1.文献综述

文 献 综 述

1.论文研究的目的与意义

就目前国际形势来说，在当前常规能源日趋紧张，污染不断加剧的情况下，新型可再生能源的开发和利用正是能源开发利用领域的新热点。而我国的太阳能热水器行业正随着市场需求的迅速增长而不断发展，已成为中国可再生能源领域发展最快、规模最大、市场成熟最早的行业。

家用太阳能热水器已大量地走进了千家万户，而且市场上呈现出了太阳能热水器、燃气热水器和电热水器三足鼎立的局面[1]。虽然我国目前是太阳能热水器生产和使用的大国，但还远远没有成为太阳能热水器的生产技术强国。要想从生产使用大国转变成为技术强国，就必须加强我国大型太阳能热水器企业的技术创新能力，提高产品的技术水平，严格保证产品质量。所以借助先进的设计和制造手段，提高太阳能热水器的创新设计水平和产品性能已成为当务之急。本研究课题正是通过对真空管太阳能热水器的实验分析研究，结合CAD技术对真空管太阳能热水器的热性能和参数进行全面的认识。

2.太阳能热水器基本工作原理

本课题研究的主要内容是真空管太阳能热水器的热性能研究，主要是通过对影响真空管太阳能集热器热性能的因素的实验分析，利用CAD技术对数据处理，得到参数分析结果，并对真空管集热器的热性能进行评价。其真空管由内、外两层玻璃套合密封而成，两层玻璃之间抽真空，其外层玻璃透明，内层玻璃管外壁镀上一层黑色吸热薄膜[2]，管内充满水，当太阳光透过外层的透明玻璃管照射到内管的外壁，壁上的吸热薄膜吸收太阳光的能量，使内层玻璃管外壁升温，与周围介质形成温差[3]。根据导热原理，由于两层玻璃管之间为真空，无导热介质，因此热量无法以热传导的方式向外扩散，只有少部分的热量以热辐射的方式通过内管玻璃到内管的水中[4]，将内管的水加热，内管的热水再以热传导和热对流的方式将热量传递到水箱的冷，使其升温以供利用。其结构如图1所示。

图1. 热管式真空集热管结构图

3.国内外研究与发展应用现状

太阳能热水器主要可分为平板型热水器和真空管式热水器。平板型太阳能集热器早在17世纪后期就被发明，直到1960年以后才被深入研究并进入实际应用，可以说平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。随着科技的发展，逐渐有了管板式、扁盒式、管桥式、翅片管式、蛇形管式集热器[5]，而后又发明了单层或双层真空玻璃管、玻璃钢或高分子透明材料[6]、透明隔热材料集热器等。

平板型太阳能热水器的平均日效率约在48%-58%之间，全玻璃真空管太阳能热水器的平均日效率约咋45%-55%之间。经宋爱国等人在平板型和真空管型太阳能热水器性能实验分析中所得到的数据，可知真空管太阳能集热器的平均热损失系数要比平板型集热器小，真空管太阳能热水器的热损失系数一般为0.9W/m²左右，而平板型热损失系数为1.0W/m²以上[7]。目前在国际太阳能市场上，是平板式太阳能热水器和真空管热水器并存的局面，但各国所占份额却大不相同。我国以真空管为主，占到市场份额的86%，而欧、美、澳等发达国家以平板式为主，占到总用量的90%以上[8]。

4.真空管太阳能热水器主要分类

就本课题所研究的真空管集热器而言，目前分类方法也是比较多样，主要可分为：全玻璃真空管集热器、U型管式全玻璃真空管集热器、虹吸式真空管集热器、CPC型真空管集热器、热管式真空管集热器。每种形式的集热器都各具自己的特点和优势，被很好的应用在各种不同的场合。

4.1全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管集热器[9]因其结构简单、集热效率高、价格较低而在太阳能利用领域得到广泛应用，全玻璃真空管太阳能热水器的二维物理模型如图2所示。

图2. 全玻璃真空管太阳能热水器结构及组成部件

4.2 U型管式全玻璃真空管集热器

U型管式全玻璃真空管集热器具有集热效率高、热损失少、耐压能力好的特点[6]。其工作原理是吸热管将太阳能转换为热能，通过吸热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质，使工质不断的升温[10]。与此同时，被加热的吸热管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。其结构如图3所示。

