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1、新型热管式真空管太阳能集热器 北京市太阳能研究有限公司 艾捷 石中坤 刘广生 摘要：分析了新型热管式真空管太阳能集热器的开发背景， 介绍了其工作原理， 对集热元件、 集热盒内关键零 件的结构和特点以及产品的固定安装、 连接方式进行了详细说明， 同时提供了产品热性能测试报告和工 程应用实例。 关键词： 热管式真空管； 集热器； 太阳能热水工程； 承压 近二十年来 ， 由于世界经济蓬勃发展， 对能源的 需求迅猛增长， 为缓解对石油、 煤炭、 天然气等常规 能源的消耗 ， 加快可再生能源的发展n 】 ，国家于2 0 0 5 年2 月2 8日颁布 了 中华人 民共和国可再生能源法 ， 极大地推动了国内
2、太阳能行业的发展 ，提高了人们 节约能源的意识。各地太阳能热水工程数量不断增 长，国内太阳能厂家也积极开发太阳能集热器产品， 以满足市场的需求。C 4 一 S 1 X 8 、C 4 一 S 11 6 型热管 式真空管集热器是我公司开发的一款热性能优越 、 可承压使用的太阳能热水工程集热器产品，能满足 承压热水系统客户的需求。 本产品 自2 0 0 8 年在东北、 内蒙古等寒冷地区实地使用以来， 性能、 外观以及现 场安装等方面均得到用户和经销商的认可。 一 集热器 工作原理 C 4 一 S l x 8 、C 4 一 S 1 1 6 型热管式真空管集热器 可承压运行，不仅可 以用于普通开式非承压
3、太阳能 系统工程 ， 也适用于运行压力0 4 MP a 的封 闭承压太 阳能系统工程 ，其工作原理见图 1 。 热管真空管集热器 图 1 集热器采用热管式真空管为集热元件 ，热量通 过导热方式传递给集热盒内的流体 ，此结构使得太 阳能集热元件与传热流体隔离 ，避免 了全玻璃真空 管集热器集热元件一旦损坏则整个集热器泄露、系 统无法正常运行的问题 。 二 产 品结构及特点 C 4 一 S 1 x 8 1 6型热管式真空管集热器主要由热 管式真空管、集热盒、底托架三部分组成。 1热管式真空管 C 4 一 S D18 1 6型集热器采用北京桑达太阳能 技术有限公司生产的 S E I DO1 型热管式
4、真空管作为 集热元件。该产品利用热管原理 ，具有传热快 、效 率高、耐冷热冲击 、机械强度高等特点。它巧妙地 利用了气液变化过程 中的吸放热原理 ，具备了超过 任何已知金属的导热能力。 热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的 一 种 ，主要由热管 、金属吸热板、玻璃管、金属封 盖、蒸散型消气剂和消气剂等部分构成，其中热管 又包括蒸发段和冷凝段两部分 ，如图 2所示。 热管 沸腾 凝 为液态并 如此反复 1玻璃管：2 金属吸热板：3 蒸散型消气剂：4 液体： 5 消气剂；6 热管蒸发段 7 金属封盖：8 热管冷凝段 图 2 一 S OL A R E N E R GY( 增刊) 1 0 2 0
5、0 9 在热管式真宅集热管工作时， 太阳辐射穿过玻 璃管后投射在金属吸热板上。吸热板吸收太阳辐射 能并将其转换为热能，再传导给紧密结合在金属吸 热板中间的热管 ， 使热管蒸发段内的液体工质迅速 汽化。工质蒸气上升到热管冷凝段后，在较冷的内 表面上凝结 ，释放出蒸发潜热 ，将热量传递给集热 盒 内的传热工质。凝结后的液态工质依靠其 自身的 重力流回到蒸发段 ，然后重复上述过程 。 2集热盒 集热盒起到将热管真空管内的热量传递给内部 流过的传热流体的作用，其结构及性能 的好坏直接 影响整个集热器的效率。 ( I ) 导热块及集热管的结构特点 为了使热管冷凝段 的热量迅速有效地传递到集 热管上 ，我
