R1热管真空管型集热器

■ 李开春 韩刚 冯伟杰 刘朝武

一 引言

热管真空管型集热器是继闷晒式、平板式、真空管式集热器之后第四代太阳能集热器类型。

如图1所示，热管真空管集热器将全玻璃真空管吸收的太阳能热量传导给热管蒸发段，再利用热管内部真空状态下工质的蒸发吸热和冷凝放热，将这一热量传递到被加热流体中。这样实现了玻璃管不直接接触被加热流体，既解决了全玻璃真空管集热器由于管内储水而热容偏大的缺点，又保留了在低温环境中散热少，加热工质温度高的优点。尤其是热管工质一般凝固点低，可保证在气温低于0 ℃的环境中不冻坏。在不能进行排空防冻的自然循环系统中，热管真空管式集热器更具明显优势。

日出东方太阳能股份有限公司2007年设计并送检的R1型热管真空管集热器(如图 2 所示)至今仍保持着欧盟Solar Keymark认证性能检测的截距效率最高记录。

图2 R1集热器Solar Keymark检测时的实景照片

二 R1热管真空管集热器结构参数

图3 为R1热管真空管集热器分解图示：R1热管真空管集热器采用φ58×1800全玻璃真空集热管，外管透射比大于0.91，高效选择性吸收涂层吸收比大于0.94，发射比小于0.07，内管通过1500mm长、0.2mm厚的铝翼与φ24×90-8×1800变径重力热管紧密贴合。

所选用的热管内部保持10-3Pa真空度，有效使用年限超过15年；在40℃温差条件下，传热热流量可达200W以上，远超国家标准GB-T 24767-2009《太阳能重力热管》规定的120W性能要求。

图3 热管真空管集热器分解图

联箱采用岩棉和聚氨酯双重保温，导热率低于0.03～0.047W/(m·℃)，保温层厚度达到40mm。连接管为内径Φ 34mm铜流道，与热管冷凝端通过支管连接，中间采用导热硅脂降低接触热阻，换热采用冷流体顺序横掠冷凝端的设计。孔间距78mm，管数有10、12、14、15、18、20、24、25、28、30等全系列规格。

三 R1热管真空管集热器热性能分析

经过德国Fraunhofer ISE太阳能检测中心检测，R1热管真空管集热器截距效率达0.734（相较采光面积计算）（如图4所示），有效得热量15.6kJ/(K·m2)，集热器管道内空晒温度达200.3℃。

诸多优良性能得益于热管集热器在吸热、传热、隔热方面的逐项强化。

1 吸热方面

高透射比的硼硅3.3玻璃，双侧镀减反增透膜，保证太阳光高效摄入R1集热器系统内部；高吸收低发射的选择性吸收涂层高效的将光能转化为热能传入真空管内。

2 传热方面

引入热管这种高效的传热元件，热导率可达105W/(m·℃)数量级，是金、银等纯金属的千百倍，通过相变传热，将真空管内蒸发段吸收的热量传递到冷凝端。

而在联箱侧，独特的主流道设计，冷流体在有限空间内顺序横掠冷凝端，流体在管间的流动截面时大时小，引起流体交替的加速和减速，管间距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速减速的程度。入口第二支冷凝端处在前排管子尾流涡旋的作用下，对流换热系数得到强化；第三支受前两支冷凝端尾流的共同作用，扰动更为强烈，依次演变至后面的冷凝端。

随着流道的延长，绕流强度存在一定衰减，甚至发生抑制换热现象，存在一个最优的管间距设计值。R1热管真空管集热器根据自身的流道结构和使用条件，立足试验和仿真结果，选择78mm的管间距，使得总的强化效果最优而又不引起过大的压力降损失。

3 隔热方面

R1热管真空集热器深得“保热墙”理念精髓，全玻璃真空集热管的中真空夹层极大的抑制了导热和对流的作用，使得热量只能向管内传递；热管的热二极管特性，使得热量只能从真空管内的蒸发段传热向联箱内的冷凝端传递；而联箱内40mm厚的低热导率隔热材料，使得热量大部分被流体带着。经过三级隔热措施，得以以85%的总效率将光能转化为热能供生产生活用水。

四 结论

本文介绍了R1热管真空管集热器的结构参数和设计细节，从吸热、传热、隔热3个角度重点分析了R1热管真空管集热器的强化技术，对集热器的设计开发提供了借鉴实例和开发方向。

对于R1集热器的结构运行参数情况，78mm管间距为强化传热的最优值。