不同结构的新型U型导热油太阳能真空集热管试验研究

陈安娟，刘 杰，张 俊

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266525)

太阳能集热器作为太阳能热利用的核心元件，其传热性能的大小决定了太阳能热利用的高低。目前使用最普遍的太阳能集热器为平板式及真空管式集热器，真空管式集热器包括全玻璃真空管式、热管式真空管式、U型真空管式[1]。为了满足用热需求，要求太阳能集热器在较高的工作温度时仍保持较高的工作效率，而导热油型真空管太阳能集热器符合这一特性[2]。U型导热油真空集热管外有真空套管，内有金属流道，具有传热效率高、升温快、承压能力高、单管破裂不会影响整体运行等优点，普遍应用于中低温领域[3]。

近年来，一些研究者在太阳能集热器热性能提升方面做了很多研究，闵子健、张昕宇等[4-5]为降低真空集热管的辐射传热热损，提出了带内遮板的真空集热管管型，通过计算得到带内遮板的真空集热管的性能更优；LIANG Ruobing等[6]提出了一种新型填充式U型真空集热管，通过理论计算与实验得出，填充U型管式真空集热管具有良好的热性能，其集热效率可较现有铝翼型U型管式真空集热管提升12%；安玉娇等[7]提出在U型真空管内采用波浪式铝翼代替传统铝翼，结果表明波浪式铝翼的U型真空管热效率较传统铝翼可提高约6%。国外有学者采取在集热管内填充工质的方法来减少集热器热损失[8]，这种方法可在一定程度上提高真空管型太阳集热器的热性能，但工艺相对复杂，一些工艺停留在实验室阶段，未得到推广应用。

本文根据传热学原理对U型导热油真空集热管进行了传热分析，通过对不同结构的集热管建立物理模型、数学模型和热阻模型，分析了不同集热管的传热过程。通过搭建试验台，对U型管下有填充物和U型管下无填充物的2种不同真空管结构的太阳能集热器热性能进行对比分析。实验测试过程中，2种集热器除真空管结构不同外其他试验条件均相同，根据其热性能确定最优的真空集热管结构。

1 不同结构的新型U型太阳能真空集热管

为研究不同太阳辐照度下，不同结构的新型U型太阳能真空集热管的传热性能，建立了如图1所示的2种U型集热管物理模型，分别为U型管下有填充物和U型管下无填充物。无填充物的U型真空集热管主要由玻璃套管、真空层、吸收涂层、U型管及之间的卡子组成，截面如图1(a)所示；有填充物的U型真空集热管主要由玻璃套管、真空层、吸收涂层、U型管、填充物(玻璃岩棉)、内外玻璃管之间的卡子组成，截面如图1(b)所示。

图1 新型U型太阳能真空集热管截面

2 新型U型太阳能真空集热管传热分析

2.1 无填充物的U型真空集热管的传热分析

太阳辐射透过外玻璃套管，投射到涂有选择性吸收涂层的内玻璃管上，吸收涂层充分吸收入射太阳能，将太阳辐射能转换为热能，通过导热和对流的形式将热量传递给贴壁U型管，U型管吸收热量后与管内工质进行对流换热，使管内工质不断升温，导热油在被加热升温的过程中将有用热能带走，与此同时，加热后的吸热管以辐射的方式将部分热量传递给外玻璃管，外玻璃管以辐射和对流的形式向周围环境散失一部分热量，如图2所示。

图2 无填充物的新型U型真空集热管能量传递

集热管传热过程可以通过系统热阻来表示，热阻网络如图3所示。

图3 管内无保温材料热阻网络

图4 有填充物的新型U型真空集热管能量传递

2.2 有填充物的U型真空集热管的传热分析

该结构下的真空集热管除因在U型管下有填充物而减少散热外，其他传热过程与U型管下无填充物的真空集热管传热过程相同，能量传递过程如图4所示。

集热管的传热过程可以通过系统热阻来表示，热阻模型如图5所示。

2.3 集热器瞬时效率

集热器瞬时效率ηi定义为在某一时间内吸收的有用能Q与入射的太阳辐射能之比[9]。

其中：

Q=mCf(To-Ti)

Aa=L×[(n-1)S+Dg1]

