一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器性能研究

■ 常澤輝 鄭彥捷 鄭宏飛

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

一 引言

太陽能集熱器是太陽能熱水器的核心部件，是用來吸收太陽輻射并使之轉(zhuǎn)換為熱能傳遞給傳熱介質(zhì)的裝置。常見的太陽能集熱器主要有真空管式太陽能集熱器、平板型太陽能集熱器和熱管式太陽能集熱器。

平板型太陽能熱水器是由金屬吸熱板芯、玻璃蓋板、鋁合金圍護(hù)結(jié)構(gòu)和保溫材料等構(gòu)成。由于其金屬流道和性能不依賴真空度的結(jié)構(gòu)，使其具備了一系列相對于真空管式集熱器更突出的特點(diǎn)：整個(gè)管路采用金屬元件，可承壓運(yùn)行；局部破損不會(huì)引起工質(zhì)泄漏，易于與建筑結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑一體化結(jié)構(gòu)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，平板型熱水器在歐洲各國的占有率為90%[1]。其缺點(diǎn)是冬季集熱溫度不高、較難滿足用戶需求，還特別需要防凍。

真空管式太陽能熱水器，主要由真空管集熱器、儲(chǔ)熱水箱、集聯(lián)箱、尾架、密封件等組成。因具有無需追蹤、涂層太陽吸收比大、發(fā)射比小、熱效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。另外其集熱效率較高，當(dāng)環(huán)境溫度大于-10℃時(shí)，集熱溫度可大于45℃，能基本滿足用戶的熱水需求；但當(dāng)環(huán)境溫度小于-10℃時(shí)，集熱溫度通常不能滿足用戶需求。其缺點(diǎn)是易于破碎，因而難于承壓運(yùn)行，特別是在大系統(tǒng)和大工程中應(yīng)用時(shí)，真空管集熱器還存在管內(nèi)大量充水運(yùn)行，導(dǎo)致熱惰性增大。

熱管式真空管以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)原理和性能得到了市場的認(rèn)可，但在實(shí)際應(yīng)用中，也出現(xiàn)了新的問題，由于其管內(nèi)的吸熱面與管外冷凝端的散熱面之比是100∶2，所以冷凝端溫度很高，若不及時(shí)帶走產(chǎn)生的熱量則會(huì)影響其熱效率，而且高溫?zé)崴菀捉Y(jié)垢，這也成為熱效率下降的一個(gè)原因。

上述太陽能集器的一個(gè)共同的缺點(diǎn)是在寒冷的冬季可能無法使用。為了克服上述集熱器的缺點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮各自的優(yōu)勢，獲取更高的集熱溫度，有多種新的設(shè)計(jì)思想被提出。Singh H等[2]提出了一種基于CPC聚光、真空管集熱整體封裝的太陽能集熱器，該集熱器有較大的聚光角，可較長時(shí)間無需跟蹤太陽，其缺點(diǎn)是全年的效率較低。葛洪川等[3]研制了一種在管內(nèi)聚光的真空管型集熱器，也能獲得較高的集熱溫度。任云鋒等[4]將復(fù)合拋物面(CPC)與熱管平板式集熱器相結(jié)合，對一種以平板形吸熱板為接收器的CPC型熱管式太陽能集熱器展開研究，結(jié)果表明，該集熱器不但提高了集熱溫度和集熱效率，而且降低了熱損失。張維薇等[5]設(shè)計(jì)了一種新型整體拋物面熱管式真空管集熱器，對該集熱器的集熱性能做了對比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該集熱器具有較高集熱性能。Kim Y等[6]對單軸跟蹤式聚光太陽能集熱器和固定式太陽能聚光集熱器的熱性能進(jìn)行了對比研究，結(jié)果顯示跟蹤式聚光太陽能集熱器集熱溫度穩(wěn)定，其即熱效率比固定式約高14.9%。上述研究結(jié)果表明，小槽聚光、真空管接收的集熱器部分解決了傳統(tǒng)集熱器集熱溫度不高的問題，但真空管熱惰性大和易于破碎的缺點(diǎn)并沒有克服，如果沒有外玻璃蓋板，聚光面易積聚灰塵的缺陷也未克服。另外，即使是利用CPC聚光器，其聚光角也有限，不可能滿足全天的太陽聚光需求，因此對于固定不動(dòng)的聚光器，其全天采光效率較低。

