真空管太阳能集热器

将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器

真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。真空管型太阳能集热器是太阳能热利用的基本形式之一。真空管型太阳能热管集热器主要包括集热部分、传热部分、换热部分和边框尾架部分。集热部分主要包括真空管、翅片（加强集热能力，又叫铝翼）及防止真空管口散热的隔热塞。可分为玻璃吸热体真空管和金属吸热体真空管。

发展历程

真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。真空管型太阳能集热器是太阳能热利用的基本形式之一。

1930年G.C.Abbot做出了真空太阳集热管。

20世纪80年代初期，美籍华人贝律昆先生送给我国几只全玻璃真空太阳集热管样品。不久，我国研制成功全玻璃真空管集热器，并参加了1982年在美国举办的世界能源博览会。

1997年，全国销量约4000000支。

现在国内的真空管太阳热水器生产和应用的规模居世界首位。

平板式太阳能在70年代就已经发明和应用，自从80年代发明真空管太阳能后，在整个业界平板式太阳能就慢慢退出市场现在在我国只占不到5%的份额，太阳能热水器也经历了60年代的焖晒式太阳能，平板式太阳能，真空管式太阳能，真空热管式太阳能的发展历程，现在真空管已经发展到了三高真空管，真空热管真空管。

目前，真空管太阳能在全国范围内占主流，是太阳能热水的发展方向。

结构

真空管主要由内管、外管（也称罩玻璃管）、卡子、吸气剂、真空夹层、选择性吸收涂层、吸气膜组成。内、　外管的材料是高硼硅3.3，属于仪器级玻璃。真空管的真空度、吸收率、反射比及吸收膜层的质量直接影响集热效果。

真空管型太阳能热管集热器主要包括集热部分、传热部分、换热部分和边框尾架部分。集热部分主要包括真空管、翅片（加强集热能力，又叫铝翼）及防止真空管口散热的隔热塞。

翅片置于真空管内管腔中的，主要作用是加强管腔内的热量向热管的传导，一般是铝合金材质。值得注意的是翅片与热管配合的圆槽精度要高，而且要做成收口的，否则热管容易从圆槽脱出。

隔热塞就象暖瓶塞，防止真空管内的热量散失。其上留有很小的排气孔，以防止管内空气高温膨胀压强增加胀破真空管。其制作材质有软木、木屑压制、硅胶、硅胶与不锈钢组合等。

传热部分一般是指重力热管，其基本特性是：很高的导热性；优良的等温性；热流密度可变性；热流方向的可逆性；恒温特性（可控热管）；环境的适应性。

原理与特点

几种真空管太阳能集热器：真空管集热器；三高真空管集热器；真空热管集热器共三种。

真空管太阳能工作原理：采用内管的吸热涂层对太阳光吸收，加热内管里的水，在与水箱或连箱进行交换，提高水温。作为一种集热板它在吸热的同时也会进行散热，而热量的传递只有三种方式：辐射，传导，对流。真空管太阳能的三种散热传热方式均很小，内管的水银涂层防止热量辐射；内外管中间的真空层防止热量传导；至于热量的对流散发对真空管太阳能而言，几乎为零。热效率达93.5%比平板太阳能提高50-80%。

真空管太阳能的使用寿命：由于它的材料是高硼硅玻璃，而内外涂层在真空的环境里不受氧化，在不受外力的情况下寿命超20年以上。

真空管太阳能管优点：

抗冻能力强：在南极都有优良表现，采用抗冻型热管，即使在－50℃的严寒条件下也不会冻裂；

热效率高：热效率达93%，系统热效率可达46%，斯诺宝真空管太阳能技术系统热效率可达75%，以致可以直接生产开水；

启动快：热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量，而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水；

不结垢：由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题；

保温好：热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境；

承压高：由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势；

耐热冲击性好：即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂；

安装简便，运行可靠：集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便，即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。

分类

真空管按吸热体材料种类，可分为两类：一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管），一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃－金属真空管）。

按承压能力可分为非承压集热器和承压集热器。承压集热器按结构形式又可分为热管集热器和U型管集热器。

全玻璃真空管

基本结构

全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成，其形状如一只细长的暖水瓶胆。

全玻璃真空管的一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封；另一端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气咀。内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层。弹簧支架上装有消气剂，它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体，起保持管内真空度的作用。

全玻璃真空管集热器：若干支真空管按照一定规则排列成的真空管阵列与联集管（或称为联箱）、尾托架和反射器等部件一起组成一台真空管集热器。全玻璃真空管集热器的联箱一般有圆形和方形两种，多采用不锈钢板制作，集热器配管接头焊接在联箱的两端。联箱的一面或两面按设计的真空管间距开孔，真空管的开口端直接插入联箱内，真空管与联箱之间通过硅橡胶密封圈进行密封。为了提高真空管集热器的性能，一些厂家的产品在真空管阵列的背面增设了反射板，其中多为平面漫反射板，一般采用铝板或涂白漆的平板制成。因为反射板长期暴露在空气中，容易积聚灰尘和污垢，需要经常清理，否则反射效果会受到影响，并且反射板增大了集热器的风阻，影响集热器安装的稳定性，所以，风沙比较大的地区不宜安装带反射板的集热器。

