帶有蓋板的太陽能熱管集熱裝置

劉國松 趙美秋

【摘 要】優(yōu)化組合帶有蓋板的CPC集熱板和三U型填充式集熱管的太陽能空氣集熱裝置，并對該集熱裝置做熱性能理論分析，同時，為太陽能斯特林熱工轉換引擎提供新的采熱方法。

【關鍵詞】太陽能；集熱板；實驗

太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置，它是組成各種太陽能熱利用系統的關鍵部件。本文是以大連理工大學梁若冰博士所提出的集熱性能較好的三U型填充式集熱管與帶有蓋板的CPC有效結合，使用導熱系數較大的新型材料—石墨與甘油混合物作為傳熱介質，優(yōu)化設計了一種新型的中高溫太陽能集熱裝置。

一、集熱裝置結構

每個集熱單元（如圖）包括一個簡化CPC集熱板（非追蹤式復合拋物線聚光板，鍍有減反射比膜），一根全真空玻璃集熱管，并在玻璃管內安裝一個三U型紫銅換熱管，以新型導熱材料—普通石墨與甘油的混合物作為填充材料。其能量傳遞機理為：太陽能經玻璃蓋板輻射傳熱，同時CPC集熱板將太陽輻射匯聚到真空管上，真空管吸熱后熱量通過導熱介質傳入三U型銅換熱管內，加熱管內的換熱介質，使介質溫度升高轉換為有用能被利用。

圖 集熱裝置結構

二、集熱器的熱性能分析

集熱器理想狀態(tài)即：系統處于熱穩(wěn)態(tài)；三U型支管間的熱傳遞忽略不計；忽略真空集熱管內空氣對流和傳導熱損失；真空集熱管玻璃外殼與周圍環(huán)境的傳熱系數為常數。則該集熱器部分熱性能參數為：

（1）熱損失系數

集熱器的熱損失系數是決定集熱面積的重要因素，熱損失系數越大，環(huán)境溫度對集熱效率的影響越明顯，相同熱負荷下所需的集熱面積就越大，集熱器的熱損失系數為：

（為風損系數忽略為零；當有蓋板時=1；分別為玻璃管和蓋板的發(fā)射率；分別為玻璃管溫度，天空溫度，集熱管溫度，常量。）

（2）瞬時效率

以集熱管中工質的進口溫度Ti和環(huán)境溫度Ta來表示此集熱器的瞬時效率。

（為光學效率，I為照射在集熱器上的總輻射強度，C為幾何聚光比。為該集熱器的熱轉移因子：其物理意義是集熱器實際的有用能量與假象吸熱板溫度為工質進口溫度時的有用能量之比。）

三、集熱器在斯特林發(fā)動機小引擎中的應用

球面雙棱鏡或雙軸跟蹤點聚焦聚光器需要跟蹤系統，占用空間大，價格比較昂貴。而該太陽能集光器沒有自動控制系統，材料成本低，預計約占太陽能斯特林發(fā)動機系統價格的15%左右。今后，通過斯特林熱機傳熱系統的設計，減少熱阻損失，二者結合具有廣闊應用前景。

我國已在太陽能熱水、太陽能供熱采暖、太陽能制冷空調等眾多領域取得了一定的科技創(chuàng)新成果，本文涉及到的太陽能收集裝置是綜合前期成果基礎上，通過創(chuàng)新組合設計的新型的集熱單元，由于停留在理論設想，與實際應用的預期還有很大差距。

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