真空管集热器是一种在平板型集热器基础上发展起来的新型太阳能集热装置，其吸热体与玻璃管之间的夹层保持高真空度。构成这种集热器的核心部件是真空管,它主要由内部的吸热体和外层的玻璃管所组成。可有效地抑制真空管内空气的传导和对流热损失;再由于选择性吸收涂层具有低的红外发射率,可明显地降低吸热板的辐射热损失。真空管集热器主要分为全玻璃真空管集热器和热管真空管集热器。还详细介绍了真空管集热器的发展现状、以及其核心部件真空管的分类。这些都使真空管集热器可以最大限度地利用太阳能,即使在高工作温度和低环境温度的条件下仍具有优良的热性能。

全玻璃真空管在国外发展得较早。1979年我国引进样品后,清华大学首先研制出我国的全玻璃真空管,并且逐步实现了产业化。全国已有40—50家企业能够生产全玻璃真空管,这对于我国太阳能行业的发展起到了积极的推动作用。金属吸热体真空管是国际上随后发展起来的新一代真空管,它又可划分为多种形式。热管式真空管就是其中一种,北京太阳能研究所自1986年起开始开发。尽管金属吸热体真空管有各种不同的形式,但无论哪种形式,由于吸热体采用金属材料,而且真空管之间也都用金属件连接,所以用这些真空管组成的集热器具有以下共同的优点:

(1)工作温度高。最高运行温度超过100℃ ,有的型式甚至可高达300—400℃ ,使之成为太阳能中、高温利用必不可少的集热部件。

(2)承压能力大。真空管及其系统都能承受自来水或循环泵的压力,多数集热器还可用于产生106Pa以上的热水甚至高压蒸汽。

(3)耐热冲击性能好。即使用户偶然误操作,对空晒的集热器系统立即注入冷水,真空管也不会因此而炸裂。

正由于金属吸热体真空管具有其它真空管无可比拟的诸多优点,世界各国科学家竞相研制出各种形式的真空管,如热管式、同心套管式、U型管式、储热式、直通式、内聚光式等等,以满足不同场合的需求,扩大了太阳能的应用范围,成为当今世界真空管集热器发展的重要方向。

真空管太阳能集热器可以吸收太阳能辐射热量中的两种能量：一种是太阳能直接辐射热量；另一种是太阳能散射辐射热量。

首先太阳光照射到真空管的外壁面上，热量一部分被真空管壁吸收，一部分被反射到天空中，剩下一部分继续照射到真空管内壁面上J真空管内壁表面涂有吸热材料，该材料具有高吸收率低发射率的特点，最大限度的吸收太阳热量。阳光中的太阳辐射热量通过直接辐射与散射辐射加热柱形真空管内壁集热板，柱形集热板的温度升高后，热量向两侧扩散，一侧通过辐射损失与对流损失向管壁扩散；另一侧通过辐射加热与对流加热的方式向不锈钢承压内胆扩散。承压内胆受到加热后管壁温度升高，然后以对流的形式加热大管内的介质。

组成与原理

全玻璃真空管太阳集热器是在平板型太阳集热器的基础上发展的一种新型太阳能集热装置。全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管,它采用了真空技术,消除了气体的对流与传导热损,并应用选择性吸收涂层,使真空集热管的辐射热损降到最低,这样真空管太阳集热器可以在中高温下运行,也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行,扩大了应用领域。它像一个拉长变细的暖水瓶胆,由两根同轴圆玻璃管组成,内、罩玻璃管间抽成真空,太阳选择性吸收表面(涂层)沉积在内管的外表面构成吸热体,将太阳能转化为热能,加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空太阳集热管通常采用单端开口的形式,在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起。真空集热器内装有吸气剂。

优点

这种集热器的优点是:

(1)结构简单、制造方便、可靠性强;

(2)集热效率高,保温性能好;

(3)可以在中高温下运行,也能在寒冷地区的冬季运行;

(4)使用寿命长,一年四季都可使用。

缺点

缺点:

(1)管内存水过多,管内水温上升缓慢,而且对于真空管南北放置的热水装置,管中的热水无法全部取出,致使系统热水利用率降低;

(2)不能承压,易在玻璃管内结垢,管子易炸裂。

组成与原理

80年代以来,国内外越来越重视热管式真空管集热器的研究,它是一种新型的太阳能集热装置。太阳辐射穿过真空管玻璃外壳,投射在金属吸热板上,吸热板将太阳辐射能转化为热能,使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后,通过导热块将热量传递给集热管内的工质,而自身又凝结成液体,依靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环,使集热管内的工质不断升温。与此同时,被加热的吸热板和集热管则不可避免地经由各种途径向周围环境散失一部分热量。由于运用了真空技术,大幅度降低了集热器的热损失,因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能,同时运用了热管技术,被加热工质不直接流经真空管,因而跟普通平板式集热器和真空管集热器比较,热管式真空集热器除了工作温度高,承压能力大和耐热冲击性能好等优点,还有其显著特点。