6、们 没计为半封闭式的铝制导热块 ，内有 两个相互垂直、不同内径的孔，大孔联接集管，小 孔插接热管式真空冷凝段 ，热量通过铝导块从热管 传递给集管中的传热流体 ，其结构如图3所示。 热管真空管 图 3 ( 2 ) 保温 方式 的选择 在实际使用中， 经常会出现太阳能工程安装完 毕后未能及时投入使用，而使整个工程设备处于空 载运行的状况 ，致使集热器保温处于2 3 0 1 0 C的 高温工况下 。而常用的有机保温材料一聚氨脂聚合 物正常使用温度要求低于 8 0 C， 一旦超过最高使用 温度，聚氨脂保温材料会出现炭化和变形的现象， 致使保温效果减弱。为 _ 经受 长时间高温烘烤 ，达 到理想的使用效
7、果， 采用硅酸棉与聚氨脂复合保温、 整体发泡的方式，见图 4 。 导热块 4 ( 3 ) 保 温盒 外壳 的设 计 参照国内外同类产品的形式 ， 结合我公司真空 管的具体结构特点 ，在原有的集热器设计基础上 ， 通过材料选用、生产加工、现场安装、成本和包装 运输等方面的论证 ，确定保温盒以铝合金为主要材 料 ，表面喷塑的结构方案。此种结构既起到防腐的 作用，外形又美观大方，如图4所示。 3底托架的结构特点 由于热管真空管是玻璃制品 ，其固定用的托架 的强度及固定方式非常重要，以确保连接的安全可 靠。 C 4 一 S DI X 8 1 6 型集热器托架选用2 5 m m厚双立 筋截面铝型材 ，上
8、面用不锈钢铆钉铆接 1 5 mm厚不 锈钢管托，然后用 1 2 mm宽不锈钢喉箍将真空管固 定在托架上，实际效果非常牢固，如图5 左侧所示。 图 5 正一 三 集热器的固定及连接 C 4 一 S DI X 8 1 6型集热器作为工程机 ，一般是 几十组或者几百上千组一起使用 ，其安装固定以及 连接方式的好坏直接影响整个工程的进度和运行效 果 ，因此设计时应充分考虑这些 因素 。 1保温盒和底托架采用快速固定方式 C 4 一 S DI X 8 1 6型集热器的保温盒采用快速 固 定方式 ，具体如图 5和图6所示。 一一 S OL A R E N E R GY( 增刊) 1 0 2 0 0 9 口
9、 i 。 。 圃 。 图 6 底托架快速固定方式见图 5 和图 7 。 图 7 2集热器组的连接 C 4 一 S D1 X 8 1 6 型集热器进出 口为 M4 0 X 1 5 外螺纹 ，采用 M4 0 X M4 0专用波纹管双端接头和 M4 0 X G1 专用单端接头进行连接。此种结构可以 吸收轴向交变热膨胀 ， 确保系统可以长期安全运行 。 四 热性能测试 委托 国家太阳能热水器质量监督检验 中心( 北 京) 对集热器热性能进行了测试 ， 结果如图 8所示 。 辍 蔷 匿 、 、 _- 、 、 - 、 - - 0 0 01 0 0 2 0 03 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0
10、7 0 0 8 0 0 9 0 1 0 图8基于采光面积A 和集热器进口温度 t 的瞬时效率曲线 ( 线 性拟 合 ) 由图 8可知 ， 基于进 口温度的归一化温差 为： = ( 一 t a ) G， ( 1 1 1 K) W 式中： 为工质进 口温度， ； 为环境温度 ， ； G为集热器采光面积上总 日射辐照度 ，W mz 。 该集热器瞬时效率曲线方程为 ： 叩 = 0 7 0 2 1 9 9 3 T 依据 G B T 1 7 5 8 1 2 0 0 7 真空管太阳能集热器) ) ： 无反射器的真空管型太阳能集热器的瞬时效率截距 T 1 。 ， 应不低于 0 6 2 ，无反射器的真空管型太阳
11、能集 热器的总热损系数 u应不大于 3 0W( mz K) 。 通过测试结果可以看出，集热器热性能完全符 合国标要求。 五 工程实例 图9 图1 0 图9 为包头市 2 0 0 8 年 6 月安装的太阳能热水工 程 ，采用 2 4 组 C 4 一 S I X 8 型真空管集热器 ，总面积 4 8 m ，用于加热洗浴用水 ，实际运行后，用户反映 良好。 ( 接下页) 一 S OL A R E N E R G Y ( 增刊) 1 0 2 0 0 9 的 0 高效硅太阳电池发展现状 太阳能发电被认为是 2 1 世纪最重要的新能源。 它具有无污染、 资源永不枯竭、 资源分布广、 使用安 全、 寿命长和