按照真空管的安装走向的不同，全玻璃真空管集热器可分为竖直排列（南北向）和水平排列（东西向）两种排列形式，其中水平排列又有水平单排和水平双排两种形式。

性能特点

用全玻璃真空管集热器与平板集热器作比较可以看出：

全玻璃真空管的外管相当于平板集热器的透明玻璃盖板和外壳；内管和附着在内管外表面的选择性吸收涂层相当于平板集热器的吸热体；内外管之间的真空夹层相当于平板集热器的隔热材料（保温层）。进一步比较会发现：以国家标准《全玻璃真空太阳集热管》（GB/T17049—1997）为依据生产的全玻璃真空管具有更为优良的性能。例如：玻璃管材采用硼硅玻璃3.3制造，太阳透射比高达0.89。圆柱形吸热面使其在一天中接受的垂直光照较平面更多。采用磁控溅射工艺形成的铝—氮—铝涂层的太阳吸收率0.86以上，发射率小于或等于0.09；闷晒曝辐量达3.8MJ/m2；平均热损系数仅为0.90W/m2.℃；真空夹层的气体压强为5×10-2Pa。上述指标保证了全玻璃真空管集热器较高的吸热性能，有效的避免了平板集热器的传导和对流热损失，并且提高了集热器的抗低温能力，同时，还具有较高的抗冰雹（击打）能力。

通过上述比较可见，真空管集热器具有结构简单、性能优良、生产工艺先进可靠、特别适合于打批量规模化生产的特点。

热管式真空管

基本结构

热管式真空管集热器是金属—玻璃真空集热器的一种主要形式，如今国内已有多家企业涉足该项技术。热管式真空管集热器主要有热管式真空管与联集管、保温盒、支架等部分一起组成。是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。

热管式真空管由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等组成。在热管式真空管工作时，表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板吸收太阳辐射能并将其转化为热能，传导给与吸热板焊接在一起的热管，使热管蒸发段内的少量工质迅速汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝段，释放出蒸发潜热使冷凝段快速升温，从而将热量传递给集热系统工质。热管工质放出汽化潜热后，迅速冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段。通过热管内不断重复的汽—液相变循环过程，快速高效的将太阳热能源源不断的输出。

热管式真空管集热器由真空集热管、导热块（或导热套管）、连集管、保温材料、保温盒、尾托架等部分组成。热管式真空管集热器工作时，每只热管真空管都将太阳辐射能转换为热能，通过热管反复的汽—液相变循环过程将热量通过热管冷凝段传递给导热块（或导热套管），从而加热联集管内的系统循环工质，使集热系统工质的温度逐步上升，直至达到使用要求的。与此同时，真空集热管及保温盒也不可避免地通过辐射或传导的形式损失一部分热量。

性能特点

热管式真空管太阳能集热器具有集热效率高、得热量大、输出温度高、承压运行好、结构强度高、抗冻性强等特点。安装维护方便，使用中无漏水隐患，易实现和建筑相结合，具备较长的使用寿命。热管式真空管太阳能集热器使用数量根据热水需求量可任意组合。安装位置灵活，承压运行，系统阻力小，集热系统容水量小，热水系统的运行通过太阳能控制器自动进行控制，可直接对热水加热，适用于各种集中热水供应及泳池加热系统。

值得一提的是，热管式真空管与联集管的连接是属于“干性连接”即联集管内的传热工质与集热管冷凝段之间是不直接接触的，集热器联集管没有漏水隐患，可以承受较高的运行压力，个别集热管破损也不会影响整个集热器的运行，维护起来非常方便，因而特别适用于大中型太阳热水系统，容易实现与建筑的结合。

影响太阳能热管集热器性能的参数有：集热面积、集热效率、热损及真空管的性能；联集管（联集箱）的阻力特性，还有太阳能热管集热器的容水量及放置朝向和倾角。

国内外太阳能集热器对比

综观太阳能集热器的发展，太阳能热管集热器以其自身的优点日益受到推崇，尤其在欧美等发达国家更是如此。但我国的太阳能集热器使用多以U型管为主，约占太阳能真空管集热器总量的70%～80%。主要原因是价格较低、效率较高、加工制造较容易。国内太阳能热管集热器分为玻璃与金属熔封和真空管内置热管两种结构，主要因为成本较高，在国内销售较少。国外发达国家，太阳能热管集热器应用较多，运输、安装、维修比较方便。要求安全、卫生、环保标准较高。

对于太阳能热管集热器而言，安装维修安装方便，可更换，便于维修。维修困难，U形管损坏，整台更换。运输各部件可独立包装，体积小，便于运输和搬运，成本低。必须整机包装，体积大，不便于运输和搬运，运输成本较高。应用分体、有吸液芯太阳能热管集热器横置安装可用于阳台，无吸液芯热管热管集热器竖置安装，通过调节安装角度或减短太阳能热管长度，可用于阳台。分体、阳台、工程，不受安装角度限制。

