真空管太阳能集热器

4．2．4　真空管太阳能集热器

真空管太阳能集热器是在平板型集热器的基础上改进而成的。为了减少集热器的传导换热损失、对流换热损失和辐射换热损失，人们设想，如果把平板型集热器透明盖板和集热体之间的空间抽成真空，不是可以大大减少这些损失吗？然而，平板型集热器抽成真空以后，透明盖板将难以承受外部的空气压力。如对于一台2m²的平板型集热器，在盖板上将有20MPa左右的压力。一般来说，长方形物体内部真空，在工艺上也难以达到气密性的要求。于是研制出真空管状集热器，即把吸热体放置在玻璃圆管内，再将玻璃圆管抽成真空，这样便构成了真空管太阳能集热器。

1）真空管太阳能集热器的分类

真空管太阳能集热器的种类很多，但从结构上来讲，大体上可分为三类，即全玻璃真空管集热器、金属吸热体真空管吸热器和热管式真空管集热器。在金属吸热体真空管集热器中，又可分为同心套管式、U形管式、储热式、直通式、内聚光式等。其分类说明如表4．3所示。

表4．3　真空管太阳能集热器的分类

2）真空管太阳能集热器的特点和性能

如图4．5所示为各类真空管太阳能集热器的横截面。

图4．5　各类真空管太阳能集热器的横截面

（1）全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管集热器的结构与制冷时常用的杜口瓶相似，故又称为“杜瓦管”。它像一只细长的暖水瓶胆，其横截面如图4．5（a）所示。其内、外玻璃管的夹层是真空的，选择性吸收涂层采用磁控溅射工艺，做在内玻璃管的外表面。按国家标准GB/T　17049—1997，全玻璃真空管集热器的外玻璃管直径为47mm，内玻璃管直径为37mm，长度为1　200mm。这种集热管内以水为传热物质，在运行中，如有一只管不慎破裂，整个系统将停止工作，所以采用U形管加上导热片插入真空管或采用热管加上导热片插入真空管，即使真空管破裂也不致使热水外漏，从而提高了产品的可靠性。这种改进型的玻璃真空管集热器广泛应用于家用热水系统。

（2）金属吸热体真空管集热器

金属吸热体真空管集热器的壳体都是由玻璃管制成，但吸热体均采用金属材料，其运行温度高、承压能力强、耐热冲击性能好，是近年来发展起来的新一代真空管集热器。

①同心套管式：如图4．5（b）所示，阳光透过玻璃管照射到吸热板上，吸热板把光线转化为热能，使同心管内水的温度上升。冷水由内管进入，热水由外管流出。

②U形管式：如图4．5（c）所示，与同心管式相似，阳光透过玻璃管照射到吸热板上，吸热板把光能转化为热能，使U形管内水的温度上升。冷水由U形管一头进入，热水则从U形管的另一头流出。

③储热式：如图4．5（d）所示，阳光透过玻璃管照射到吸热管上，吸热管把光能转化为热能，使吸热管内水的温度上升。冷水由内插管进入到吸热管内，吸热管中的热水将从设置的出水口排出。

④直通式：如图4．5（e）所示，吸热管处于玻璃管内，周围是真空状态，冷水从吸热管中通过获得热量。直通式常和抛物柱面聚光镜配套使用，有的还用自动控制装置跟踪太阳方向。

⑤内聚光式：如图4．5（f）所示，吸热管处于内聚抛物面镜的焦点上，可以是同心管，也可以是U形管。平行的阳光无论从哪个方向穿过玻璃管，都能聚集到吸热管上，可免除复杂的自动跟踪系统。

（3）热管式真空管集热器

热管式真空管集热器是当今太阳能热水器中的高科技产品。这种集热器性能优良，安全可靠，启动快，耐冰冻，耐冲击，承压强，安装使用维修方便。

图4．6　热管的结构

①热管结构与原理

热管是一种强化性的传热器件，如图4．6所示，它利用汽化潜热高效传递热能，它由玻璃管、金属吸热板、弹簧支架、金属封盖和热管蒸发段、冷凝段等组成。其工作原理是：阳光穿过玻璃管投射在金属吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能并将其转换成热能，再传给结合在吸热板中间的热管，使热管蒸发段内的“吸液”迅速汽化，其蒸汽上升到热管冷凝段后，在较冷的内表面上凝结，释放出蒸发潜热，将热量传递给集热器的传热物质（比如水）；凝结后的液态“吸液”靠其自身的重力流回到蒸发段，然后重复以上过程。

②热管式真空集热器结构与原理

热管式真空集热器由真空集热管（简称热管）、导热块、连接管、保温盒、隔热材料、套管、进水口、出水口、支架等部分组成，如图4．7所示。其工作原理是：每只真空管集热器都把太阳辐射能转换成热能，并将热量传递给吸热板中间的热管；热管内的“吸液”不断地“汽化—凝结”，把热量释放出来，然后再通过导热块将热量传给连接管里的传热物质（比如水）。许多根真空集热管连续不断地予以加热，使传热物质温度不断升高，从而达到使用的要求。

图4．7　热管式真空管集热器结构示意图