式中：Aa为集热器轮廓采光面积，m2；Is为太阳辐照度，W/m2；m为工质质量流量，g/s；Cf为传热工质比热容，J/(kg·℃)；To为工质出集热器温度，℃；Ti为工质进集热器温度，℃；L为真空管长度，m；n为真空管数；S为相邻太阳集热器的中心距，m；Dg1为真空管外径，m。

图5 管内有保温材料热阻网络图

3 不同结构的新型真空管太阳能集热器热性能试验

图6 试验测试系统原理

表1 试验主要测试设备参数

3.1 试验系统

试验测试系统位于德州市某太阳能生产厂空地，集热器安装倾斜角为40°，试验时间为2021年8月14日至20日，试验期间集热器采光面的太阳辐照度≥500 W/m2，环境风速≤4 m/s，环境温度29～30 ℃，试验采用非稳态测试方法。

试验测试系统由2台不同结构的新型真空管太阳能集热器组成，每台集热器各有16支真空管，每只真空管的几何尺寸均为Φ57 mm×1500 mm，管间距均为12.6 mm，每支真空管的容积均为2.625×10-4m3，每台集热器集热面积为1.75 m2。试验测试系统中2台真空管太阳能集热器采用并联方式连接，系统原理见图6，试验所需主要测试设备见表1。

3.2 试验结果分析

不同真空管结构的太阳能集热器进出口温度如图7所示。由图7可知，不同真空管结构的太阳能集热器出口温度随时间的变化整体上均呈现先升高后降低的变化趋势，受进口温度及辐照度影响，出口温度存在波动。在除真空管结构不同，其他条件均相同情况下，真空管内有填充物的集热器出口温度高于真空管内无填充物的集热器出口温度，最大温差为2.1 ℃，出现在12：45，此时太阳辐射最强。产生这种现象的原因在于当太阳辐射投射到集热管上后，真空管上部吸收涂层充分吸收入射太阳能，将太阳能转化为热能传递给管内流体，流体为导热油，升温快，而下部吸热管因为上部及周围真空管的遮挡接收太阳辐射量少，温度低，且温度低于管内流体温度，管下填充保温材料会减少热损，而管下未填充保温材料导致导热油热量向下部真空管传热，从而导致热损增加，出口温度降低。

不同真空管结构的太阳能集热器效率如图8所示。由图8可知，不同真空管结构的太阳能集热器效率随时间的增加整体上均呈现先升高后降低的变化趋势[10]，受太阳辐照度、进口温度以及质量流量的影响，集热器瞬时效率存在较大波动，随着太阳辐照的增加，集热效率升高，但不管集热效率如何波动，真空管内有填充物的集热器的集热效率始终高于真空管内无填充物的集热器效率，两者平均集热效率相差10.3%。产生这种现象的原因在于太阳能真空集热管在接收太阳辐射后吸热使管内流体升温，真空管上部接收太阳辐射多，而真空管下部接收太阳辐射量少，温度低，且温度低于管内流体温度，当管内无保温材料时导致导热油热量损失增加，进出口温差减小，集热器效率也相对较低。

图8 不同结构的太阳能集热器效率

4 结论

本文对不同结构的新型U型导热油太阳能真空集热管进行研究，通过搭建2种真空管结构的太阳能集热器试验测试系统得到如下结论：

1) 在本文试验条件下，2种真空管结构中，U型管下有填充物的集热管相比U型管下无填充物的集热管传热效果更好，结构更合理。

2) 在除真空管结构不同，其他条件相同情况下，真空管内有填充物的集热器出口温度高于真空管内无填充物的集热器出口温度，最大温差为2.1 ℃，出现在12：45，此时太阳辐射最强。

3) 真空管内有填充物的集热器的集热效率高于真空管内无填充物的集热器效率，平均集热效率相差10.3%。

通过上述结论最终可以得出U型管下有填充物的太阳能真空集热管热性能更佳，且U型管下有填充物的集热管在一天运行结束后可以对管内工质起到保温作用，第2天启用时预热快，同时保温材料的存在对玻璃套管和U型管起到保护和托举作用，减小真空套管漏气的可能性，所以U型管下填充保温材料的真空集热管结构更合理。

新型U型导热油真空管太阳能集热器，工质升温快，出口温度高，多组串联与其他设备配合可适用于制冷、供暖或海水淡化等中低温领域。