“U”形玻璃真空管太阳能集热器应用型研究

魏旭东 贺芳萍

（酒泉市光热光伏设备质量检测中心，甘肃 酒泉 735000）

0 绪论

当前，全球能源短缺，全球天然气还可以开采65 年，石油还可以开采40 年，煤炭能够开采155 年，因此，研究和发展新能源成为迫切需求。当前，在我国的能源结构中，煤炭仍然处于主导地位，在我国一次能源中占70%以上，我国的煤炭主要用于火力发电，由于煤炭对环境的污染远高于石油和天然气，因此我国在环境治理方面存在较大压力，尤其要重视在推进宜居城市建设、乡村环境治理方面。开发利用新能源成为各国的迫切需要，甚至已上升至战略地位。太阳能是最安全的新型能源，提高转换效率是太阳能利用的核心问题。

1 真空管式集热器概述

直接利用太阳能有3 种形式，分别为光电、光热和光化学。虽然利用太阳能发电，已经形成了完整的产业链，但是应用最广的是光热形式。虽然太阳能有很多的优点，但是缺点也十分明显。例如太阳辐射能的能量密度较低，具有较大的间歇性，空间分布不均匀，容易受气候条件和地理环境的影响，因此太阳能集热器的发展基本朝提高集热效率和优化储热方式来进行。其结构分为转化部件（集热器）和储存部件蓄热器2 个部分，而围绕转化效率，集热器技术是整个系统的关键，集热器制造技术优劣和水平的高低直接影响系统吸收和利用太阳能的能力。该文主要讨论的是非聚光类太阳能集热器，并按照有无真空空间可以分为平板集热器和真空管式集热器。为了减少集热器的对流、传导和辐射等过程的换热损失，可以将吸热体与透明盖板之间的空气抽去，使该空间成为真空，从而成为真空管型集热器。

2 全玻璃真空管集热管改进及改进后的集热器传热分析

2.1 全玻璃真空集热管的改进

由于全玻璃真空集热管的管内存水量较大，从而造成了水温的上升时间较长，整个系统启动迟缓，往往不能及时满足需求；由于热水不能被取出，导致系统的热水利用效率降低，浪费了热资源；由于管内装的是液态水，在使用过程中一支管的破损就使系统不得不停止工作。为了克服上述缺点，该文采用内插“U”形管的全玻璃真空集热管：仍然保留原有的内玻璃管表面溅射的选择性吸收涂层和双层玻璃管，用圆柱形铝翼片包住“U”形金属管，然后插入全玻璃真空集热管中，使内玻璃管的里表与铝翼片紧贴，然后，将2 个进出口的水管分别与“U”形管的两端相连，组成内插“U”形管的全玻璃真空集热管。改进以后水箱中的水通过铜管循环，在循环中水不断被加热升温，运行时，当太阳辐射穿过真空管玻璃外壳投射在内层玻璃管上，在内层玻璃管上的选择性吸收涂层会将吸收到的辐射能转化为热能，由于内玻璃管与铝翼紧密接触，热能便与铝翼发生热传导，便会实现能量的传递，从而加热“U”形铜管内的流体。该做法不仅保留了原来在双层玻璃管和内玻璃管表面溅射的选择性涂层，而且在真空玻璃管中安装了“U”形铜管。采用这种结构不仅提高了真空集热管的耐压性，还避免了因炸管导致液体泄漏的问题。与采用全玻璃型集热管相比，“U ”形玻璃管的集热器有以下优点 ：寿命长、启动快、热容量小、热效率高，这些优点使“U”形管的推广使用成了必然趋势。其结构如图1所示。

图1 “U”形管集热器的结构

2.2 “U”形真空管集热器的传热分析

太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，从而投射在内玻璃管上。内玻璃管上的选择性吸收涂层有选择地将太阳辐射能转化为热能，铝翼作为热能传导的桥梁，将热能传导给“U”形铜管内的工质（流体），工质的温度不断升高，从而进一步加热水箱。与此同时，由于能量的传递要遵循热力学第二定律，被加热的吸热管和集管则不可避免地通过各种方式向外围环境散失部分热量。集热器运行时，太阳辐射穿过真空管玻璃外壳投射在内层玻璃管上，玻璃内管上的选择性涂层将吸收的辐射能转化为热能，由于内玻璃管与铝翼紧密接触，热能通过铝翼传导加热“U”形铜管内的流体。为了便于对“U”形管集热器的内部换热进行定量分析，假设内外玻璃管之间保持高度真空，内外玻璃管的温度不变，集热器内部的换热过程处于稳态，忽略真空管内空气对流和导热损失。在对太阳能热系统进行系统整体能量分析、热性能的计算时，需要获取准确可靠的太阳辐射瞬时值，当前主要通过数学计算的方法获得。该文选择MATLAB 编程进行分析。

由于“U”形管的两管脚传热相互影响，传热分析比较困难，为了方便处理，将“U”形铜管等效成一单根铜管，铜管的当量直径，由式（1）可得。

式中：D为铜管的当量直径，m；d为单个铜管的直径，m；L为“U”形铜管两管脚之间的距离，m。

总热损系数包括真空管热损系数和保温盒热损系数。如式（2）所示。

式中：U为集热器的总热损失系数；U为真空管热损系数；U为保温盒热损系数。

2.3 影响“U”形管集热器传热的因素分析

管长—“U”形玻璃真空管管长对其热性能有较大的影响，当太阳辐射等外界环境相近时，真空管的管长对“U”形管内温度的分布和液体工质的流动将起到决定性的作用。但是当管长≧1.6m 时，真空管的效率区域恒定，出现该情况的原因是：随着真空管长度的不断加长，加热工质的热量逐渐增多，使其出口温度上升，与此同时，“U”形管、外界间的温差不断增大，从而使热损失增加，导致“U”形管的有用能减少。通过计算可知，管长要适宜，而并不是一味、随性地增加其长度。“U”形管长度最好不要超过1.6m，否则会浪费材料、增加成本，且影响“U”形管的集热效率。

