R1熱管真空管型集熱器

■ 李開春 韓剛 馮偉杰 劉朝武

一 引言

熱管真空管型集熱器是繼悶曬式、平板式、真空管式集熱器之后第四代太陽能集熱器類型。

如圖1所示，熱管真空管集熱器將全玻璃真空管吸收的太陽能熱量傳導給熱管蒸發段，再利用熱管內部真空狀態下工質的蒸發吸熱和冷凝放熱，將這一熱量傳遞到被加熱流體中。這樣實現了玻璃管不直接接觸被加熱流體，既解決了全玻璃真空管集熱器由于管內儲水而熱容偏大的缺點，又保留了在低溫環境中散熱少，加熱工質溫度高的優點。尤其是熱管工質一般凝固點低，可保證在氣溫低于0 ℃的環境中不凍壞。在不能進行排空防凍的自然循環系統中，熱管真空管式集熱器更具明顯優勢。

日出東方太陽能股份有限公司2007年設計并送檢的R1型熱管真空管集熱器(如圖 2 所示)至今仍保持著歐盟Solar Keymark認證性能檢測的截距效率最高記錄。

圖2 R1集熱器Solar Keymark檢測時的實景照片

二 R1熱管真空管集熱器結構參數

圖3 為R1熱管真空管集熱器分解圖示：R1熱管真空管集熱器采用φ58×1800全玻璃真空集熱管，外管透射比大于0.91，高效選擇性吸收涂層吸收比大于0.94，發射比小于0.07，內管通過1500mm長、0.2mm厚的鋁翼與φ24×90-8×1800變徑重力熱管緊密貼合。

所選用的熱管內部保持10-3Pa真空度，有效使用年限超過15年；在40℃溫差條件下，傳熱熱流量可達200W以上，遠超國家標準GB-T 24767-2009《太陽能重力熱管》規定的120W性能要求。

圖3 熱管真空管集熱器分解圖

聯箱采用巖棉和聚氨酯雙重保溫，導熱率低于0.03～0.047W/(m·℃)，保溫層厚度達到40mm。連接管為內徑Φ 34mm銅流道，與熱管冷凝端通過支管連接，中間采用導熱硅脂降低接觸熱阻，換熱采用冷流體順序橫掠冷凝端的設計。孔間距78mm，管數有10、12、14、15、18、20、24、25、28、30等全系列規格。

三 R1熱管真空管集熱器熱性能分析

經過德國Fraunhofer ISE太陽能檢測中心檢測，R1熱管真空管集熱器截距效率達0.734（相較采光面積計算）（如圖4所示），有效得熱量15.6kJ/(K·m2)，集熱器管道內空曬溫度達200.3℃。

諸多優良性能得益于熱管集熱器在吸熱、傳熱、隔熱方面的逐項強化。

1 吸熱方面

高透射比的硼硅3.3玻璃，雙側鍍減反增透膜，保證太陽光高效攝入R1集熱器系統內部；高吸收低發射的選擇性吸收涂層高效的將光能轉化為熱能傳入真空管內。

2 傳熱方面

引入熱管這種高效的傳熱元件，熱導率可達105W/(m·℃)數量級，是金、銀等純金屬的千百倍，通過相變傳熱，將真空管內蒸發段吸收的熱量傳遞到冷凝端。

而在聯箱側，獨特的主流道設計，冷流體在有限空間內順序橫掠冷凝端，流體在管間的流動截面時大時小，引起流體交替的加速和減速，管間距的大小影響流體流動截面的變化程度和流體加速減速的程度。入口第二支冷凝端處在前排管子尾流渦旋的作用下，對流換熱系數得到強化；第三支受前兩支冷凝端尾流的共同作用，擾動更為強烈，依次演變至后面的冷凝端。

隨著流道的延長，繞流強度存在一定衰減，甚至發生抑制換熱現象，存在一個最優的管間距設計值。R1熱管真空管集熱器根據自身的流道結構和使用條件，立足試驗和仿真結果，選擇78mm的管間距，使得總的強化效果最優而又不引起過大的壓力降損失。

3 隔熱方面

R1熱管真空集熱器深得“保熱墻”理念精髓，全玻璃真空集熱管的中真空夾層極大的抑制了導熱和對流的作用，使得熱量只能向管內傳遞；熱管的熱二極管特性，使得熱量只能從真空管內的蒸發段傳熱向聯箱內的冷凝端傳遞；而聯箱內40mm厚的低熱導率隔熱材料，使得熱量大部分被流體帶著。經過三級隔熱措施，得以以85%的總效率將光能轉化為熱能供生產生活用水。

四 結論

本文介紹了R1熱管真空管集熱器的結構參數和設計細節，從吸熱、傳熱、隔熱3個角度重點分析了R1熱管真空管集熱器的強化技術，對集熱器的設計開發提供了借鑒實例和開發方向。

對于R1集熱器的結構運行參數情況，78mm管間距為強化傳熱的最優值。