CPC热管真空管式热水器实验研究

　　研制了一种CPC(复合抛物面聚焦)热管真空管式太阳能热水器。该热水器在普通玻璃真空管热水器的基础上耦合热管技术，并增加了CPC 聚光板。对该热水器与全玻璃真空管太阳能热水器进行了热性能对比实验研究。结果表明，在300 W/m2~800 W/m2 日照条件下，该新型热水器单位面积集热功率最高可达610 W/m2;平均集热效率约为80%，比全玻璃真空管太阳能热水器的瞬时效率高10%~20%;导热介质的最高温度达到103℃。证明增加CPC 聚光板及运用导热油可有效提高集热品位，利用热管技术可解决严寒地区的抗冻问题，所以，CPC 热管真空管式太阳能热水器将具有较广阔的市场前景。

　　全玻璃真空管太阳能热水器不能承压、抗冻性差，其应用场合受到限制。热管式真空管热水器承压性好，可有效防止炸管等问题，可在高寒地区、开水器等特殊领域得到应用。热管真空管集热器可分为两种应用形式：单层玻璃和双层玻璃热管式集热器。前者的主要难题是金属与玻璃封接问题，一旦玻璃管的真空泄漏后，集热性能迅速下降;后者的主要难题是密封问题，少量的泄漏将导致高温空气向环境泄漏，大幅降低集热效率。

　　课题组发明了“槽式聚光型热管式太阳能锅炉装置”，将热管、真空管和导热流体耦合为新型集热器，初步研究表明，系统可产生高温蒸汽，并可避免玻璃与金属的焊接所带来的诸多问题。此外，相对槽式聚光器，CPC(复合抛物面聚焦)聚光器无需跟踪，造价较低;可方便地和筑

　　屋面、墙面等建筑良好结合在一起，提高太阳能光热系统性能。

　　目前，将CPC、抗冻导热介质、热管和真空管进行高效耦合，并运用于太阳能热水器的研究不多见。

　　本文在前期研究基础上，将热管真空管式集热器和小型CPC 聚光器耦合，研制一种高效CPC热管真空管式热水器，对其集热特性进行研究，为高效抗冻太阳能热水器的开发提供基础参数。

1、实验部分

1.1、实验装置

　　CPC 热管真空管式太阳能热水器测试系统由CPC 聚光器、热管式真空管集热器、热水箱、热水循环系统和测试系统组成。热管式真空管集热器置于CPC 聚光器的中心，管内装有导热油。CPC 将阳光汇聚到真空管内管，内管外壁涂层吸热升温，通过热传导将热量传递给导热油;导热油通过对流和传导，将热量传递给热管蒸发端;热管再经过高效相变将热量分别传递到冷凝端及水箱内的水。为了保证热水箱温度均匀，通过循环泵对热水进行循环。实验装置示意图及系统装置照片分别如图1、2 所示。

图1 CPC 热管真空管式抗冻热水器实验装置示意图

图2 系统装置照片

　　其中，真空管规格为φ47×1600 mm，内径为φ37mm。水箱容积为155 L，水箱外壳材料为彩钢板，内胆材料为SUS304- 2B 食品级不锈钢，厚0.6 mm，水箱保温材料为聚氨酯，厚约50 mm。设计热管尺寸φ20×1800 mm，其中蒸发段长1600 mm，冷凝段长200 mm，热管材料为321不锈钢。热管的设计图如图3 所示。

图3 热管的设计结构图

结论

　　(1) CPC热管真空管式太阳能热水器在300W/m2~800 W/m2 辐射条件下，日平均效率在80%左右，比全玻璃真空管热水器的日平均效率高约10%~20%;单位面积瞬时集热功率也高于全玻璃真空管热水器，最高可达610 W/m2; 瞬时效率为75%~85%，比全玻璃真空管热水器高10%~20%。

　　(2) 在热管真空管背部加上价格相对低廉的CPC 聚光板后，导热油的集热温度得到明显提高，导热油温度最高可达103℃，证明该热水器可提高热水品位，进一步拓宽热水器使用范围;热管的单向传热和导热油的蓄热性能使得散热损失较少，可提高集热器的稳定性。

　　(3) CPC 热管真空管式太阳能热水器用了真空技术和热管技术，具有不冻管、不炸管、不结垢的优点;热管单向传热，整机热量散热损失少热管启动温度低，启动速度快，升温速度快，可有效解决玻璃真空管热水器在高寒地区爆管的难题，特别适用于高纬度地区使用;该热水器还耦合了低倍聚光的小型CPC，增加CPC 热管真空管式集热器的组数，或者增大CPC 的聚光比，可拓展作为太阳能开水器，以及用于高效太阳能制冷和空调的中温热源。因此，具有广阔的推广应用前景。