其他几种金属吸热体真空集热管

除了前面介绍的热管式真空管集热器之外，金属吸热体真空管集热器还有其它各种不同的形式，如同心套管式、U形管式、内聚光式、直通式等，随着技术的发展，还将会有新的形式出现。虽然他们的结构各有不同，但具有一个共性：吸热体都采用金属材料，而且真空集热管之间也都用金属件连接。

发展前景

我国的住宅设计目前尚未考虑生活热水供应，而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。我国能源供应紧张，依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应。我国太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/平方米，总日照时数在2000小时以上；而且近年来太阳能热水器发展迅速，使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的，并已具备了与常规能源的竞争力。

太阳能热水器早在八十年代初就在我国开始推广，应用范围包括集体浴室、游游泳池加热、工农业生产等。现在的市场发展势头正逐年向居民住宅用热水倾斜，在国内的一些地区已陆续出现太阳能热水器在住宅中的统一设计和安装，取得了良好的社会经济效益。

热管性能的影响因素

热管的好坏对太阳能集热器性能的影响非常大。热管的品质取决于材料材质、制作工艺和工作介质的选择。制作热管的材料较好的是TU1铜，其含氧量低，耐腐蚀性强，焊接性能也不错。制作工艺中关键是铜管清洗、注液量的选择、除气。对于变径热管来说，变径头焊接时内壁氧化的保护问题也值得注意。试验表明对热管进行2次除气，对性能的提高大有帮助。

我们用的常温（还有低温、中温、高温）热管中工作介质一般有水、乙醇、甲醇、甲苯、丙酮、乙烷等。对于这些介质铜都可以作为相容壳体材料。同时，设备水平也是决定热管质量的重要因素。

评判热管的性能主要看其启动性能、等温性能、耐温性能、传热性能（功率）和不凝气体含量。太阳能集热器所用热管一般为大头（冷凝端）变径重力热管。

联集管结构

换热部分主要是指集热器的联集管，它包括流道、保温层（也叫隔热体）、外壳、端盖。流道由干管和套管组成，热管的大头插入套管进行换热，而且插装前应在热管的大头涂装导热硅脂，以增加热传导效果。热量通过导热硅脂膜传到套管内壁再传到外壁，从而加热干管腔内的流动的介质。流道的阻力特性及介质的运动特性是太阳能集热器设计的重要依据。套管与热管的配合精度要非常高，试验表明，相同型号的太阳能集热器涂装导热硅脂的瞬时效率要比没涂装的提高约1%。

导热硅脂是一种乳白色的油脂，其导热系数一般在1.7W/（m·K），其评判指标包括耐温范围、针入度、挥发物质、游离度。

保温层在国内有用聚氨脂的也有用玻璃棉模块的，在国外多数用后者。聚氨脂泡沫塑料是用聚醚与多异氰酸脂为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而成的一种微孔发泡体，其导热系数一般在0.016W/(m·°C)～0.055W/(m·°C)。使用温度在-100℃～100°C。试验表明聚氨脂发泡密度在40kg/m3时，闭孔率高达97%，保温性能最好。

型材选择

联集管的外壳多采用铝型材。它可根据设计者的思想设计成各种造型，但除了考虑保温层的均匀性外，还要注意型材的最大对角线不宜超过170mm，否则铝型材厂家挤制型材将比较困难。铝型材的表面处理主要有氧化、电泳、喷塑、烤漆等几种方法。

端盖制作型材也多种多样，有尼龙塑料、铸铝、金属板冲压等。

尾架

边框尾架部分包括太阳能集热器的边框、拉杆、托架和护托。主要起连接、加固和调节的作用。需要说明的是太阳能集热器的护托不同于普通紧凑式太阳能热水器的护托，一定要设计成可调式的。因为太阳能集热器对真空管的窜动量要求较严，必须用可调式护托调节。一般窜动量应在3mm～5mm之间。

结垢问题

联集管集热器以工艺简单、价格低廉、真空管冬季保温好等特点被大面积推广，但普通联集管集热器也存在一些不足。一是真空管内直接加热水，升温快，联集箱内的水容易被蒸发（管路系统不合理或控制系统故障时出现真空管内的水减少，上部内管处于空晒。）当内管上下温差超过玻璃耐受温差冲击极限时，内管会炸裂，造成系统漏水，其中原因一般是应力集中、玻璃有微裂纹导致被激炸二是真空管内长期有水又温升较快，水中钙镁离子浓度大时管内壁容易结垢，管内也容易积淀一些絮状物（特别是竖插管集热器，污物不能自动排出，横插管集热器循环时被水带走一大部分）致使集热效率下降三是冬季环境温度低于零度时，室外集热系统内的水容易结冰，使管路冻坏；现常用的解决办法是除做好保温外，另在管道下方加电热带和进行防冻循环，即冬季为了防冻要耗电耗热。目前的解决方法主要有：根据水质情况定期清理真空管；或对自来水进行净化、软化、加药、磁化等。净化和软化可用过滤装置去除泥沙等大颗粒污物，用反渗透膜或树脂离子置换法去除钙镁离子。

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