“U”形玻璃真空管的各个部件之间都有一定的比例，所以，内、外玻璃管的内径会随着其内置铜管内径的增加而增加，这会提高“U”形管的效率，原因如下：1）q与成正比，其中q—真空管的热损失，—真空管的直径。2）与成正比，—真空管的体积，因此在Δ相同的情况下，大孔径真空管的热损失的单位体积小于小孔径。3）随着工质温度的上升，其与周围环境之间的温差变大，从而增加了热损失。但是小管径的升温速率高于大管径的升温速率。

导热通常发生在2 个直接接触的固体壁面之间，但2个壁面处存在空隙时，则热量通过流体进行传递，这种在固体间的热传递过程中，由于存在空隙而产生的额外热阻叫做接触热阻。在“U”形玻璃真空管中，铝翼与内玻璃管、“U”形铜管与铝翼之间存在该热阻。热转移因子随着接触热阻的改变而改变，接触热阻的增大使热损增大，从而对降低真空管效率有很大影响。但是，热阻系数的增大可以减少降低这种不良影响，因此通过可行的措施将接触热阻减少到一定的范围内，真空管的热效率不会受到“U”形管内部空气夹层的影响过多。

工质在壁面上的流动一般处于紊流和层流状态。速度边界层内的流体，在流体处于层流状态时，进行有序分层的流动，通过沿壁面上的热量传递主要通过分子导热，因此该运动使热量不能被充分传递；当工质处于紊流状态时，紊流核心区分子做无规则运动，此时热量的传递主要是通过流体分子上下层的质量交换随着，随着分子导热，导热性能增强，真空管的热效率明显提高。

效率因子与铝翼肋片周长大小、厚度有直接的关系。可以探索在消耗较少铝材的情况下获得一致的集热效率，从而降低成本。

室外环境温度的变化影响着“U”形真空管中的铝翼与内玻璃管、内玻璃管与外玻璃管之间的温度差，从而引起了相应的热损导致集热器的效率发生变化。流体出口平均温度随着环境温度的升高而升高，热效率也随之升高，当外界温度升高时，温差导致真空管与外界间的辐射和对流热损减少，从而使工质出口温度升高。此时，真空管的热效率也会升高。

当太阳的辐射量增加时，热效率和流体出口平均温度升高，太阳能的辐射能在外界环境较低时对热效率的影响较大。当环境温度较低时，效率上升较快，但随着太阳辐射的增加，该太阳辐射量的效率曲线减缓上升速度并且趋于平稳。

热损随着流体入口温度的增加而增大，而进出口的温度差变小，真空管获得的有用能降低，反之亦然。真空管的热效率受流体入口温度变化的影响，周围环境与入口的温差随着入口温度的升高而升高，导致其与外界的换热量增大，热损失增大，集热效率降低。

3 基于性能分析和热影响因素的“U”形玻璃真空管集热器在热水系统中的应用选型

3.1 性能比对

根据改进前后各项性能参数的变化，将相关影响因素输入系统，

其中上面的一簇曲线是改进后的，位于下方的一簇曲线是改进前的，转化效率得到了明显提升。

3.2 系统应用选型

组合集热器太阳能热水系统由管道、组合集热器、控制系统和循环泵组成。采用主动循环，可实现多种控制功能。其主要特点是该系统可以占用较小的屋顶空间，便于实现多种控制功能，节约成本。因此，这种系统的应用越来越广泛。因此，该设计采用组合集热器太阳能热水系统。单水箱组合集热器太阳能热水系统在用水后自动注水过程中直接进入水箱。由于内外水温差大，系统水温迅速下降，辅助能源频繁启动，导致系统稳定性差。因此，该系统适用于需水量低、耗水量小的场合，如小型企事业单位员工洗澡、学校学生洗澡等，主要用于稳定的作息时间和定期排水。双水箱组合集热器太阳能热水系统采用2 个水箱，其中一个为恒温水箱。由于有恒温水箱作为缓冲，不需要频繁启动辅助能源，辅助能源启动频率小，系统稳定性高。适用于供水温度高、连续供水的机组。

图2 改进前后在相同铝材厚度、相同接触热阻系数的转化率对比

集热器组的连接方式有3 种：1）串联。一个收集器的出口与另一个收集器的进口相连。2）并联。一个收集器的入口和出口分别与另一个收集器的入口和出口相连，相互对应。3）混合连接。多个集电器并联，并联集电器组串联形成并联串联；或者几个集电器串联，然后在串联集电器组之间并联，这称为串并联。对自然循环全球，由于热虹吸管压头小，一般采用阻力小的集热器组并联。为了防止流量分布不均，一组集热器的面积一般不超过30m。强制循环太阳能热水系统采用水泵循环，压头大。根据系统布局，可灵活采用串并联或并联串联的连接方式。

4 结论

该文首先从能源的角度出发，对全球共同面临的能源状况进行了分析，阐述了我国的能源问题，提出解决措施。在了解发展新能源必要性的基础上，对太阳能进行了质和量的分析，从太阳辐射的热利用出发，简要介绍了各种类型的集热器和其工作原理，主要对“U”形玻璃真空管集热器进行深入，对整个传热系统的热性能进行分析，对整个系统进行数学建模和优化，并且分析对集热器效率的影响因素。为了提高集热器效率，该文提出设计优化措施。