太陽能中溫?zé)崂玫臏囟确謪^(qū)和一種中溫集熱器

北京金陽科創(chuàng)太陽能技術(shù)有限公司 ■ 葛洪川 蔣富林 孫偉

0 引言

太陽能熱利用技術(shù)正在從低溫(＜100 ℃)向中溫(100～300 ℃)及高溫(＞300 ℃)擴展，繼低溫?zé)崂脽崴鞯钠占皯?yīng)用和高溫?zé)岚l(fā)電的迅速興起之后，太陽能中溫?zé)崂靡殉蔀樘柲軕?yīng)用產(chǎn)業(yè)新的熱點和重要的發(fā)展方向。建筑用能、工農(nóng)業(yè)用能、海水淡化等眾多領(lǐng)域?qū)μ柲苤袦責(zé)崂眉夹g(shù)的需求巨大，而目前，在建筑采暖和空調(diào)、工業(yè)用熱、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚、石油原油加熱等方面，太陽能中溫?zé)崂靡讶〉瞄L足的進(jìn)展。

1 太陽能中溫?zé)崂玫臏囟确謪^(qū)和相應(yīng)的集熱裝置

太陽能中溫?zé)崂糜懈摺⒅?、?個工作溫度分區(qū)，其中，低溫段為100～170 ℃、中溫段為170～230 ℃、高溫段為230～300 ℃。3個溫度區(qū)間使用的集熱裝置有明顯區(qū)別，所以提到中溫?zé)崂醚b置時，一定要說明是在哪個溫度區(qū)間使用。對于全年得熱量、瞬時熱效率、熱損等熱性能而言，不同溫度區(qū)間的集熱裝置各有不同的優(yōu)勢和特點，需要針對不同溫區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

1)應(yīng)用于中溫低溫段的集熱裝置主要有：小聚光比(聚光倍數(shù)在2～5)的CPC真空管集熱器、真空平板型集熱器和帶有遮熱板的真空管集熱器。

2)應(yīng)用于中溫中溫段的集熱裝置主要有：聚光倍數(shù)在25～40的線聚焦小型槽式集熱器，包括槽式和菲涅爾式集熱器；而槽式集熱器又分為長焦距聚光器和短焦距聚光器，菲涅爾集熱器又分為反射式菲涅爾集熱器和透射式菲涅爾集熱器。

3)應(yīng)用于中溫高溫段的集熱裝置主要有：聚光倍數(shù)超過50的線聚焦槽式集熱器和聚光倍數(shù)超過80的點聚焦小碟式集熱器。

散射輻射是太陽能輻射資源利用的重要部分，到達(dá)地面的太陽總輻射可分為直射輻射和散射輻射。直射輻射是以平行光線的形式直接投射到地面上的輻射能；散射輻射是太陽輻射經(jīng)過地球表面大氣層中的氣體、分散的水滴及微粒物質(zhì)的散射后到達(dá)地面的輻射能；太陽總輻射是二者的代數(shù)和。在我國，許多北方和西北地區(qū)散射輻射占總輻射的比例相當(dāng)高，可達(dá)到30%以上，而南方地區(qū)散射輻射所占的比重更高，可達(dá)50%以上。

真空平板型集熱器和帶有遮熱板的真空管集熱器可不必跟蹤接收太陽總輻射中的直射輻射和散射輻射；小聚光比的CPC真空管集熱器可不必跟蹤接收太陽總輻射中的直射輻射和部分散射輻射；而線聚焦槽式集熱器和點聚焦碟式集熱器需要跟蹤太陽，且只能接收太陽總輻射中的直射輻射。在我國大部分地區(qū)，真空平板型集熱器、帶有遮熱板的真空管集熱器及小聚光比的CPC真空管集熱器，三者全年得熱量比跟蹤聚光型集熱器約高1倍。所以，在選用中溫集熱器時，一定要考慮應(yīng)用的溫度段，以此才能選用合適的集熱器。

2 帶遮熱板的真空管集熱器

對于中溫低溫段的利用而言，目前比較理想的裝置是帶遮熱板的真空管集熱器。小聚光比的CPC真空管集熱器可在一定程度上提高真空管太陽能集熱器的熱性能，但其工藝相對復(fù)雜。歐洲近期開發(fā)的真空平板型集熱器的相關(guān)產(chǎn)品，目前已開始小批量生產(chǎn)，但因產(chǎn)品價格過高，市場接受度低。