為了進(jìn)一步克服傳統(tǒng)太陽能集熱器的不足，設(shè)計(jì)了一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器，并對其聚光性能和集熱性能進(jìn)行了研究，利用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，避免冬季被凍裂的缺點(diǎn)，能滿足用戶冬季的用水需求。

二 小槽聚光-真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器結(jié)構(gòu)

本文提出的一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器，其設(shè)計(jì)思想是將平板集熱器、真空管集熱器和聚光集熱器的優(yōu)點(diǎn)集于一體，同時(shí)又能提高真空管接收器單位面積太陽輻照度的新型太陽能集熱器，使其能在冬季寒冷環(huán)境下獲得60℃以上的溫度。

提出的太陽能集熱器有兩種跟蹤方式，一種是裝置整體框架跟蹤太陽結(jié)構(gòu)，可根據(jù)太陽高度角隨季節(jié)的變化，通過調(diào)節(jié)框架外的調(diào)節(jié)手柄來改變聚光槽的傾角，使太陽光聚焦線始終與真空管接收器重合。實(shí)物如圖1所示，在京郊小區(qū)安裝的示范工程如圖2所示。

圖1 新型整體框架跟蹤太陽能集熱器實(shí)物圖

圖2 京郊小區(qū)太陽能熱水器示范工程圖

另一種是聚光小槽自動(dòng)跟蹤太陽結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)部跟蹤方式，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖3所示。在聚光槽兩端安裝有光敏探頭，通過比較聚光槽兩端的太陽輻照度差值，聚光槽自動(dòng)調(diào)節(jié)傾角，使得兩端太陽輻照度相同，并且等于最大輻照度。該集熱器能實(shí)時(shí)跟蹤太陽，具有集熱效率高、傳熱介質(zhì)工作穩(wěn)定性好、便于與建筑結(jié)合、熱惰性小等優(yōu)點(diǎn)。圖4為該集熱器的一個(gè)示范工程圖。經(jīng)過在實(shí)際天氣條件下運(yùn)行，能達(dá)到預(yù)期的集熱效果。

圖3 新型小槽跟蹤太陽能集熱器實(shí)物圖

圖4 示范工程圖

1 系統(tǒng)的組成

該太陽能熱水器由新型槽式太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、油泵、循環(huán)管路等組成，系統(tǒng)如圖5所示。其中為了減少系統(tǒng)運(yùn)行過程中向環(huán)境的散熱，循環(huán)管路和儲(chǔ)熱水箱外均包有巖棉保溫層。新型槽式太陽能集熱器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它主要是由組合曲面聚光器、真空管集熱器、太陽跟蹤系統(tǒng)和封裝外殼等主要部件依次連接組成。其中，封裝外殼由透明玻璃蓋板和外殼體組成。

圖5 整體封裝式太陽能集熱系統(tǒng)

小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器需對太陽光進(jìn)行跟蹤，可通過安裝在框架上的調(diào)節(jié)手柄手動(dòng)調(diào)整或聚光槽兩端的光敏探頭自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以保持聚光槽對太陽光的最佳集光位置，提高集熱溫度和太陽能的熱利用效率。

2 系統(tǒng)的工作原理

該裝置的工作原理為：太陽光由透明玻璃蓋板入射到組合曲面聚光器上，經(jīng)聚光器內(nèi)表面反射聚焦到真空管集熱器上，使傳熱介質(zhì)受熱升溫，熱能再經(jīng)熱傳導(dǎo)由真空管集熱器內(nèi)的導(dǎo)熱油輸送到儲(chǔ)熱水箱，水箱中的水受熱升溫，而換熱后導(dǎo)熱油的溫度降低，降溫后的導(dǎo)熱油通過油泵回到集熱器中，如此循環(huán)，不斷加熱儲(chǔ)熱水箱中的水，使水溫達(dá)到用戶所需要的溫度。

為提高裝置換熱效率，減少傳統(tǒng)真空管集熱器內(nèi)部的熱惰性，專門設(shè)計(jì)了金屬同心管(見圖6)，放入真空管中，代替管中的液體。從圖6可以看出，當(dāng)真空管內(nèi)通導(dǎo)熱油時(shí)，導(dǎo)熱油首先進(jìn)入金屬同心管的內(nèi)管，然后再流入外管與內(nèi)管之間的空腔，并在其中吸收太陽輻射能。與傳統(tǒng)的U型管相比，改進(jìn)后的同心管中導(dǎo)熱油的換熱面積增大，單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量隨之增加，非常有利于系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

