真空管型太阳能热管集热器的结构浅谈

摘要  本文主要介绍了真空管型太阳能热管集热器的结构、性能及特点,让人们对真空管型太阳能热管集热器有了一定了解。本文对建筑设计时对真空管太阳能集热管选择具有参考作用。 　　0 前言 　　目前，我国主要以真空管型太阳能集热器使用为主。其中，热管式真空管太阳能集热器具有集热效率高、得热量大、输出温度高、承压运行好、结构强度高、抗冻性强等特点。安装维护方便，使用中无漏水隐患，易实现和建筑相结合，具备较长的使用寿命。 　　热管式真空管太阳能集热器使用数量根据热水需求量可任意组合。安装位置灵活，承压运行，系统阻力小，集热系统容水量小，热水系统的运行通过太阳能控制器自动进行控制，可直接对热水加热，适用于各种集中热水供应及泳池加热系统。 　　1 真空管型太阳能集热器结构　　 　　真空管全称：全玻璃真空太阳能集热管。其主要由内管、外管（也称罩玻璃管）、卡子、吸气剂、真空夹层、选择性吸收涂层、吸气膜组成。内、外管的材料是高硼硅3.3，属于仪器级玻璃。真空管的真空度(较高的可达1×10-4Pa)、吸收率、反射比及吸收膜层的质量直接影响集热效果。　　 　　真空管型太阳能集热器是太阳能热利用的基本形式之一，按承压能力可分为非承压集热器和承压集热器。承压集热器按结构形式又可分为热管集热器和U型管集热器。 　　真空管型太阳能热管集热器主要包括集热部分、传热部分、换热部分和边框尾架部分。集热部分主要包括真空管、翅片（加强集热能力，又叫铝翼）及防止真空管口散热的隔热塞。  　　翅片置于真空管内管腔中的，主要作用是加强管腔内的热量向热管的传导，一般是铝合金材质。值得注意的是翅片与热管配合的圆槽精度要高，而且要做成收口的，否则热管容易从圆槽脱出。 　　隔热塞就象暖瓶塞，防止真空管内的热量散失。其上留有很小的排气孔，以防止管内空气高温膨胀压强增加胀破真空管。其制作材质有软木、木屑压制、硅胶、硅胶与不锈钢组合等。 　　传热部分一般是指重力热管，其基本特性是： 　　1.很高的导热性； 　　2.优良的等温性； 　　3.热流密度可变性； 　　4.热流方向的可逆性； 　　5.恒温特性（可控热管）； 　　6.环境的适应性。 　　2 热管性能的影响因素 　　热管的好坏对太阳能集热器性能的影响非常大。热管的品质取决于材料材质、制作工艺和工作介质的选择。制作热管的材料较好的是TU1铜，其含氧量低，耐腐蚀性强，焊接性能也不错。制作工艺中关键是铜管清洗、注液量的选择、除气。对于变径热管来说，变径头焊接时内壁氧化的保护问题也值得注意。试验表明对热管进行2次除气，对性能的提高大有帮助。 　　我们用的常温（还有低温、中温、高温）热管中工作介质一般有水、乙醇、甲醇、甲苯、丙酮、乙烷等。对于这些介质铜都可以作为相容壳体材料。同时，设备水平也是决定热管质量的重要因素。 　　评判热管的性能主要看其启动性能、等温性能、耐温性能、传热性能（功率）和不凝气体含量。太阳能集热器所用热管一般为大头（冷凝端）变径重力热管。 　　3 联集管结构 　　换热部分主要是指集热器的联集管，它包括流道、保温层（也叫隔热体）、外壳、端盖。流道由干管和套管组成，热管的大头插入套管进行换热，而且插装前应在热管的大头涂装导热硅脂，以增加热传导效果。热量通过导热硅脂膜传到套管内壁再传到外壁，从而加热干管腔内的流动的介质。流道的阻力特性及介质的运动特性是太阳能集热器设计的重要依据。套管与热管的配合精度要非常高，试验表明，相同型号的太阳能集热器涂装导热硅脂的瞬时效率要比没涂装的提高约1%。 　　导热硅脂是一种乳白色的油脂，其导热系数一般在1.7W/（m·K），其评判指标包括耐温范围、针入度、挥发物质、游离度。 　　保温层在国内有用聚氨脂的也有用玻璃棉模块的，在国外多数用后者。聚氨脂泡沫塑料是用聚醚与多异氰酸脂为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而成的一种微孔发泡体，其导热系数一般在0.016W/(m·°C)～0.055W/(m·°C)。使用温度在-100℃～100°C。试验表明聚氨脂发泡密度在40kg/m3时，闭孔率高达97%，保温性能最好。 　　4 型材选择 　　联集管的外壳多采用铝型材。它可根据设计者的思想设计成各种造型，但除了考虑保温层的均匀性外，还要注意型材的最大对角线不宜超过170mm，否则铝型材厂家挤制型材将比较困难。铝型材的表面处理主要有氧化、电泳、喷塑、烤漆等几种方法。 　　端盖制作型材也多种多样，有尼龙塑料、铸铝、金属板冲压等。 　　5 尾架 　　边框尾架部分包括太阳能集热器的边框、拉杆、托架和护托。主要起连接、加固和调节的作用。需要说明的是太阳能集热器的护托不同于普通紧凑式太阳能热水器的护托，一定要设计成可调式的。因为太阳能集热器对真空管的窜动量要求较严，必须用可调式护托调节。一般窜动量应在3mm～5mm之间。 　　6 国内外太阳能集热器对比 　　综观太阳能集热器的发展，太阳能热管集热器以其自身的优点日益受到推崇，尤其在欧美等发达国家更是如此。但我国的太阳能集热器使用多以U型管为主，约占太阳能真空管集热器总量的70%～80%。主要原因是：1.价格较低。2.效率较高。3.加工制造较容易。国内太阳能热管集热器分为玻璃与金属熔封（桑普、欧科、太阳雨）和真空管内置热管两种结构（力诺、博源、海尔），主要因为成本较高，在国内销售较少。国外发达国家，太阳能热管集热器应用较多，运输、安装、维修比较方便。要求安全、卫生、环保标准较高。Apricus公司的直插式太阳能热管集热器生产规模较大，主要出口欧洲、澳大利亚、美国等地区。现正筹建新的生产基地，计划年生产太阳能热管集热器5万套。从以上可以看出大力发展太阳能热管和太阳能热管集热器的必要性。其他方面的比较见表1。 　　表1 真空管型太阳能热管、U型管太阳能集热器的优劣对比 　　项目太阳能热管集热器U型管太阳能集热器 　　瞬时效率稍低稍高　　 　　热损相当相当 　　寿命10a以上10a以上 　　安装维修安装方便，可更换，便于维修。维修困难，U形管损坏，整台更换。 　　运输各部件可独立包装，体积小，便于运输和搬运，成本低。必须整机包装，体积大，不便于运输和搬运，运输成本较高。 　　应用分体、有吸液芯太阳能热管集热器横置安装可用于阳台，无吸液芯热管热管集热器竖置安装，通过调节安装角度或减短太阳能热管长度，可用于阳台。分体、阳台、工程，不受安装角度限制。 　　价格稍高稍低 　　影响太阳能热管集热器性能的参数有：集热面积、集热效率、热损及真空管的性能；联集管（联集箱）的阻力特性，还有太阳能热管集热器的容水量及放置朝向和倾角。 　　充分了解太阳能热管集热器的结构与发展趋势，有助于我们设计出更好的产品。从而更好的为客户服务，进一步满足客户需求。 本文作者：皇明太阳能股份有限公司技术研发中心  魏斯胜