眾所周知，由于玻璃吸熱體受機械強度和耐冷熱沖擊的限制，使其無法作為中溫真空集熱管的吸熱體，只有金屬吸熱體才可作為中溫真空集熱管的吸熱體。

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

帶遮熱板的熱管式真空管集熱器所用的熱管式真空集熱管由單層玻璃罩管、平板金屬吸熱板、熱管和遮熱板4部分組成，并通過玻璃-金屬熱壓封接的方法實現(xiàn)真空密封。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，截面圖如圖2所示。

圖1 帶遮熱板的熱管式真空集熱管

圖2 帶遮熱板的熱管式真空集熱管的截面圖

2.2 工作原理

熱管式真空集熱管的工作原理是：太陽光照射到真空玻璃管內(nèi)的吸熱翅片上，翅片吸收熱量傳遞給熱管蒸發(fā)段，再通過熱管內(nèi)工作介質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝傳到熱管冷凝段，再傳給保溫盒內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使保溫盒內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。因為熱管以工質(zhì)相變的汽化潛熱方式傳遞熱量，傳熱效率很高，因此其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。

為了提高熱管式真空集熱管在中溫工作時的性能，必須設(shè)法降低真空集熱管的輻射熱損失。采取的措施是在真空集熱管吸熱板的背面與玻璃管內(nèi)壁之間設(shè)置遮熱板，可有效降低真空集熱管的背部輻射熱損。

2.3 性能參數(shù)

以北京金陽科創(chuàng)太陽能技術(shù)有限公司規(guī)模生產(chǎn)的Ф102 mm帶遮熱板的熱管式真空集熱管為例，其各項尺寸和性能參數(shù)如表1所示 。

2.4 裝置檢測

國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)在工作溫度 100 ℃以上的中、高溫集熱器熱性能測試臺對帶遮熱板的直流式真空管太陽能集熱器進(jìn)行了測試(與本文所述熱管式真空集熱管性能相似)。該集熱器采用6支外徑為102 mm、管長為 2000 mm 的直流式真空集熱管，集熱器采光面積為1.20 m2。

表1 真空集熱管的尺寸和性能參數(shù)

帶遮熱板的真空管集熱器熱性能測試結(jié)果如圖3所示。由圖可見，帶遮熱板的真空管集熱器具有優(yōu)秀的熱性能，尤其是在工作溫度為129 ℃時，歸一化溫差為 0.13 m2·K/W，集熱器的效率為55%，這是報道過的熱性能最好的真空管集熱器。

圖3 帶遮熱板的真空管集熱器熱性能測試結(jié)果

由此可見，加設(shè)鋁制遮熱板對于降低真空管的背部輻射熱損效果十分顯著。特別是在真空管吸熱體工作溫度較高時，加設(shè)鋁制遮熱板可有效降低背部輻射熱損。

為進(jìn)一步提高這種帶遮熱板的集熱器的效率，可在玻璃罩管內(nèi)、外表面加設(shè)減反射涂層和進(jìn)一步減小集熱器集熱盒的熱損。

2.5 裝置優(yōu)點

1)帶遮熱板的真空管集熱器在太陽能中溫?zé)崂玫?00～170 ℃的中溫低溫段運行時，集熱器效率達(dá)50%以上。

2)該集熱器不用跟蹤器和聚光器，可以利用太陽總輻射中的散射分量，全年的太陽輻射利用率比帶聚光器的中溫利用裝置約高1倍，是在該溫度段太陽能中溫利用的理想裝置。

3)由于該真空管集熱器運行時無需跟蹤，無運動部件，使得中溫集熱系統(tǒng)簡單可靠，運行成本低。

4) 帶遮熱板的熱管式真空集熱管是在金屬吸熱板的背部加設(shè)鋁制遮熱板，此工藝簡單，成本較低，易于實現(xiàn)。該產(chǎn)品與歐洲近期開發(fā)的真空平板型集熱器的性能相當(dāng)，但售價僅為后者的1/6，更適合推廣使用。

2.6 工程應(yīng)用

目前這一產(chǎn)品已應(yīng)用于澳洲中溫工業(yè)用熱、國內(nèi)原油加熱和冬季采暖等多個項目。帶遮熱板的真空管集熱器在澳洲牛奶加工廠的中溫太陽能熱利用項目的應(yīng)用實況如圖4、圖5所示。

圖4 集熱裝置(局部)

圖5 澳洲奶加工廠中溫工程項目

3 總結(jié)

太陽能中溫?zé)崂?個溫度區(qū)間使用的集熱裝置有明顯的區(qū)別，提到中溫利用裝置時一定要說明在哪個溫度區(qū)間使用。

帶遮熱板的真空管集熱器在太陽能中溫?zé)崂?00～170 ℃的中溫低溫段運行時，集熱器效率高，不用跟蹤器和聚光器，可以利用太陽輻射中的散射分量，是在該溫度段太陽能中溫利用的理想裝置。