太阳能中温热利用的温度分区和一种中温集热器

北京金阳科创太阳能技术有限公司 ■ 葛洪川 蒋富林 孙伟

0 引言

太阳能热利用技术正在从低温(＜100 ℃)向中温(100～300 ℃)及高温(＞300 ℃)扩展，继低温热利用热水器的普及应用和高温热发电的迅速兴起之后，太阳能中温热利用已成为太阳能应用产业新的热点和重要的发展方向。建筑用能、工农业用能、海水淡化等众多领域对太阳能中温热利用技术的需求巨大，而目前，在建筑采暖和空调、工业用热、农业蔬菜大棚、石油原油加热等方面，太阳能中温热利用已取得长足的进展。

1 太阳能中温热利用的温度分区和相应的集热装置

太阳能中温热利用有高、中、低3个工作温度分区，其中，低温段为100～170 ℃、中温段为170～230 ℃、高温段为230～300 ℃。3个温度区间使用的集热装置有明显区别，所以提到中温热利用装置时，一定要说明是在哪个温度区间使用。对于全年得热量、瞬时热效率、热损等热性能而言，不同温度区间的集热装置各有不同的优势和特点，需要针对不同温区的应用进行创新和改进。

1)应用于中温低温段的集热装置主要有：小聚光比(聚光倍数在2～5)的CPC真空管集热器、真空平板型集热器和带有遮热板的真空管集热器。

2)应用于中温中温段的集热装置主要有：聚光倍数在25～40的线聚焦小型槽式集热器，包括槽式和菲涅尔式集热器；而槽式集热器又分为长焦距聚光器和短焦距聚光器，菲涅尔集热器又分为反射式菲涅尔集热器和透射式菲涅尔集热器。

3)应用于中温高温段的集热装置主要有：聚光倍数超过50的线聚焦槽式集热器和聚光倍数超过80的点聚焦小碟式集热器。

散射辐射是太阳能辐射资源利用的重要部分，到达地面的太阳总辐射可分为直射辐射和散射辐射。直射辐射是以平行光线的形式直接投射到地面上的辐射能；散射辐射是太阳辐射经过地球表面大气层中的气体、分散的水滴及微粒物质的散射后到达地面的辐射能；太阳总辐射是二者的代数和。在我国，许多北方和西北地区散射辐射占总辐射的比例相当高，可达到30%以上，而南方地区散射辐射所占的比重更高，可达50%以上。

真空平板型集热器和带有遮热板的真空管集热器可不必跟踪接收太阳总辐射中的直射辐射和散射辐射；小聚光比的CPC真空管集热器可不必跟踪接收太阳总辐射中的直射辐射和部分散射辐射；而线聚焦槽式集热器和点聚焦碟式集热器需要跟踪太阳，且只能接收太阳总辐射中的直射辐射。在我国大部分地区，真空平板型集热器、带有遮热板的真空管集热器及小聚光比的CPC真空管集热器，三者全年得热量比跟踪聚光型集热器约高1倍。所以，在选用中温集热器时，一定要考虑应用的温度段，以此才能选用合适的集热器。

2 带遮热板的真空管集热器

对于中温低温段的利用而言，目前比较理想的装置是带遮热板的真空管集热器。小聚光比的CPC真空管集热器可在一定程度上提高真空管太阳能集热器的热性能，但其工艺相对复杂。欧洲近期开发的真空平板型集热器的相关产品，目前已开始小批量生产，但因产品价格过高，市场接受度低。

众所周知，由于玻璃吸热体受机械强度和耐冷热冲击的限制，使其无法作为中温真空集热管的吸热体，只有金属吸热体才可作为中温真空集热管的吸热体。

2.1 装置结构

带遮热板的热管式真空管集热器所用的热管式真空集热管由单层玻璃罩管、平板金属吸热板、热管和遮热板4部分组成，并通过玻璃-金属热压封接的方法实现真空密封。其结构图如图1所示，截面图如图2所示。

图1 带遮热板的热管式真空集热管

图2 带遮热板的热管式真空集热管的截面图

2.2 工作原理

热管式真空集热管的工作原理是：太阳光照射到真空玻璃管内的吸热翅片上，翅片吸收热量传递给热管蒸发段，再通过热管内工作介质的蒸发与冷凝传到热管冷凝段，再传给保温盒内的传热工质，使保温盒内的工质不断升温。因为热管以工质相变的汽化潜热方式传递热量，传热效率很高，因此其具有优良的导热性能。

为了提高热管式真空集热管在中温工作时的性能，必须设法降低真空集热管的辐射热损失。采取的措施是在真空集热管吸热板的背面与玻璃管内壁之间设置遮热板，可有效降低真空集热管的背部辐射热损。

2.3 性能参数

以北京金阳科创太阳能技术有限公司规模生产的Ф102 mm带遮热板的热管式真空集热管为例，其各项尺寸和性能参数如表1所示 。

2.4 装置检测

国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)在工作温度 100 ℃以上的中、高温集热器热性能测试台对带遮热板的直流式真空管太阳能集热器进行了测试(与本文所述热管式真空集热管性能相似)。该集热器采用6支外径为102 mm、管长为 2000 mm 的直流式真空集热管，集热器采光面积为1.20 m2。

表1 真空集热管的尺寸和性能参数

带遮热板的真空管集热器热性能测试结果如图3所示。由图可见，带遮热板的真空管集热器具有优秀的热性能，尤其是在工作温度为129 ℃时，归一化温差为 0.13 m2·K/W，集热器的效率为55%，这是报道过的热性能最好的真空管集热器。

图3 带遮热板的真空管集热器热性能测试结果

由此可见，加设铝制遮热板对于降低真空管的背部辐射热损效果十分显著。特别是在真空管吸热体工作温度较高时，加设铝制遮热板可有效降低背部辐射热损。

为进一步提高这种带遮热板的集热器的效率，可在玻璃罩管内、外表面加设减反射涂层和进一步减小集热器集热盒的热损。

2.5 装置优点

1)带遮热板的真空管集热器在太阳能中温热利用的100～170 ℃的中温低温段运行时，集热器效率达50%以上。

2)该集热器不用跟踪器和聚光器，可以利用太阳总辐射中的散射分量，全年的太阳辐射利用率比带聚光器的中温利用装置约高1倍，是在该温度段太阳能中温利用的理想装置。

3)由于该真空管集热器运行时无需跟踪，无运动部件，使得中温集热系统简单可靠，运行成本低。

4) 带遮热板的热管式真空集热管是在金属吸热板的背部加设铝制遮热板，此工艺简单，成本较低，易于实现。该产品与欧洲近期开发的真空平板型集热器的性能相当，但售价仅为后者的1/6，更适合推广使用。

2.6 工程应用

目前这一产品已应用于澳洲中温工业用热、国内原油加热和冬季采暖等多个项目。带遮热板的真空管集热器在澳洲牛奶加工厂的中温太阳能热利用项目的应用实况如图4、图5所示。

图4 集热装置(局部)

图5 澳洲奶加工厂中温工程项目

3 总结

太阳能中温热利用3个温度区间使用的集热装置有明显的区别，提到中温利用装置时一定要说明在哪个温度区间使用。

带遮热板的真空管集热器在太阳能中温热利用100～170 ℃的中温低温段运行时，集热器效率高，不用跟踪器和聚光器，可以利用太阳辐射中的散射分量，是在该温度段太阳能中温利用的理想装置。