太阳能真空管集热器工作原理：真空管太阳能集热器系统的研发与应用分析
太阳能真空管集热器工作原理：真空管太阳能集热器系统的研发与应用分析1.1.2 研发与应用后串联系统c.冬季温差循环系统基本上是以辅助能源为主，以太阳能为辅 甚至在我国的北方冬季无法使用。系统主要弊端：a.自来水直接进入储热水箱，造成热水温度不稳定；四季晴天、阴天需要复合能源辅助，节能效果不明显。b.集热系统单一温差循环运行模式，造成循环管道运行温度高、热损大；当用热水的时候储热水箱水位下降，浮球阀同步补冷水，储热水箱的热水用到一半就不能再用了，系统必须进行辅助能源互补，由于该系统是并联系统，同程管道长，温差循环的管道温度基本在45℃以上，循环换热管道温损在20%以上。
摘要作为世界上最大的太阳能低温热利用产品生产和使用国，每年我国太阳能低温集热器的制造量居世界之首。目前我国的太阳能热利用主要是热水领域，集热器以真空管及平板为主。真正达标成功案例不足50%，原因是什么呢？系统设计与应用不合理。在未来拥有广泛应用潜力的工农业太阳能热利用和低中温领域市场需求日趋明显，正向着太阳能干燥、海水淡化、养殖、光热低温发电等领域发展，应用需求也越来越广。对真空管及平板太阳能集热系统的升级与优化迫在眉睫，系统合理研发落实到实际有效应用势在必行。
0 现状
目前，我国太阳能热水系统主要性能指标与国外发达国家太阳能热水系统主要性能指标及热水系统比较还存在一定差距，太阳能热水系统主要由太阳能集热系统、储热系统和热水供应系统构成，包括太阳能集热器、贮水箱、循环管道、辅助加热设备、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件。太阳能集热系统是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能合理利用的关键。热水供应系统负责将集热系统制成的热水供给用户使用。就中外同类热水系统分析比较各有千秋，我国多数采用的是开式系统，国外多数采用的是闭式系统，单从系统效率上讲，开式系统直接热交换，闭式系统间接热交换，显然开式系统比闭式系统的效率要高。单从系统运行压力上讲，开式系统为常压，闭式系统为承压，显然闭式系统比开式系统的承压能力要强。从使用的角度上来说，开式系统的热水压力不能与冷水管网的压力直接相匹配，使用舒适度差，闭式系统的热水压力能与冷水管网的压力直接相匹配，但是闭式系统比开式系统的投资成本要高。
图1 系统基本原理
系统主要弊端：
a.自来水直接进入储热水箱，造成热水温度不稳定；四季晴天、阴天需要复合能源辅助，节能效果不明显。
b.集热系统单一温差循环运行模式，造成循环管道运行温度高、热损大；当用热水的时候储热水箱水位下降，浮球阀同步补冷水，储热水箱的热水用到一半就不能再用了，系统必须进行辅助能源互补，由于该系统是并联系统，同程管道长，温差循环的管道温度基本在45℃以上，循环换热管道温损在20%以上。
c.冬季温差循环系统基本上是以辅助能源为主，以太阳能为辅 甚至在我国的北方冬季无法使用。
1.1.2 研发与应用后串联系统
本文所述的太阳能热水系统采用真空集热管集中集热万能角度工程模块，串联系统连接模式，该系统四季运行光照无死角，每年4月至10月晴天无需复合能源互补，所需循环管道少、热损小、系统效率高、运营成本低，是今后我国中小型太阳能热水工程系统首选。系统基本原理如图2所示。
图2 系统基本原理
图3 实际工程案例照片
系统优化：由并联系统优化为串联系统，晴天冷水源直接进串联集热器系统进口，通过集热器定温交换加热，使符合用水条件的热水进入储能水箱，午后储能水箱到达储能定温高水位时，系统转换温差循环，对储能水箱进行二次加热，在使用热水时，集热系统向储能水箱补充的是集热器的余热，使太阳能系统热利用率得到更高获取，最大化利用太阳光能。
该研发的系统与目前国内同行中任何一款应用的热水系统相比具有以下优势特点：
a.采用万能角度双翼平铺集热器，全年候运行光照无死角，使太阳光能吸收最大化。
b.集热采用串联系统，集热器与集热器之间相串组合递增加热，具有循环管道用量少/热损小、加热速度快、运行效率高。
c.系统采用独特的运行工艺：定温循环 温差循环 余热回收 复合能源；晴天上午定温循环集热器光照2小时自来水直接进集热系统，出来达到45℃以上；下午系统自动转入温差循环，也就是给储热水箱进行二次加热，日落前集热器与储热水箱温度可达65℃。晚上系统自动转入余热回收；由于真空管集热器是高度保温的，日落前集热器温度为65℃，日落后仍有65℃，当储热水箱内水位下降，系统自动转入余热回收。
d.当用水单位突然增加洗浴人员，原设计量呈现不足，储热水箱可能出现补水情况，此时集热器仍有少量45℃以下的热水备用，当储热水箱水温下降到45℃以下，水位在水箱三分一处时，系统将自动转入复合能源互补模式；也就是说复合能源使用的条件是当太阳能的能量即将用尽且储热水箱的水量只有三分一处时系统才能启动辅助能源。