12、维护简单等特点。 太阳能光伏发电的历 史可以追塑到 l 9 世纪E B e c q u e r e l 在氯化银电解液系 统中观察到光伏现象。而 “ 太阳电池” ( S o l a r C e 1 l s ) 一 词出现在上世纪5 0 年代初， 1 9 5 4 年美国贝尔实验室 研制出第一只扩散 P n结单晶硅太阳电池 ，其光电 能 量转换 效率达 到 6 。 这是 继 晶体管 发 明之后 ， 固 体理论结出的又一硕果。太阳电池的发明 ，为人类 空间科学技术的发展提供 了一项重要的能源。 从上世纪5 O 年代末至今 ， 太 阳电池作为空间能 源，起着不可替代的作用。空间应用首先要求电池 的高效
13、率和可靠性。空间应用单 晶硅太阳电池组件 的效率( AM0 ) 已从最初的 8 提高到现在的 1 6 1 8 ，近几年发展的高效砷化镓基系( G a l n P Ga As Ge ) 叠层电池组件效率( A M0 ) 已达 2 8 3 0 。 太阳电池的地面应用长期受其价格的制约。它 的发展大体可以分为三个阶段： ( 1 ) 起步： 从 1 9 7 3 年 到8 0 年代中期 ， 受第一次石油危机的影响，光伏发 电的地面应用开始受到重视 ，世界太阳电池的年产 量达到约3 0 MW。 ( 2 ) 成长：上世纪8 0 年代末到9 0 年 代 中期 ，在世界各国大规模国家光伏发展计划的推 动下，世界
14、光伏工业平均年增长率达到 1 3 ，年产 量超过1 0 0 MW ， 主要在无 电网地区和特殊场合作为 独立电源或离网电源系统 。 ( 3 ) 大发展 1 9 9 7 年 以后 ， 北京市太阳能研究有限公司 许颖 受到 日、德 、美等西方发达国家屋顶计划和政策调 控的刺激 ，世界光伏工业的发展加速，平均年增长 率达到 3 5 以上，发电方式也从离网系统发展到并 网发电。截至2 0 0 5 年， 世界太阳电池年产量达到约 1 2 GW ；晶硅太 阳电池商用组件效率达到 l 5 2 0 ；商用发电成本为 0 1 0 0 2 0 美元 k Wh ，在不 少应用领域和地区已经具有相 当大的竞争力。 硅
15、太阳电池在太阳电池中 占有极其重要 的地 位 。 硅基太阳电池占据了光伏市场9 0 以上的份额 ， 同时也一直是研究领域 的焦点。围绕着降低成本、 提高效率这一主题 ，人们不断提 出新的电池结构、 技术改进和设备改进。 几十年来，围绕着降低成本的各种研 究开发工 作已经取得了辉煌成就 ，主要表现在电池效率不断 提高、硅片厚度持续降低和产业化技术不断改进等 方面 ，对降低光伏发电成本起到 了决定性作用。提 高硅太阳电池的效率主要有 以下几条途径 ： ( 1 ) 点 接触 硅太 阳 电池 点接触硅太阳电池的优点是降低了光生载流子 在太阳电池表面的复合。以澳大利亚新南威尔士大 学的P E R L 电
16、池( 图1 ) 为代表 ， 其转换效率达到2 4 7 。 它的特点是： 正表面采用倒金字塔结构， 双层减反射 使表面对太阳光的反射减少；反面是抛光面 +金属， 可以发射没有被 电池吸收的部分红光 ，总体增加了 光的吸收；正、 反面有氧化层钝化 ， 减少了硅表面对 _ _l_。_ -。 。_一 ( 接上页) 图 l 0 为抚顺一军工厂 2 0 0 8 年 1 0月安装的太阳 能热水系统 ， 采用5 0 组 C 4 一 S 1 8 型真空管集热器 ， 可加热 3 0吨生活热水。 六 结论 C 4 一 S D1 X 8 1 6 型集热器是我公司历经多年经 验打造的一款产品，具有结构紧凑 、安装快捷 、运 行可靠等优点。 经测试 ， 热性能完全符合国家标准， 实际安装达到设计要求 ，加上产品价格适 中，将会 成为我公司热管式真空管在太阳能领域的应用的主 打产品。 参考文献 1 】 何梓年， 朱敦智太 阳能供热采暖应用技术手册 M 化学工业 出版 社 ，2 0 0 9 2 何涛 ， 张听宇 检验报告一国家太阳能热水器质量监督检验中 心 ( 北京) 2 0 0 9 匾盈 _ 一 卜 一 S OL A R E N E R G Y( 增 刊) 1 0 2 0 0 9