图3. U型管式全玻璃真空管太阳能集热器

4.3虹吸式真空管太阳能集热器

虹吸式真空管太阳能集热器[11]的虹吸结构主要由虹吸总管和虹吸支管组成。由于虹吸支管的作用，增加了集热管和水箱中水的换热速度。增加了热水产量，提高了集热效率，同时解决了全玻璃真空管热水器的自然排空问题。其结构简单，聚光性能好，四季产水量趋于平均。胡文旭在其论文研究中得到了真空管热水器和平板型热水器的热性能实验数据，如图4所示，这有助于对本课题的实验研究。

图4. 真空管热水器与平板型热水器的热性能比较

4.4 CPC型真空管集热器

近年来，CPC在太阳能中获得大量的应用[12]，许雪松等人提出的内聚光CPC型热管真空管式集热管[13]，其CPC聚光装置置于内玻璃管与热管之间。使CPC聚光装置可长效处在真空环境中，成熟的双层玻璃管封接技术也为其可靠性和使用寿命提供了保障。赵玉兰[14]等人通过实验得到CPC热管真空管集热器的集热效率随太阳辐射强度的增大而增大。其结构示意图如图5所示。

图5. 新型CPC内聚光式真空管集热管截面和结构示意图

而另一种新型的简化CPC式全玻璃真空管集热器装置[15]由10个串联的集热单元组成，每个集热单元由四部分构成，简化非追踪式复合抛物聚光版（简化CPC）、双层玻璃真空集热管、导热介质和U型换热管，空气首先经压缩机压缩升压后进入空压机自带的储气罐，随后通过球阀进入储压罐内并通过设置在出口处的球阀进入各级集热单元，逐级加热后得到高温空气。其整体结构如图6所示。

图6. U型管结构太阳能集热器的整体结构

4.5热管式真空管集热器

热管式真空管集热器是一种太阳能中温集热器[16]，同时运用了真空和热管技术，具有良好的导热性能，传热效率高，工作范围宽[17]，不需外加动力，无机械部件，增加了设备的可靠性，减少了运行成本[18]。另外由于热管的形状可以随着热源和冷源的条件而变化，具有良好的环境适应性。其结构图如图7所示。热管由管壳和内部工作液体组成[19]，管壳是抽真空的密闭管壳，工质吸热后蒸发和沸腾，转变为蒸汽，蒸汽在微小压差的作用下上升至放热段，受管外流体的冷却作用，蒸汽冷凝向外放出气化潜热，冷流体获得热量，冷凝液依靠重力回到吸热段。如此周而复始，使冷流体得到加热，由于热管内部抽成真空，工质极易蒸发与沸腾，热管启动迅速。

图7. 热管式真空管集热器及部件

5.环境条件对真空管太阳能热水器性能的影响

关于魏凤等人做的真空管太阳能热水器性能影响因素的分析，得到了一下结论[20]：

（1）系统的得热实验表明，单位轮廓的采光面积的日有用得热量主要受累计太阳辐射量的影响，并随着累计太阳辐射量的增大而增大。

（2）系统的热损实验表明，对于同一热水系统，初始水温越低，下降温度幅度越小。热损因数主要受环境温度，环境风速的影响热损因数，在环境温度相同的情况下，环境风速越高，得热损失越大

6.论文研究的主要内容

(1) 了解真空管太阳能热水器系统结构组成，熟悉各主要部件功能，掌握测试内容和测试软件的使用方法；

(2) 进行各种天气和各个时间段下真空管太阳能热水器系统性能测试，记录测试数据和图表。

(3) 通过实验了解影响真空管热水器性能的影响因素，如选择性涂层、阳光热射角度、天气情况，设计解决方案，尽量减少外部条件对真空管热水器热性能的影响。

(5) 在记录实验数据的同时，对实验数据进行合理的数据分析，得出真空管热水器热性能的实验测试结果及测试报告。

参考文献

[1] 张才忠. 真空管太阳能热水器热性能分析与参数化研究设计[D], 山东：山东大学材料加工工程, 2006

[2] 闫素英,皇海燕,田瑞. 全玻璃真空管式太阳能热水器换热强化机理分析[J]. 工程热物理学报.2012, 33(03): 485-488

[3] 皇海燕,闫素英,田瑞等. 导流板结构对真空管热水器流动与换热的影响[J]. 可再生能源. 2012, 30(02):1-4

[4] 李勇,胡明辅,赵宏伟,李永赞. 平板型与真空管型太阳能热水器发展状况分析[J]. 应用能源技术,2007,11(4): 36-39

[5] P.Selvakumar, Dr.P.Somasundaram, Effect of Inclination Angle on Temperature Characteristics of Water in-Glass Evacuated Tubes of Domestic Solar Water Heater, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT,) 1(4), April 2012,78-81.

