朱艷青，李注苓，李育堅，王雷雷，鐘柳文，史繼富?，徐　剛?（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

非跟蹤低倍聚光熱管式真空管集熱器的實驗研究*

朱艷青1，2，3，4，李注苓1，2，3，李育堅1，2，3，王雷雷1，2，3，鐘柳文1，2，3，史繼富1，2，3?，徐剛1，2，3?
（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，但存在分散性強、能量密度低、不穩(wěn)定等特點，因此為了得到高能量密度和穩(wěn)定的能量供應(yīng)，需要解決聚光和儲能兩大問題。針對這兩個問題，本文采用非跟蹤低倍聚光的集熱器和保溫效果良好的儲熱油箱，提出了一種非跟蹤低倍聚光熱管式真空管集熱器；基于幾何光學(xué)原理，模擬了熱管式真空管和半圓聚光器的不同放置方式和位置的聚光效率，制作了半圓形聚光熱管式真空管集熱器系統(tǒng)，選擇了合適的儲熱油箱并進行了保溫效果的理論計算；最后對該系統(tǒng)進行了集熱性能測試實驗。實驗結(jié)果表明，在半圓形聚光器的聚光下，系統(tǒng)的瞬時效率截距為0.66，熱損系數(shù)為2.53 W/（m2·℃）。該系統(tǒng)完全能夠滿足人們的日常生活用熱的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

熱管式真空管；集熱器；低倍聚光；太陽能

0　引　言

環(huán)境污染和能源危機是制約當(dāng)今社會發(fā)展的兩大因素，發(fā)展和利用太陽能成為解決環(huán)境和能源問題的有效措施之一，其中太陽能光熱利用中的太陽能熱水器的發(fā)展和應(yīng)用十分迅速。太陽能熱水器由集熱器與儲熱水箱組成，核心部件為集熱器，目前主要分為平板式、全玻璃真空管式、熱管式真空管集熱器。平板式集熱器因具有機械強度高、導(dǎo)熱性能好、價廉和安裝方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，在中國南方占有主要地位，但是其存在熱損失較大、易腐蝕、不抗凍、較難防止夜間水的倒流等問題；全玻璃真空管集熱器由于存在熱損系數(shù)小、保溫性能好、不易結(jié)冰、成本低廉等優(yōu)點，在中國得到了推廣和普及，但其存在不抗壓、熱轉(zhuǎn)移系數(shù)小、結(jié)垢和炸管等問題；熱管式真空管集熱器［1-7］具備平板式集熱器良好的導(dǎo)熱性、機械強度以及全玻璃真空管良好的集熱和保溫性能，另外，熱管式真空管集熱器還具有啟動快、無熱水倒流現(xiàn)象、防凍能力強等優(yōu)點，是太陽能光熱利用的理想選擇。

太陽能由于受天氣、季節(jié)、地理緯度、晝夜等因素制約，具有間斷性和不穩(wěn)定的特點，因此對太陽能進行儲存是必不可少的。太陽能熱儲存［8-9］一般要求儲熱量大、儲熱時間長、溫度波動范圍小、熱量損失小。目前，在太陽能應(yīng)用中已經(jīng)使用的儲熱材料包括水/水蒸氣、導(dǎo)熱油、熔融鹽、陶瓷、混凝土等。液態(tài)顯熱儲熱材料因其同時也可作為換熱液體實現(xiàn)熱量的儲存與運輸，應(yīng)用廣泛，其中水的比熱大、成本低，但由于其溫度限制，主要應(yīng)用在低溫儲熱領(lǐng)域；導(dǎo)熱油的使用溫度一般可以達到300多度，因此可應(yīng)用的溫度范圍較廣，在各種太陽能熱存儲方式中技術(shù)比較成熟并得到普遍應(yīng)用。

