“U”形玻璃真空管太陽能集熱器應用型研究

魏旭東 賀芳萍

（酒泉市光熱光伏設備質(zhì)量檢測中心，甘肅 酒泉 735000）

0 緒論

當前，全球能源短缺，全球天然氣還可以開采65 年，石油還可以開采40 年，煤炭能夠開采155 年，因此，研究和發(fā)展新能源成為迫切需求。當前，在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍然處于主導地位，在我國一次能源中占70%以上，我國的煤炭主要用于火力發(fā)電，由于煤炭對環(huán)境的污染遠高于石油和天然氣，因此我國在環(huán)境治理方面存在較大壓力，尤其要重視在推進宜居城市建設、鄉(xiāng)村環(huán)境治理方面。開發(fā)利用新能源成為各國的迫切需要，甚至已上升至戰(zhàn)略地位。太陽能是最安全的新型能源，提高轉(zhuǎn)換效率是太陽能利用的核心問題。

1 真空管式集熱器概述

直接利用太陽能有3 種形式，分別為光電、光熱和光化學。雖然利用太陽能發(fā)電，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但是應用最廣的是光熱形式。雖然太陽能有很多的優(yōu)點，但是缺點也十分明顯。例如太陽輻射能的能量密度較低，具有較大的間歇性，空間分布不均勻，容易受氣候條件和地理環(huán)境的影響，因此太陽能集熱器的發(fā)展基本朝提高集熱效率和優(yōu)化儲熱方式來進行。其結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)化部件（集熱器）和儲存部件蓄熱器2 個部分，而圍繞轉(zhuǎn)化效率，集熱器技術(shù)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，集熱器制造技術(shù)優(yōu)劣和水平的高低直接影響系統(tǒng)吸收和利用太陽能的能力。該文主要討論的是非聚光類太陽能集熱器，并按照有無真空空間可以分為平板集熱器和真空管式集熱器。為了減少集熱器的對流、傳導和輻射等過程的換熱損失，可以將吸熱體與透明蓋板之間的空氣抽去，使該空間成為真空，從而成為真空管型集熱器。

2 全玻璃真空管集熱管改進及改進后的集熱器傳熱分析

2.1 全玻璃真空集熱管的改進

由于全玻璃真空集熱管的管內(nèi)存水量較大，從而造成了水溫的上升時間較長，整個系統(tǒng)啟動遲緩，往往不能及時滿足需求；由于熱水不能被取出，導致系統(tǒng)的熱水利用效率降低，浪費了熱資源；由于管內(nèi)裝的是液態(tài)水，在使用過程中一支管的破損就使系統(tǒng)不得不停止工作。為了克服上述缺點，該文采用內(nèi)插“U”形管的全玻璃真空集熱管：仍然保留原有的內(nèi)玻璃管表面濺射的選擇性吸收涂層和雙層玻璃管，用圓柱形鋁翼片包住“U”形金屬管，然后插入全玻璃真空集熱管中，使內(nèi)玻璃管的里表與鋁翼片緊貼，然后，將2 個進出口的水管分別與“U”形管的兩端相連，組成內(nèi)插“U”形管的全玻璃真空集熱管。改進以后水箱中的水通過銅管循環(huán)，在循環(huán)中水不斷被加熱升溫，運行時，當太陽輻射穿過真空管玻璃外殼投射在內(nèi)層玻璃管上，在內(nèi)層玻璃管上的選擇性吸收涂層會將吸收到的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，由于內(nèi)玻璃管與鋁翼緊密接觸，熱能便與鋁翼發(fā)生熱傳導，便會實現(xiàn)能量的傳遞，從而加熱“U”形銅管內(nèi)的流體。該做法不僅保留了原來在雙層玻璃管和內(nèi)玻璃管表面濺射的選擇性涂層，而且在真空玻璃管中安裝了“U”形銅管。采用這種結(jié)構(gòu)不僅提高了真空集熱管的耐壓性，還避免了因炸管導致液體泄漏的問題。與采用全玻璃型集熱管相比，“U ”形玻璃管的集熱器有以下優(yōu)點 ：壽命長、啟動快、熱容量小、熱效率高，這些優(yōu)點使“U”形管的推廣使用成了必然趨勢。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “U”形管集熱器的結(jié)構(gòu)

