太陽能中溫熱利用的溫度分區和一種中溫集熱器

北京金陽科創太陽能技術有限公司 ■ 葛洪川 蔣富林 孫偉

0 引言

太陽能熱利用技術正在從低溫(＜100 ℃)向中溫(100～300 ℃)及高溫(＞300 ℃)擴展，繼低溫熱利用熱水器的普及應用和高溫熱發電的迅速興起之后，太陽能中溫熱利用已成為太陽能應用產業新的熱點和重要的發展方向。建筑用能、工農業用能、海水淡化等眾多領域對太陽能中溫熱利用技術的需求巨大，而目前，在建筑采暖和空調、工業用熱、農業蔬菜大棚、石油原油加熱等方面，太陽能中溫熱利用已取得長足的進展。

1 太陽能中溫熱利用的溫度分區和相應的集熱裝置

太陽能中溫熱利用有高、中、低3個工作溫度分區，其中，低溫段為100～170 ℃、中溫段為170～230 ℃、高溫段為230～300 ℃。3個溫度區間使用的集熱裝置有明顯區別，所以提到中溫熱利用裝置時，一定要說明是在哪個溫度區間使用。對于全年得熱量、瞬時熱效率、熱損等熱性能而言，不同溫度區間的集熱裝置各有不同的優勢和特點，需要針對不同溫區的應用進行創新和改進。

1)應用于中溫低溫段的集熱裝置主要有：小聚光比(聚光倍數在2～5)的CPC真空管集熱器、真空平板型集熱器和帶有遮熱板的真空管集熱器。

2)應用于中溫中溫段的集熱裝置主要有：聚光倍數在25～40的線聚焦小型槽式集熱器，包括槽式和菲涅爾式集熱器；而槽式集熱器又分為長焦距聚光器和短焦距聚光器，菲涅爾集熱器又分為反射式菲涅爾集熱器和透射式菲涅爾集熱器。

3)應用于中溫高溫段的集熱裝置主要有：聚光倍數超過50的線聚焦槽式集熱器和聚光倍數超過80的點聚焦小碟式集熱器。

散射輻射是太陽能輻射資源利用的重要部分，到達地面的太陽總輻射可分為直射輻射和散射輻射。直射輻射是以平行光線的形式直接投射到地面上的輻射能；散射輻射是太陽輻射經過地球表面大氣層中的氣體、分散的水滴及微粒物質的散射后到達地面的輻射能；太陽總輻射是二者的代數和。在我國，許多北方和西北地區散射輻射占總輻射的比例相當高，可達到30%以上，而南方地區散射輻射所占的比重更高，可達50%以上。

真空平板型集熱器和帶有遮熱板的真空管集熱器可不必跟蹤接收太陽總輻射中的直射輻射和散射輻射；小聚光比的CPC真空管集熱器可不必跟蹤接收太陽總輻射中的直射輻射和部分散射輻射；而線聚焦槽式集熱器和點聚焦碟式集熱器需要跟蹤太陽，且只能接收太陽總輻射中的直射輻射。在我國大部分地區，真空平板型集熱器、帶有遮熱板的真空管集熱器及小聚光比的CPC真空管集熱器，三者全年得熱量比跟蹤聚光型集熱器約高1倍。所以，在選用中溫集熱器時，一定要考慮應用的溫度段，以此才能選用合適的集熱器。

2 帶遮熱板的真空管集熱器

對于中溫低溫段的利用而言，目前比較理想的裝置是帶遮熱板的真空管集熱器。小聚光比的CPC真空管集熱器可在一定程度上提高真空管太陽能集熱器的熱性能，但其工藝相對復雜。歐洲近期開發的真空平板型集熱器的相關產品，目前已開始小批量生產，但因產品價格過高，市場接受度低。

眾所周知，由于玻璃吸熱體受機械強度和耐冷熱沖擊的限制，使其無法作為中溫真空集熱管的吸熱體，只有金屬吸熱體才可作為中溫真空集熱管的吸熱體。

2.1 裝置結構

帶遮熱板的熱管式真空管集熱器所用的熱管式真空集熱管由單層玻璃罩管、平板金屬吸熱板、熱管和遮熱板4部分組成，并通過玻璃-金屬熱壓封接的方法實現真空密封。其結構圖如圖1所示，截面圖如圖2所示。

