使用聚焦式真空集热管提高聚光比或降低聚光器精度

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：采用聚焦式真空集热管可实现提高聚光比或降低聚光器的精度的目的。

槽型抛物面反光镜为线聚焦装置，阳光经聚光器聚集后，在焦线处成一线型光斑带，集热管放置在此光斑上，用于吸收聚焦后的阳光，加热管内的工质。所以集热管必须满足以下5个条件：

1）吸热面的宽度要大于光斑带的宽度，以保证聚焦后的阳光不溢出吸收范围；

2）具有良好的吸收太阳光性能；

3）在高温下具有较低的辐射率；

4）具有良好的导热性能；

5）具有良好的保温性能。

目前，槽式太阳能集热管使用的主要是直通式金属-玻璃真空集热管，另外还有热管式真空集热管、双层玻璃真空集热管、聚焦式真空集热管和空腔集热管等。

1.热管式真空集热管

热管式真空集热管由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架及吸气剂等构成。工作时，太阳辐射穿过玻璃管被涂在热管和吸热板表面的选择性吸收涂层吸收并转化为热能，加热热管蒸发段内的工质，使之汽化。汽化后的工质上升到热管冷凝段，将热量释放，传递给集热器中的传热工质。热管内的工质凝结成液体后依靠自身重力，流回蒸发段重新循环工作。目前，已设计出适合于槽式DSG技术的普通型、一字形、聚焦式、螺旋翅片式等热管式真空集热管和适合于碟式DSG技术的普通型、十字形、螺旋翅片式等热管式真空集热管。

2.聚焦式真空集热管

槽式太阳能的集热温度主要受聚光比和吸收涂层的发射率控制。在槽式太阳能热利用系统中，聚光比一般在100以下，因而集热温度受到制约。采用聚焦式真空集热管可实现提高聚光比或降低聚光器的精度的目的。

3.双层玻璃真空集热管

一般的全玻璃真空集热管只能承受低压，因而只能在太阳能热水器等低温场合下使用。现在设计出的双层玻璃式真空集热管，采用金属与双层玻璃配合使用的方法，金属管承压，双层玻璃管减少对流散热，提高了集热和运行温度，但仍需做进一步改进。

4.空腔集热管

空腔集热管的工作原理：利用空腔体的黑体效应，充分吸收聚焦后的阳光。

中国科学院设计出了月牙形和圆形两种空腔管。空腔开口面对反光镜，镜面聚焦后的阳光进入空腔后，被附在空腔壁面上的金属管表面吸收，加热金属管内的工质。空腔管的外表面包覆良好的隔热材料，以降低热损耗。空腔集热管的优点是：①集热效率高；②不用抽真空，没有金属与玻璃连接的问题；③热性能稳定。其缺点是：①加工工艺复杂；②不易于规模化生产。

5.直通式金属-玻璃真空集热管

直通式金属-玻璃真空集热管是目前槽式太阳能普遍采用的集热管管型。直通式金属-玻璃真空集热管是一根表面涂有选择性吸收涂层的金属管（吸热管），外套一根同心玻璃管，玻璃管与金属管采用密封连接，玻璃管与金属管之间的环形空间抽真空以保护吸收管表面的选择性吸收涂层，同时降低了散热损失。

这种结构的真空集热管主要解决了如下几个问题：

1）金属与玻璃之间的连接；

2）高温下选择性吸收涂层的保护；

3）金属吸收管与玻璃管线膨胀量不一致；

4）最大限度提高集热面；

5）消除夹层内残余或产生的气体。

直通式金属-玻璃真空集热管主要用于短焦距抛物面聚光器，以增大吸收面积，降低光照面上的热流密度，从而降低热损失。它的主要优点是：①热损失小；②可规模化生产，需要时进行组装。其缺点是：①运行过程中，金属与玻璃的连接要求高，很难做到长期运行过程中保持环形空间内的真空度；②反复变温后，选择性吸收涂层因与金属管膨胀系数不统一而易脱落；③在高温下，选择性吸收涂层存在老化问题。

目前这种结构的代表产品有以色列Solel公司生产的外膨胀真空集热管和德国Schott公司生产的内膨胀真空集热管，如图4-1所示。

使用聚焦式真空集热管提高聚光比或降低聚光器精度

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