热水温度与时间的关系曲线；图5c为正南方向，复合CPC聚光真空管加热水温度与时间的关系曲线。很明显，三种真空管加热水至最高温度(烧开)所用的时间是不一样的，非聚光真空管烧开水时间最长为182min，其次为平板聚光真空管，所用时间为130min，复合CPC聚光真空管烧开水用时最短为81min。出现这些差异的原因是，非聚光真空管加热水完全依靠太阳光直射获得加热水的热量，且真空管在工作时仅仅只有内管表面积的一半可以接收到太阳直射，受光照时间少。所以，用这种方式加热饮用水是很慢的。具有减反射层的真空管加热不仅能接受直射太阳辐照而且可以把太阳光反射到真空管上，使得真空管吸收涂层被太阳光照射面积增大，而将真空管的热效率加以提高。

图5 a非聚光式真空管加热饮用水水温随时间变化的曲线，b平板聚光式真空管加热饮用水水温随时间变化的曲线图，c复合CPC聚光式真空管加热饮用水水温随时间变化的曲线

复合CPC聚光真空管加热饮用水时间更短，是由于复合CPC聚光器的主体部分为两片抛物面反射板，这种反射板是根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，入射阳光在CPC中通过几次反射到达接收表面，流失较少，还可以对斜入射的太阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比，性能非常接近于理想聚光器[13，14]。

2.2一天获得的热水量

在相同太阳辐照下，探究了复合CPC聚光真空管烧开热水所获得的热量，由热量计算公式1可知，水获得的热量与水的质量、比热容、温度变化有密切关系。

Q=C×M×Δt

(1)

其中，C为水的比热容4.2×103J/(Kg℃)，M为水的质量M=ρ×V，ρ为水的密度1×103kg/m3，Δt为加热水后的温度差。

计算时，水的密度变化不考虑，每次加入到真空管内水温均为15℃，在楚雄地区，由于当地的大气压强低于海平面的大气压，因此在本地将水的温度加热至93℃就已经是开水。所以，给真空管加热时，温度到达93℃就停止加热。

从表3可以看出，使用长为500mm，内径为47mm的真空管，从早上9点到下午18点期间(一天内)复合CPC槽式聚光真空管给饮用水加热，可以烧开4次，由于下午18:00以后，太阳辐照迅速减弱，使得真空管对水第五次加热只到76.2℃，但是在这段时间里获得的热量也有100.25KJ。在这一天中获得的总热量为570939.3J≈0.57MJ，加热开水的体积为1815ml，相当于市面出售550ml矿泉水三瓶。

根据标准真空管(长为1800mm，内径为58mm)来计算一天加热饮量，将可获得热量537.9MJ，获得热水量为6534ml，相当于市面出售550ml矿泉水11瓶。

表3 复合CPC槽式聚光真空管加热饮用水水量对比

表4对比了非聚光、平面聚光、复合CPC聚光真空管烧开水次数和所需要时间，在一天之内复合CPC真空管可以把水烧开四次，获得开水1815ml，非聚光真空管可以把水烧开两次获得热水700ml，平面聚光真空管可以把水烧开三次，获得热水量为1060ml。

备注：“*”表示该次实验中水未烧开。

3.结论

为了更好的分析全玻璃真空管太阳能集热器加热水的效果，对比了不同聚光方式下，同批次真空管加热饮用水的情况，并对实验结果进行了详细的分析和研究，得出以下结论：

在相同条件下，非聚光式真空管加热饮用水烧开时间最长为182min，其次为平板聚光真空管时间为130min，加热最快的是复合CPC聚光真空管，时间为81min。

探究了一天内复合CPC聚光真空管烧开热水的次数和体积，测试表明，复合CPC聚光真空管可以将15℃的水烧开4次，能够获得的热量为0.57MJ，热水的水量为1815ml，相当于市面出售550ml矿泉水三瓶；使用体积更大的标准真空管将可以获得537.9MJ的热量，同时获得6534ml热水，相当于市面出售550ml矿泉水11瓶。