太陽輻射具有分散性強和能量密度低的特點，適合得到低溫?zé)嵩础榱颂岣咛柲軣崴鞯某隹跍囟龋卣固柲艿膽?yīng)用范圍，引入了太陽能低倍聚光器。常見的低倍聚光器是復(fù)合拋物面聚光器［10-14］和平面反射聚光器。復(fù)合拋物面聚光器具有接收半角大的優(yōu)點，但是其制作工藝復(fù)雜，比較難以清洗；平面反射聚光器制作簡單、易維護，但是其接收半角有限。半圓形聚光器的制作簡單，且有一定的接收半角。

本文對半圓形聚光熱管式真空管集熱器進行了實驗研究，對熱管式真空管相對于半圓形聚光器的位置進行了優(yōu)化設(shè)計，搭建了非跟蹤低倍聚光熱管式真空管集熱器系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了集熱效率測試。

1　熱管式真空管的結(jié)構(gòu)

熱管式真空管主要由熱管（包括蒸發(fā)段和冷凝段）、表面鍍有選擇性吸收涂層的金屬平板翼片和玻璃真空管等組成，其基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示。玻璃管內(nèi)為真空環(huán)境，平板翼片和熱管通過超聲焊接或激光焊接結(jié)合或嵌套在一起，金屬平板翼片表面為高吸收率、低發(fā)射率的選擇性吸收涂層。其工作過程為：平板翼片采集太陽光，將太陽能熱量傳遞給熱管，熱管蒸發(fā)段吸收熱量并傳遞到冷凝段，冷凝段再將太陽能熱量傳遞給被加熱的工質(zhì)。

圖1　熱管式真空管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of vacuum collector tube with heat pipe

2　光學(xué)模擬

本文采用半圓形聚光器，為了更好地吸收太陽能量，對熱管式真空管放置方式和與半圓形聚光器相對位置進行了優(yōu)化設(shè)計，如圖2所示，兩者軸向平行布置，熱管式真空管中平板翼片與水平面之間的夾角為α，玻璃管底端與聚光器底部的距離為d。

圖2　半圓形聚光器與熱管式真空管相對位置的示意圖Fig.2　Schematic diagram of the relative position between the semicircle concentrator and vacuum collector tube with heat pipe

在不同夾角α和距離d條件下，基于幾何光學(xué)原理，利用Tracepro軟件模擬半圓口徑寬度內(nèi)的光線到達平板翼片的效率，結(jié)果列于表1，表中θ為太陽光入射角。從結(jié)果可以看出，平板翼片在α = 0°水平放置時，無論是垂直入射還是斜入射，在不同距離d條件下，集光效率較低；平板翼片在α = 45°傾斜放置時，從東西兩個方向入射的集光效率不同；平板翼片在α = 90°垂直放置、距離d = 2mm時集光效果最好，且集光效率隨入射角度的增大而減小。根據(jù)模擬結(jié)果，本文擬選用平板翼片α = 90°垂直放置、距離d = 2mm的條件來搭建系統(tǒng)。

表1　不同條件下集光效率模擬結(jié)果Table 1　The simulation results of light collection efficiency under different conditions

3　儲熱油箱的選擇

本文采用的不銹鋼承壓油箱，內(nèi)膽采用經(jīng)過防腐處理的不銹鋼材料。影響儲熱油箱保溫效果的因素主要有保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和保溫層厚度。在相同厚度下材料導(dǎo)熱系數(shù)越低保溫效果越好；對于同種材料，保溫層越厚保溫效果越好，但當(dāng)厚度超過一定值后，再加厚保溫效果增加不明顯。選用保溫材料為聚氨酯，其密度為60 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/（m·℃）。參考周志培等［15］的太陽能儲熱油箱保溫計算，本文選用500mm厚的聚氨酯保溫層、2mm厚的不銹鋼外殼和2mm厚的不銹鋼內(nèi)膽。

