研制了一種CPC(復(fù)合拋物面聚焦)熱管真空管式太陽能熱水器。該熱水器在普通玻璃真空管熱水器的基礎(chǔ)上耦合熱管技術(shù)，并增加了CPC 聚光板。對該熱水器與全玻璃真空管太陽能熱水器進(jìn)行了熱性能對比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在300 W/m2~800 W/m2 日照條件下，該新型熱水器單位面積集熱功率最高可達(dá)610 W/m2;平均集熱效率約為80%，比全玻璃真空管太陽能熱水器的瞬時(shí)效率高10%~20%;導(dǎo)熱介質(zhì)的最高溫度達(dá)到103℃。證明增加CPC 聚光板及運(yùn)用導(dǎo)熱油可有效提高集熱品位，利用熱管技術(shù)可解決嚴(yán)寒地區(qū)的抗凍問題，所以，CPC 熱管真空管式太陽能熱水器將具有較廣闊的市場前景。

　　全玻璃真空管太陽能熱水器不能承壓、抗凍性差，其應(yīng)用場合受到限制。熱管式真空管熱水器承壓性好，可有效防止炸管等問題，可在高寒地區(qū)、開水器等特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用。熱管真空管集熱器可分為兩種應(yīng)用形式：單層玻璃和雙層玻璃熱管式集熱器。前者的主要難題是金屬與玻璃封接問題，一旦玻璃管的真空泄漏后，集熱性能迅速下降;后者的主要難題是密封問題，少量的泄漏將導(dǎo)致高溫空氣向環(huán)境泄漏，大幅降低集熱效率。

　　課題組發(fā)明了“槽式聚光型熱管式太陽能鍋爐裝置”，將熱管、真空管和導(dǎo)熱流體耦合為新型集熱器，初步研究表明，系統(tǒng)可產(chǎn)生高溫蒸汽，并可避免玻璃與金屬的焊接所帶來的諸多問題。此外，相對槽式聚光器，CPC(復(fù)合拋物面聚焦)聚光器無需跟蹤，造價(jià)較低;可方便地和筑

　　屋面、墻面等建筑良好結(jié)合在一起，提高太陽能光熱系統(tǒng)性能。

　　目前，將CPC、抗凍導(dǎo)熱介質(zhì)、熱管和真空管進(jìn)行高效耦合，并運(yùn)用于太陽能熱水器的研究不多見。

　　本文在前期研究基礎(chǔ)上，將熱管真空管式集熱器和小型CPC 聚光器耦合，研制一種高效CPC熱管真空管式熱水器，對其集熱特性進(jìn)行研究，為高效抗凍太陽能熱水器的開發(fā)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1、實(shí)驗(yàn)裝置

　　CPC 熱管真空管式太陽能熱水器測試系統(tǒng)由CPC 聚光器、熱管式真空管集熱器、熱水箱、熱水循環(huán)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。熱管式真空管集熱器置于CPC 聚光器的中心，管內(nèi)裝有導(dǎo)熱油。CPC 將陽光匯聚到真空管內(nèi)管，內(nèi)管外壁涂層吸熱升溫，通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給導(dǎo)熱油;導(dǎo)熱油通過對流和傳導(dǎo)，將熱量傳遞給熱管蒸發(fā)端;熱管再經(jīng)過高效相變將熱量分別傳遞到冷凝端及水箱內(nèi)的水。為了保證熱水箱溫度均勻，通過循環(huán)泵對熱水進(jìn)行循環(huán)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及系統(tǒng)裝置照片分別如圖1、2 所示。

圖1 CPC 熱管真空管式抗凍熱水器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 系統(tǒng)裝置照片

　　其中，真空管規(guī)格為φ47×1600 mm，內(nèi)徑為φ37mm。水箱容積為155 L，水箱外殼材料為彩鋼板，內(nèi)膽材料為SUS304- 2B 食品級不銹鋼，厚0.6 mm，水箱保溫材料為聚氨酯，厚約50 mm。設(shè)計(jì)熱管尺寸φ20×1800 mm，其中蒸發(fā)段長1600 mm，冷凝段長200 mm，熱管材料為321不銹鋼。熱管的設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 熱管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

　　(1) CPC熱管真空管式太陽能熱水器在300W/m2~800 W/m2 輻射條件下，日平均效率在80%左右，比全玻璃真空管熱水器的日平均效率高約10%~20%;單位面積瞬時(shí)集熱功率也高于全玻璃真空管熱水器，最高可達(dá)610 W/m2; 瞬時(shí)效率為75%~85%，比全玻璃真空管熱水器高10%~20%。

　　(2) 在熱管真空管背部加上價(jià)格相對低廉的CPC 聚光板后，導(dǎo)熱油的集熱溫度得到明顯提高，導(dǎo)熱油溫度最高可達(dá)103℃，證明該熱水器可提高熱水品位，進(jìn)一步拓寬熱水器使用范圍;熱管的單向傳熱和導(dǎo)熱油的蓄熱性能使得散熱損失較少，可提高集熱器的穩(wěn)定性。

　　(3) CPC 熱管真空管式太陽能熱水器用了真空技術(shù)和熱管技術(shù)，具有不凍管、不炸管、不結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn);熱管單向傳熱，整機(jī)熱量散熱損失少熱管啟動(dòng)溫度低，啟動(dòng)速度快，升溫速度快，可有效解決玻璃真空管熱水器在高寒地區(qū)爆管的難題，特別適用于高緯度地區(qū)使用;該熱水器還耦合了低倍聚光的小型CPC，增加CPC 熱管真空管式集熱器的組數(shù)，或者增大CPC 的聚光比，可拓展作為太陽能開水器，以及用于高效太陽能制冷和空調(diào)的中溫?zé)嵩�。因此，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。