优点

这种集热器的优点:

(1)耐冰冻:热管由特殊的材料和工艺保证,即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下,真空管也不会冻裂;

(2)启动快:热管的热容量很小,受热后立即启动,因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量,而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热;

(3)保温好:热管具有单向传热的特点,即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水,而夜间被加热水的热量不会沿热管向下散发到周围环境;

(4)安装维修方便:安装方便,操作简单,易于固定,运行可靠;

(5)特别适用集中供热及全玻璃真空集热管产品不适用的高寒地区。

缺点

(1)生产成本高;

(2)技术要求高。

热管式真空管

热管式真空管主要由热管、吸热板、玻璃管等几部分组成。太阳光穿过玻璃管投射在吸热板上,吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能,加热热管内的工质,使其汽化并将热量传送到热管的顶端,加热传热介质(通常是水),同时使工质凝结,流回热管的下端(加热端),如此不断循环。安装时,真空管与地面应有10°以上的倾角。

热管式真空管除了具有工作温度高、承压能力大和耐热冲击性能好等金属吸热体真空管共同的优点外,还有其显著的特点:

(1)耐冰冻热管由特殊的材料和工艺保证,即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下,真空管也不会冻裂。

(2)启动快热管的热容量很小,受热后立即启动,因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量,而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热。

(3)保温好热管具有单向传热的特点,即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水,而夜间被加热水的热量不会沿热管向下散发到周围环境。这一特性称为热管的“热二极管效应”。

同心套管式真空管

同心套管式真空管(或称直流式真空管)的外形跟热管式真空管较为相似,只是在热管的位置上用两根内外相套的金属管代替。工作时,冷水从内管进入真空管,被吸热板加热后,热水通过外管流出。

水平安装在屋顶上,通过转动真空管而将吸热板与水平方向的夹角调整到所需要的数值,这样既可简化集热器支架,又可避免集热器影响建筑外观。

德国Prinz公司和北京桑达公司都生产直流式真空管。两家都采用玻璃—金属热压封技术,不过Prinz采用电镀黑铬涂层,而桑达采用磁控溅射铝-氮-氧涂层。另外,桑达真空管与集管之间的连接比较简单、可靠。

U形管式真空管

国外有些文献将同心套管式真空管和U形管式真空管统称为直流式真空管,因为两者的工作原理完全一样,只是前者的冷、热水从内、外管进出,而后者的冷、热水从两根平行管进出(见图3)。

这种真空管的主要特点除了热效率高、可水平安装之外,真空管与集管之间的连接要比同心套管式简单。

储热式真空管主要由吸热管、玻璃管和内插管等部件组成。吸热管内贮存水,外表面有选择性吸收涂层。白天,太阳辐射能被吸热管转换成热能后,直接用于加热管内的水;使用时,冷水通过内插管渐渐注入,并将热水从吸热管顶出;夜间,由于有真空隔热,吸热管内的热水温降很慢。

储热式真空管组成的系统有以下特点:

(1)不需要贮水箱真空管本身既是集热器又是贮水箱,因而储热式真空管组成的热水器也可称为真空闷晒式热水器,不需要附加的贮水箱。

(2)使用方便打开自来水龙头后,热水可立即放出,所以特别适合于家用热水器。

直通式真空管

这种真空管主要由吸热管和玻璃管两部分组成。吸热管表面有高温选择性吸收涂层。传热介质由吸热管的一端流入,经太阳辐射能加热后,从另一端流出,故称为直通式。由于金属吸热管和玻璃管之间的两端都需要封接,因而必须藉助于波纹管过渡,以补偿金属吸热管的热胀冷缩。

直通式真空管的主要特点是:

(1)运行温度高可将真空管与聚光反射镜结合,组成聚焦型太阳集热器,能达到很高的运行温度(300-400℃)。

(2)易于组装由于传热介质从两端分别进出,因而便于真空管串联连接。

内聚光式真空管

这种真空管本身就是一种低聚光的聚焦型集热器,不过聚光反射镜是在真空管里面,故称为内聚光式真空管。国外有的文献将它称之为复合镜式(cuspmirror)真空管。它主要由复合抛物柱面反射镜、吸热体和玻璃管等几部分组成。吸热体通常是热管,也可是同心套管,其表面有高温选择性吸收涂层。平行的太阳光无论从什么方向穿过玻璃管,都被复合抛物柱面镜反射到位于焦线处的吸热体上,然后按热管式真空管或同心套管式真空管的原理运行。

内聚光式真空管的主要特点是:

(1)运行温度较高复合抛物柱面镜的聚光比一般为3—5,运行温度可达150℃以上。

(2)不需要跟踪系统这是由复合抛物柱面镜的光学特征所决定的,因而避免了复杂的自动跟踪系统。