對于多層圓筒壁，如圖3所示，其穿過各層的導(dǎo)熱量的公式如下：

其中，t1為儲熱油箱內(nèi)部的溫度，n為圓筒壁的層數(shù)，tn為第n層的溫度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，L為油箱的高度。本文所用儲熱油箱高度為1 m，內(nèi)膽半徑為0.2 m，假設(shè)儲熱油箱內(nèi)的溫度為110℃，環(huán)境的溫度為20℃，內(nèi)部裝有導(dǎo)熱油80 L，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.2 W/（m·℃），則計算出Q約為10 W。如果按照內(nèi)外的溫度不發(fā)生變化，則經(jīng)過24 h后，損失的能量為240 W·h。

圖3　儲熱油箱示意圖Fig.3　Schematic diagram of the solar hot fluid tank

4　性能測試試驗

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計，搭建了半圓形聚光熱管式真空管集熱器系統(tǒng)，圖4所示為系統(tǒng)的示意圖。集熱器的平板翼片采集太陽光，將太陽能熱量傳遞給熱管，熱管蒸發(fā)段吸收熱量并傳遞到冷凝段，冷凝段再將太陽能熱量傳遞給被加熱的導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油在循環(huán)泵的作用下，輸送到儲熱油箱，如此循環(huán)，將導(dǎo)熱油加熱到一定溫度。

圖4　太陽能集熱系統(tǒng)示意圖Fig.4　Schematic diagram of the solar collecting system

熱管式真空管集熱器由6根熱管式真空管組成，其中，熱管式真空管包括口徑為60mm的玻璃管和58mm寬度平板翼片，分別配合直徑200mm、長1 700mm的304鏡面不銹鋼半圓反光曲面。集熱系統(tǒng)實驗裝置如圖5，系統(tǒng)中所有的管道均有保溫棉。實驗用80 L容積的油箱，導(dǎo)熱油密度為820 kg/m3，比熱為2.5 kJ/（kg·℃），循環(huán)體積流量為2.4 L/min。本文旨在測試系統(tǒng)的瞬時效率和熱損系數(shù)。

圖5　太陽能集熱系統(tǒng)實驗裝置Fig.5　Experimental device of the solar collecting system

太陽能集熱系統(tǒng)的瞬時集熱效率計算公式［16-18］為：

式中，η為瞬時效率，m為儲熱油箱中油的質(zhì)量，cp為油的比熱，t為儲熱油箱內(nèi)的油溫，A為集熱器的采光面積，H是曝輻量，I為平均太陽輻射強度，Δτ為時間間隔，腳標(biāo)i與i + 1表示前后兩個時刻。

系統(tǒng)的測試方法［19-22］如下：輻射傳感器以及PC-2太陽輻射記錄儀用來記錄太陽光的光強，其中輻射傳感器放置在與集熱系統(tǒng)傾斜角度相同的平面上；多路溫度采集儀一路用于測量環(huán)境溫度，另一路放在集熱器的入口處，用于測量導(dǎo)熱油的入口溫度；半圓形聚光熱管式真空管集熱器朝正南放置，與水平面的夾角為35°。測試廣州冬季某一天10：30～15：00的集熱效率情況，當(dāng)天全天藍天無云，無持續(xù)風(fēng)向，風(fēng)力 ≤ 3級。測試結(jié)果列于表2，太陽能集熱系統(tǒng)的瞬時集熱效率曲線如圖 6所示。另外，測試次日將集熱器蓋住不讓其接收太陽光，只測試油箱內(nèi)的溫度，測得第二天15：00油箱內(nèi)的溫度約為95℃，即經(jīng)過24 h后水溫下降約17.6℃，此結(jié)果略高于理論計算的結(jié)果。這是由于理論計算假設(shè)的溫度是恒溫，而實際儲熱油箱內(nèi)部和周圍環(huán)境的溫度均是變化的，尤其是夜間周圍的環(huán)境低于20℃，因此實際下降的溫度略高于理論計算的結(jié)果。

表2　太陽能集熱系統(tǒng)瞬時集熱效率測試數(shù)據(jù)Table 2　The instantaneous thermal efficiencies of solar collecting system