[6] D. Mangal, D. Kumar Lamba, T.Gupta, K. Jhamb, Acknowledgement of Evacuated Tube Solar Water Heater over Flat Plate Solar Water Heater, International Journal of Engineering (IJE), 4 (4), 2011, 279-284

[7] 宋爱国,栗加顺, 平板式与全玻璃太阳能热水器性能分析比较[J]. 太阳能, 2000,6(04): 3-26

[8] 张涛,韩吉田,闫素英,许明田.全玻璃真空管太阳能热水器影响因素的数值模拟研研究[J]. 可再生能源. 2012, 30(10): 1-10

[9] 田琦.U型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能[J]. 建筑热能通风空调. 2007, 26(03): 51-55

[10] 田琦, U型管式全玻璃真空管集热器热效率及性能研究[J]. 新能源及工艺.2006, 5(06): 36-40

[11] 胡文旭. 虹吸式真空管太阳能热水器热性能研究[J]. 陕西师范大学学报. 2001,29(3): 53-56

[12] 刘亚雷,张红,许辉. CPC型聚光光伏光热系统的性能分析[J]. 可再生能源,2011,29(01): 1-5

[13] 许雪松,朱跃钊. CPC型热管式真空管集热器的热性能研究[J]. 南京工业大学学报（自然科学版）2004,26(06):53-56

[14] 赵玉兰,张红,战栋栋,贠海涛. CPC热管式真空管集热器的集热效率研究[J]. 太阳能学报, 2007,28(09):1022-1025

[15] 陆琳,陈秀娟,何志兵,刘振华. 简化CPC式全真空管玻璃集热管太阳能高温空气集热器的传热模型研究[J]. 热科学与技术. 2012, 11(02): 118-123

[16] 闫素英,田瑞,后尚,等. 玻璃真空管内插热管式集热器非稳态效率分析[J]. 工程热物理学报, 2008,29(02): 323-326

[17] 朱跃钊,蒋金柱.槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置. 中国,200620071109, 5[P], 2007-10-17

[18] 张维薇,朱跃钊,蒋金柱等. 新型CPC热管式真空管集热器设计与性能研究[J]. 热力发电, 2009,38(07): 10-17

[19] 谢光海,王长昕,李玉萍. 热管式真空管太阳能热水器的设计研究[J]. 洛阳大学学报. 2003, 18(4): 101-104

[20] 魏风,张晓黎,辛礼. 环境条件对全玻璃真空太阳能热水系统热性能的影响[J]. 能源技术, 2006, 27(03):63-65

[21] 贾永英,张茜,冯睿. 新型太阳能集热墙冬季保温性能分析[J]. 热科学与技术, 2011,10(02): 133-137

[22] 孙伟强,李兴,原郭丰. 一种新型太阳能集热器动态测试方法及实验验证[J]. 科学技术与工程, 2013,13(14): 41-46

[23] 廖伟初,柯秀芳. 太阳能集热器在中高温蒸汽生产中的应用[J]. 节能技术, 2008, 26(04): 328-331

[24] 金泽芳. 浅析真空管太阳能热水器在农村的发展[J]. 宁夏农林科技, 2010(06): 117-221

[25] 张小粉,张立希,张鹤飞. 热超导管式全玻璃真空管集热器的热性能分析[J]. 机械设计与制造, 2007,10(01): 122-124

[26] D. Mangal, D. Kumar Lamba, T.Gupta, K. Jhamb, Acknowledgement of Evacuated Tube Solar Water Heater over Flat Plate Solar Water Heater, International Journal of Engineering (IJE), 4 (4), 2011, 279-284.

[27] G.L. Morrison, I.Budihardjo and M.Behnia, Water-In-Glass Evacuated Tube Solar Water Heaters, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney, ISES 2001 Solar World Congress.

[28] B. A. Khan, Md. Sanzidul Islam, Jannatul Ferdous, Nabil Shaker Rahi, Performance improvement of solar hot water system by reducing solar irradiation from solar, collector and solar tank, doctoral diss., BRAC University, Dhaka, Bangladesh, April 2011.

[29] G. D. Rai, Non-Conventional Energy Sources (Khanna Publishers, Delhi, 5 th Edition, 2011).

[30] S. P. Sukhatme, J. K. Nayak, Solar Energy (The Tata MC Graw Hill Publication, Delhi, 3 rd Edition, 2010).