2.2 “U”形真空管集熱器的傳熱分析

太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，從而投射在內(nèi)玻璃管上。內(nèi)玻璃管上的選擇性吸收涂層有選擇地將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，鋁翼作為熱能傳導的橋梁，將熱能傳導給“U”形銅管內(nèi)的工質(zhì)（流體），工質(zhì)的溫度不斷升高，從而進一步加熱水箱。與此同時，由于能量的傳遞要遵循熱力學第二定律，被加熱的吸熱管和集管則不可避免地通過各種方式向外圍環(huán)境散失部分熱量。集熱器運行時，太陽輻射穿過真空管玻璃外殼投射在內(nèi)層玻璃管上，玻璃內(nèi)管上的選擇性涂層將吸收的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，由于內(nèi)玻璃管與鋁翼緊密接觸，熱能通過鋁翼傳導加熱“U”形銅管內(nèi)的流體。為了便于對“U”形管集熱器的內(nèi)部換熱進行定量分析，假設內(nèi)外玻璃管之間保持高度真空，內(nèi)外玻璃管的溫度不變，集熱器內(nèi)部的換熱過程處于穩(wěn)態(tài)，忽略真空管內(nèi)空氣對流和導熱損失。在對太陽能熱系統(tǒng)進行系統(tǒng)整體能量分析、熱性能的計算時，需要獲取準確可靠的太陽輻射瞬時值，當前主要通過數(shù)學計算的方法獲得。該文選擇MATLAB 編程進行分析。

由于“U”形管的兩管腳傳熱相互影響，傳熱分析比較困難，為了方便處理，將“U”形銅管等效成一單根銅管，銅管的當量直徑，由式（1）可得。

式中：D為銅管的當量直徑，m；d為單個銅管的直徑，m；L為“U”形銅管兩管腳之間的距離，m。

總熱損系數(shù)包括真空管熱損系數(shù)和保溫盒熱損系數(shù)。如式（2）所示。

式中：U為集熱器的總熱損失系數(shù)；U為真空管熱損系數(shù)；U為保溫盒熱損系數(shù)。

2.3 影響“U”形管集熱器傳熱的因素分析

管長—“U”形玻璃真空管管長對其熱性能有較大的影響，當太陽輻射等外界環(huán)境相近時，真空管的管長對“U”形管內(nèi)溫度的分布和液體工質(zhì)的流動將起到?jīng)Q定性的作用。但是當管長≧1.6m 時，真空管的效率區(qū)域恒定，出現(xiàn)該情況的原因是：隨著真空管長度的不斷加長，加熱工質(zhì)的熱量逐漸增多，使其出口溫度上升，與此同時，“U”形管、外界間的溫差不斷增大，從而使熱損失增加，導致“U”形管的有用能減少。通過計算可知，管長要適宜，而并不是一味、隨性地增加其長度?！癠”形管長度最好不要超過1.6m，否則會浪費材料、增加成本，且影響“U”形管的集熱效率。

“U”形玻璃真空管的各個部件之間都有一定的比例，所以，內(nèi)、外玻璃管的內(nèi)徑會隨著其內(nèi)置銅管內(nèi)徑的增加而增加，這會提高“U”形管的效率，原因如下：1）q與成正比，其中q—真空管的熱損失，—真空管的直徑。2）與成正比，—真空管的體積，因此在Δ相同的情況下，大孔徑真空管的熱損失的單位體積小于小孔徑。3）隨著工質(zhì)溫度的上升，其與周圍環(huán)境之間的溫差變大，從而增加了熱損失。但是小管徑的升溫速率高于大管徑的升溫速率。

導熱通常發(fā)生在2 個直接接觸的固體壁面之間，但2個壁面處存在空隙時，則熱量通過流體進行傳遞，這種在固體間的熱傳遞過程中，由于存在空隙而產(chǎn)生的額外熱阻叫做接觸熱阻。在“U”形玻璃真空管中，鋁翼與內(nèi)玻璃管、“U”形銅管與鋁翼之間存在該熱阻。熱轉(zhuǎn)移因子隨著接觸熱阻的改變而改變，接觸熱阻的增大使熱損增大，從而對降低真空管效率有很大影響。但是，熱阻系數(shù)的增大可以減少降低這種不良影響，因此通過可行的措施將接觸熱阻減少到一定的范圍內(nèi)，真空管的熱效率不會受到“U”形管內(nèi)部空氣夾層的影響過多。

工質(zhì)在壁面上的流動一般處于紊流和層流狀態(tài)。速度邊界層內(nèi)的流體，在流體處于層流狀態(tài)時，進行有序分層的流動，通過沿壁面上的熱量傳遞主要通過分子導熱，因此該運動使熱量不能被充分傳遞；當工質(zhì)處于紊流狀態(tài)時，紊流核心區(qū)分子做無規(guī)則運動，此時熱量的傳遞主要是通過流體分子上下層的質(zhì)量交換隨著，隨著分子導熱，導熱性能增強，真空管的熱效率明顯提高。