圖6　太陽能集熱系統(tǒng)瞬時效率曲線Fig.6　The efficient curve of the solar collecting system

線性擬合得到的瞬時效率方程：

擬合得到的線性方程截距為0.66，熱損系數(shù)為2.53 W/（m2·℃）。與采用CPC作為聚光元件的熱管式真空集熱器的效率0.632相比［22］，本系統(tǒng)的效率較高，系統(tǒng)的集熱性能較好。從圖6可以看出，當(dāng)光強穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，隨著入口溫度與環(huán)境溫度差值增大，效率降低。熱損系數(shù)為整個系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，包括管路、油箱、接口等的熱損失，因此系統(tǒng)的保溫性能，尤其是管與管連接處的保溫有待進一步提高。另外，半圓形聚光器的反射率的進一步改善對系統(tǒng)效率的提高也至關(guān)重要。

5　結(jié)　論

本文在優(yōu)化設(shè)計熱管式真空管放置方式和與半圓形聚光器相對位置的基礎(chǔ)上，制作了半圓形聚光熱管式真空管集熱器系統(tǒng)，選擇合適的儲熱油箱并進行保溫效果的理論計算，最后對該系統(tǒng)進行了集熱性能測試實驗。實驗結(jié)果表明，在半圓形聚光器的聚光下，系統(tǒng)的瞬時效率截距為0.66，熱損系數(shù)為2.53 W/（m2·℃）。該系統(tǒng)完全可以滿足人們對中低溫日常生活用熱的需求，具有良好的實際應(yīng)用價值。

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Experimental Study on Non-Tracking Low Concentrating Heat-Pipe Evacuated Tubular Solar Collector

ZHU Yan-qing1，2，3，4， LI Zhu-ling1，2，3， LI Yu-jian1，2，3， WANG Lei-lei1，2，3，ZHONG Liu-wen1，2，3， SHI Ji-fu1，2，3， XU Gang1，2，3
（1.Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2.Key Laboratory of Renewable Energy， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China；4.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Solar Energy is a clean and inexhaustible energy source， but it has disadvantages of strong dispersion， low energy density and instability.In order to obtain high energy density and stable energy supply， the problems of solar concentrator and energy storage should be solved.Using the non-tracking low concentrator and solar hot fluid tank with good heat preservation effect， the non-tracking low concentrating heat-pipe evacuated tubular solar collector was proposed.Based on the principle of geometrical optics， the light collecting efficiency of the system was simulated under different relative positions between the vacuum collector tubes with heat pipes and semicircle concentrator.The heat preservation effect of the solar hot fluid tank was calculated.Moreover， the collector system was made and the solar collecting performance was tested.The experimental results showed that the best instantaneous efficiency of the system was 0.66 and the coefficient of the thermal loss was 2.53 W/（m2·°C）.The system can meet the needs of people’s daily life and has good application prospects.

vacuum collector tube with heat pipe； solar collector； low concentrating； solar energy

TK519

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.04.010

2095-560X（2016）04-0328-06

2016-05-12

2016-06-03

廣東省科技計劃（2014A010106018，2013A011401011）；粵港合作項目（2014B050505015）；廣東省特支計劃（2014TQ01N610）；廣東省太陽能光熱先端材料工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目（2014B090904071）；廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目（2011A032304003）；廣州市珠江科技新星專項（2014J2200078）

徐剛，E-mail：xugang@ms.giec.ac.cn；史繼富，E-mail：shijf@ms.giec.ac.cn

朱艷青（1983-），女，在職博士，助理研究員，主要從事聚光太陽能利用技術(shù)的研究與開發(fā)。

史繼富（1982-），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事熱管式真空集熱管的研究與開發(fā)。

徐剛（1970-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院廣州能源所非碳能源研究中心首席科學(xué)家，中國科學(xué)院“百人計劃”項目引進人才，主要從事太陽能光熱、光電納米復(fù)合材料的研究與開發(fā)。