圖6 玻璃真空管與金屬同心管

3 聚光器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)聚光性能好、易于加工的多曲面槽式聚光器是實(shí)現(xiàn)將低能流密度太陽光聚集到真空管上的關(guān)鍵。所設(shè)計(jì)的聚光器橫截面曲線如圖7所示。它主要由拋物面、平面反射鏡和槽底拋物面組成。聚光原理為：平行于對稱軸的入射光線，在最大聚光寬度AB'內(nèi)大部分將入射到拋物面的內(nèi)表面上，經(jīng)反射后入射到真空管接收器上。少部分光線直接或經(jīng)平面反射鏡、槽底拋物面內(nèi)表面一次或二次反射后匯聚到真空管接收器上；接收器的中心線正好與拋物面的焦線重合，槽底拋物面的焦線在接收器的下部。

圖7 聚光器的剖面及聚光原理圖

將該聚光器在實(shí)體建模軟件Pro-E(Pro/Engineer)中建模，并導(dǎo)入光學(xué)軟件LightTools中進(jìn)行光學(xué)仿真分析。假設(shè)光線條數(shù)為10×10條，真空管直徑為58mm。當(dāng)光線沿著軸線方向左偏13?或向右偏13?入射時(shí)，真空管接收器上模擬光線追跡結(jié)果如圖8所示。

由圖8光線追跡結(jié)果可看出，當(dāng)光線沿著不同方向入射時(shí)，接收器接收的光線條數(shù)不同，在光線左偏13?或右偏13?入射時(shí)，進(jìn)入聚光器的光線能大部分入射到接收器上，只有少部分光線反射出聚光器。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的集熱器具的聚光角約為±13?。

圖8 光線偏離對稱軸入射時(shí)，偏離角度對聚光效率的影響

三 集熱器的集熱性能測試

為了對集熱器性能進(jìn)行檢驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)平臺對系統(tǒng)進(jìn)行了在實(shí)際天氣下的升溫實(shí)驗(yàn)，測試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。測試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：北京市；水箱保溫層厚度：50mm；材料：聚氨酯。系統(tǒng)其他參數(shù)及測試的結(jié)果見表1。其中，表中的環(huán)境溫度為集熱器附近的實(shí)測溫度，水箱溫度為水箱2/3高度處的溫度。

圖9 集熱器性能測試實(shí)物圖

表1 兩種系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及在冬季的測量結(jié)果

從表1可以看出，在冬季相對晴好的天氣條件下，此類集熱器在冬季仍有較好的集熱效率，集熱溫度可達(dá)60℃以上，這是一般的平板集熱器無法達(dá)到的，即使是普通的全玻璃真空管也無法以如此高的集熱效率達(dá)到這么高的溫度。因此，該集熱器合適在中國北方較寒冷的地區(qū)使用。

四 結(jié)論

針對傳統(tǒng)太陽能集熱器在寒冷冬季集熱溫度不高等弊端，提出了一種小槽聚光－真空管集熱整體封裝式太陽能集熱器的設(shè)計(jì)思想，通過多曲面聚光槽聚光集熱，提高了真空管的集熱溫度，使得集熱器單位面積上需使用的真空管集熱器數(shù)量減少，進(jìn)而減少了整個(gè)系統(tǒng)的熱惰性；采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，可在-30℃左右運(yùn)行，避免了系統(tǒng)結(jié)垢和沉渣等毛病，也徹底避免了真空管集熱器炸管和平板集熱器冬季凍裂的缺陷；使用全玻璃內(nèi)插套管回流器做接收器，由于增加了傳熱介質(zhì)的換熱面積，使得換熱介質(zhì)可較快達(dá)到所需溫度。

搭建實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)對該太陽集熱器進(jìn)行了光學(xué)仿真和集熱性能測試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的聚光器具有較大的聚光角，在環(huán)境溫度為-3～-10℃時(shí)，水溫最高能加熱到80℃，日效率達(dá)到40%，可滿足用戶冬季生活熱水的要求。

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