效率因子與鋁翼肋片周長大小、厚度有直接的關(guān)系?？梢蕴剿髟谙妮^少鋁材的情況下獲得一致的集熱效率，從而降低成本。

室外環(huán)境溫度的變化影響著“U”形真空管中的鋁翼與內(nèi)玻璃管、內(nèi)玻璃管與外玻璃管之間的溫度差，從而引起了相應的熱損導致集熱器的效率發(fā)生變化。流體出口平均溫度隨著環(huán)境溫度的升高而升高，熱效率也隨之升高，當外界溫度升高時，溫差導致真空管與外界間的輻射和對流熱損減少，從而使工質(zhì)出口溫度升高。此時，真空管的熱效率也會升高。

當太陽的輻射量增加時，熱效率和流體出口平均溫度升高，太陽能的輻射能在外界環(huán)境較低時對熱效率的影響較大。當環(huán)境溫度較低時，效率上升較快，但隨著太陽輻射的增加，該太陽輻射量的效率曲線減緩上升速度并且趨于平穩(wěn)。

熱損隨著流體入口溫度的增加而增大，而進出口的溫度差變小，真空管獲得的有用能降低，反之亦然。真空管的熱效率受流體入口溫度變化的影響，周圍環(huán)境與入口的溫差隨著入口溫度的升高而升高，導致其與外界的換熱量增大，熱損失增大，集熱效率降低。

3 基于性能分析和熱影響因素的“U”形玻璃真空管集熱器在熱水系統(tǒng)中的應用選型

3.1 性能比對

根據(jù)改進前后各項性能參數(shù)的變化，將相關(guān)影響因素輸入系統(tǒng)，

其中上面的一簇曲線是改進后的，位于下方的一簇曲線是改進前的，轉(zhuǎn)化效率得到了明顯提升。

3.2 系統(tǒng)應用選型

組合集熱器太陽能熱水系統(tǒng)由管道、組合集熱器、控制系統(tǒng)和循環(huán)泵組成。采用主動循環(huán)，可實現(xiàn)多種控制功能。其主要特點是該系統(tǒng)可以占用較小的屋頂空間，便于實現(xiàn)多種控制功能，節(jié)約成本。因此，這種系統(tǒng)的應用越來越廣泛。因此，該設計采用組合集熱器太陽能熱水系統(tǒng)。單水箱組合集熱器太陽能熱水系統(tǒng)在用水后自動注水過程中直接進入水箱。由于內(nèi)外水溫差大，系統(tǒng)水溫迅速下降，輔助能源頻繁啟動，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性差。因此，該系統(tǒng)適用于需水量低、耗水量小的場合，如小型企事業(yè)單位員工洗澡、學校學生洗澡等，主要用于穩(wěn)定的作息時間和定期排水。雙水箱組合集熱器太陽能熱水系統(tǒng)采用2 個水箱，其中一個為恒溫水箱。由于有恒溫水箱作為緩沖，不需要頻繁啟動輔助能源，輔助能源啟動頻率小，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。適用于供水溫度高、連續(xù)供水的機組。

圖2 改進前后在相同鋁材厚度、相同接觸熱阻系數(shù)的轉(zhuǎn)化率對比

集熱器組的連接方式有3 種：1）串聯(lián)。一個收集器的出口與另一個收集器的進口相連。2）并聯(lián)。一個收集器的入口和出口分別與另一個收集器的入口和出口相連，相互對應。3）混合連接。多個集電器并聯(lián)，并聯(lián)集電器組串聯(lián)形成并聯(lián)串聯(lián)；或者幾個集電器串聯(lián)，然后在串聯(lián)集電器組之間并聯(lián)，這稱為串并聯(lián)。對自然循環(huán)全球，由于熱虹吸管壓頭小，一般采用阻力小的集熱器組并聯(lián)。為了防止流量分布不均，一組集熱器的面積一般不超過30m。強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)采用水泵循環(huán)，壓頭大。根據(jù)系統(tǒng)布局，可靈活采用串并聯(lián)或并聯(lián)串聯(lián)的連接方式。

4 結(jié)論

該文首先從能源的角度出發(fā)，對全球共同面臨的能源狀況進行了分析，闡述了我國的能源問題，提出解決措施。在了解發(fā)展新能源必要性的基礎(chǔ)上，對太陽能進行了質(zhì)和量的分析，從太陽輻射的熱利用出發(fā)，簡要介紹了各種類型的集熱器和其工作原理，主要對“U”形玻璃真空管集熱器進行深入，對整個傳熱系統(tǒng)的熱性能進行分析，對整個系統(tǒng)進行數(shù)學建模和優(yōu)化，并且分析對集熱器效率的影響因素。為了提高集熱器效率，該文提出設計優(yōu)化措施。