e.该控制系统为行业独特的专利系统，能在-25℃环境下正常产热运行，采用双层保温管道，使用超低温微循环防冻模式，具有全自动防冻解冻系统，确保四季正常供热运行，真正做到节能减排的目的。
2 太阳能集热系统强制循环分析
2.1 工作原理
强制循环太阳能热水系统是在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；与此同时，集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在贮水箱内。
系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能。通常有温差控制和光电控制两种控制方法，其中温差控制较为普及，可同时应用温差控制和光电控制。
温差控制是利用集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差来控制循环泵的运行，如图4所示。
图4 温差控制的强制循环系统（直接系统）示意图
有光照后，集热器内的水受太阳辐射能加热，温度逐步升高，一旦集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差达到设定值(一般8～10℃)时，温差控制器给出信号，启动循环泵，系统开始运行；遇到云遮日或下午日落前，太阳辐照度降低，集热器温度逐步下降，一旦集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差达到另一设定值(一般3～4℃)时，温差控制器给出信号，关闭循环泵，系统停止运行。
光电控制是利用太阳能电池所产生的电信号来控制循环泵的运行。日出后，太阳辐照度逐渐增加，一旦太阳辐照度达到设定的阈值(一般l50W／㎡左右)时，光电温差控制器给出信号，启动循环泵，系统开始运行；遇到云遮日或下午日落前，太阳辐照度逐渐降低，一旦太阳辐照度低于阈值时，光电温差控制器给出信号，关闭循环泵，系统停止运行。
用热水时，同样有两种取热水的方法：顶水法和落水法。
顶水法是向贮水箱底部补充冷水（自来水），将贮水箱上层热水顶出使用；落水法是依靠热水本身重力从贮水箱底部落下使用。在强制循环条件下，由于贮水箱内的水得到充分的混合，不出现明显的温度分层，所以顶水法和落水法都可以取到热水。顶水法与落水法相比，其优点是热水在压力下的喷淋可提高使用者的舒适度，而且不必考虑向贮水箱补水的问题；缺点也是从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混。落水法的优点是没有冷热水的掺混，但缺点是热水靠重力落下而影响使用者的舒适度，必须每天考虑向贮水箱补水的问题。
在双回路的强制循环系统中，换热器既可以是置于贮水箱内的浸没式换热器，也可以是置于贮水箱外的板式换热器。板式换热器与浸没式换热器相比，有许多优点：其一，板式换热器的换热面积大，传热温差小，对系统效率影响少；其二，板式换热器设置在系统管路之中，灵活性较大，便于系统设计布置；其三，板式换热器已商品化、标准化，质量容易保证，可靠性好。强制循环系统可适用于大、中、小型各种规模的太阳能热水系统。
2.2 集热器系统分析
对强制循环太阳能热水系统，分直接系统和间接系统两种情况进行分析。
直接系统：由于强制循环系统是依靠水泵作为循环动力，系统以固定的大流量进行循环，因此在运行过程中贮水箱内的水得到充分的混合，可以认为贮水箱内无温度分层，水温为某一个均匀温度。
当系统作无负荷运行时，贮水箱的能量平衡方程为：
（1）
集热器的能量平衡方程为：
（2）
系统控制器的工作可以用一个控制函数来表示：
（3）
式中，F——控制函数；
——集热器出口温度。
在强制循环系统中，通常系统流量为恒定值。假定为设定温差。当时，F=1，表示控制器闭合，水泵工作；当时，F=0，表示控制器断开，水泵停运。
假定管路的热损失很小，可以忽略不计，则有。将式（2）代入（1)，整理后可得：
F=1时，有：
（4）
F=0时，有：
（5）
式(4)和式(5)分别表示系统中水泵工作和不工作两种情况下，贮水箱内温度随时间的变化关系。两式中除外，均为可预先求得的常量或为时间的已知函数。因此，可以采用数值积分方法求解。用表示温度的导数，取得各时间间隔所对应的太阳辐照度G和环境温度值之后，即可逐步求得一天中贮水箱内温度的变化。计算结果表明，集热系统效率与采用什么样的系统连接形式有密切相关，如并联系统与串联系统的关系。
并联系统集热器产热温度与循环管道长度之间的关系如图5所示：每组集热器产热温度相等，循环管道长度是集热器宽度的三倍相加。
图5 并联系统集热器产热温度与循环管道长度之间的关系
串联系统集热器产热温度与循环管道长度之间的关系如图6所示：每组集热器产热温度相加，循环管道长度是并联系统的三分之一。
图6 串联系统集热器产热温度与循环管道长度之间的关系
3结论
综上所述，采用同样的集热器应用不同的组合系统，产出的热水量是不同的；当今我国乃至全世界都在向宇宙获取清洁可再生能源，真正做好、用好还要以科学发展观为总则，普及科学、合理、实用的知识。
来源：中国太阳能产业资讯
