魏旭東 賀芳萍

（酒泉市光熱光伏設備質量檢測中心，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，在我國的能源結構中，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，已經形成了完整的產業(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。其結構分為轉化部件（集熱器）和儲存部件蓄熱器2 個部分，而圍繞轉化效率，集熱器技術是整個系統(tǒng)的關鍵，集熱器制造技術優(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，該文采用內插“U”形管的全玻璃真空集熱管：仍然保留原有的內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層玻璃管上，在內層玻璃管上的選擇性吸收涂層會將吸收到的輻射能轉化為熱能，由于內玻璃管與鋁翼緊密接觸，熱能便與鋁翼發(fā)生熱傳導，便會實現能量的傳遞，從而加熱“U”形銅管內的流體。該做法不僅保留了原來在雙層玻璃管和內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。采用這種結構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。其結構如圖1所示。

圖1 “U”形管集熱器的結構

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，從而投射在內玻璃管上。內玻璃管上的選擇性吸收涂層有選擇地將太陽輻射能轉化為熱能，鋁翼作為熱能傳導的橋梁，將熱能傳導給“U”形銅管內的工質（流體），工質的溫度不斷升高，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層玻璃管上，玻璃內管上的選擇性涂層將吸收的輻射能轉化為熱能，由于內玻璃管與鋁翼緊密接觸，熱能通過鋁翼傳導加熱“U”形銅管內的流體。為了便于對“U”形管集熱器的內部換熱進行定量分析，假設內外玻璃管之間保持高度真空，內外玻璃管的溫度不變，集熱器內部的換熱過程處于穩(wěn)態(tài)，忽略真空管內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。

總熱損系數包括真空管熱損系數和保溫盒熱損系數。如式（2）所示。

式中：U為集熱器的總熱損失系數；U為真空管熱損系數；U為保溫盒熱損系數。

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”形管內溫度的分布和液體工質的流動將起到決定性的作用。但是當管長≧1.6m 時，真空管的效率區(qū)域恒定，出現該情況的原因是：隨著真空管長度的不斷加長，加熱工質的熱量逐漸增多，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、外玻璃管的內徑會隨著其內置銅管內徑的增加而增加，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，鋁翼與內玻璃管、“U”形銅管與鋁翼之間存在該熱阻。熱轉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，真空管的熱效率不會受到“U”形管內部空氣夾層的影響過多。

工質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玻璃管、內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

根據改進前后各項性能參數的變化，將相關影響因素輸入系統(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、相同接觸熱阻系數的轉化率對比

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上，對太陽能進行了質和量的分析，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。