圖1 帶遮熱板的熱管式真空集熱管

圖2 帶遮熱板的熱管式真空集熱管的截面圖

2.2 工作原理

熱管式真空集熱管的工作原理是：太陽光照射到真空玻璃管內的吸熱翅片上，翅片吸收熱量傳遞給熱管蒸發段，再通過熱管內工作介質的蒸發與冷凝傳到熱管冷凝段，再傳給保溫盒內的傳熱工質，使保溫盒內的工質不斷升溫。因為熱管以工質相變的汽化潛熱方式傳遞熱量，傳熱效率很高，因此其具有優良的導熱性能。

為了提高熱管式真空集熱管在中溫工作時的性能，必須設法降低真空集熱管的輻射熱損失。采取的措施是在真空集熱管吸熱板的背面與玻璃管內壁之間設置遮熱板，可有效降低真空集熱管的背部輻射熱損。

2.3 性能參數

以北京金陽科創太陽能技術有限公司規模生產的Ф102 mm帶遮熱板的熱管式真空集熱管為例，其各項尺寸和性能參數如表1所示 。

2.4 裝置檢測

國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心(北京)在工作溫度 100 ℃以上的中、高溫集熱器熱性能測試臺對帶遮熱板的直流式真空管太陽能集熱器進行了測試(與本文所述熱管式真空集熱管性能相似)。該集熱器采用6支外徑為102 mm、管長為 2000 mm 的直流式真空集熱管，集熱器采光面積為1.20 m2。

表1 真空集熱管的尺寸和性能參數

帶遮熱板的真空管集熱器熱性能測試結果如圖3所示。由圖可見，帶遮熱板的真空管集熱器具有優秀的熱性能，尤其是在工作溫度為129 ℃時，歸一化溫差為 0.13 m2·K/W，集熱器的效率為55%，這是報道過的熱性能最好的真空管集熱器。

圖3 帶遮熱板的真空管集熱器熱性能測試結果

由此可見，加設鋁制遮熱板對于降低真空管的背部輻射熱損效果十分顯著。特別是在真空管吸熱體工作溫度較高時，加設鋁制遮熱板可有效降低背部輻射熱損。

為進一步提高這種帶遮熱板的集熱器的效率，可在玻璃罩管內、外表面加設減反射涂層和進一步減小集熱器集熱盒的熱損。

2.5 裝置優點

1)帶遮熱板的真空管集熱器在太陽能中溫熱利用的100～170 ℃的中溫低溫段運行時，集熱器效率達50%以上。

2)該集熱器不用跟蹤器和聚光器，可以利用太陽總輻射中的散射分量，全年的太陽輻射利用率比帶聚光器的中溫利用裝置約高1倍，是在該溫度段太陽能中溫利用的理想裝置。

3)由于該真空管集熱器運行時無需跟蹤，無運動部件，使得中溫集熱系統簡單可靠，運行成本低。

4) 帶遮熱板的熱管式真空集熱管是在金屬吸熱板的背部加設鋁制遮熱板，此工藝簡單，成本較低，易于實現。該產品與歐洲近期開發的真空平板型集熱器的性能相當，但售價僅為后者的1/6，更適合推廣使用。

2.6 工程應用

目前這一產品已應用于澳洲中溫工業用熱、國內原油加熱和冬季采暖等多個項目。帶遮熱板的真空管集熱器在澳洲牛奶加工廠的中溫太陽能熱利用項目的應用實況如圖4、圖5所示。

圖4 集熱裝置(局部)

圖5 澳洲奶加工廠中溫工程項目

3 總結

太陽能中溫熱利用3個溫度區間使用的集熱裝置有明顯的區別，提到中溫利用裝置時一定要說明在哪個溫度區間使用。

帶遮熱板的真空管集熱器在太陽能中溫熱利用100～170 ℃的中溫低溫段運行時，集熱器效率高，不用跟蹤器和聚光器，可以利用太陽輻射中的散射分量，是在該溫度段太陽能中溫利用的理想裝置。