半球形全玻璃真空管太阳能热水器可行性研究

当前，太阳能热水器技术发展已日趋成熟、行业标准也逐步完善。

可以说太阳能热水器的发展已经到了一个瓶颈时期，要想突破这个瓶颈，寻求新的技术突破和设计思路是太阳能热水器发展的必经之路。

一些专家学者在面对全玻璃真空管太阳能热水器的更新发展问题时，通过改善制作工艺、选用更好的真空集热管材料以及更适宜的控制系统，通过其互相耦合作用，以达到更好的吸热、传热效果，但由于老式平板全玻璃真空管太阳能热水器设计的局限性，仍不能突破太阳能热水器的发展瓶颈［1-2］。

文章基于常规的全玻璃真空管太阳能热水器为主要数据参照对比，概念性地提出一种半球形状的全玻璃真空管太阳能热水器。

根据太阳热量计算公式：Q=P.S.T.y(P日照强度；S受热面积；T时间；y效率），对两种太阳能热水器的占地面积、受热效率和抗风抗震性能几个方面进行计算对比分析，得到一系列有积极指导意义的结论。

1研究背景
常规的全玻璃真空管太阳能热水器由真空管集热管、储水箱及支架等相关配件组成，依靠真空集热管把太阳能转换成热能，介质水因热虹吸原理自然循环，从而达到所需热水，全玻璃真空管以一定的倾角安装，使水受热后上浮至水箱内。

其最突出的特点在于采用平面的全玻璃真空管结构在随着太阳入射角度的改变时，无法保持最佳角度受热，这在很大程度上影响了受热效率，并且由于其结构的特殊性，使得它的稳固性也相对削弱，安装位置的选择也较为困难。

因此，为保证太阳能热水器能高效稳定的运行，对其结构的改变和探究具有重要意义。

1.1占地面积研究
以采用管长2m、管径50mm、管数为20的常规太阳能热水器为例。

如图1，当两管间隙为35mm时，全玻璃真空管平面长为2m，宽为1.7m。

当其安装倾角选取经常拟用的45°时，加上直径为30mm的圆柱形水箱，其结构尺寸约为：长2m、宽1.7m、高1.7m。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器可行性研究
刘诚鹏
（西藏自治区能源研究示范中心，西藏拉萨850000）
摘要：以常规的平板式全玻璃真空管太阳能热水器为主要数据参照对比，概念性的提出一种曲面式半球形全玻璃真空管太阳能热水器。

综合考虑设备占地面积、受热效率和抗风抗震性能，对比常规的平板式全玻璃真空管太阳能热水器各方面性能。

结果表明，半球形全玻璃真空管太阳能热水器具有占地利用率高、受热效率高、抗风抗震性能良好的优点，其对太阳能热水器的更新发展具有重要的意义。

关键词：太阳能热水器半球形受热效率
抗风抗震
图1常规太阳能热水器
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图2
半球形全玻璃真空管太阳能热水器
图3
全玻璃真空管概念图
图4
平面太阳能热水器实时辐射图
将全玻璃真空管制成圆弧形时，同样采用管长2m、管径50mm 为例。

如图2所示，其半球形全玻璃真空管球体的1/4弧长为2m，可装管数接近为原设备的两倍。

其占地为圆形，结构尺寸约为：周长8m、直径2.5m。

1.2受热效率研究
影响太阳能热水器受热效率的因素有很多，当
太阳入射光线垂直平面玻璃真空管时，其受热效率最佳［3］。

在不同的季节、各地域经纬度不同以及不同实时，其太阳光入射角均会发生改变，都会影响到太阳能热水器的受热效率。

1.2.1设备安装倾角对受热效率的影响。

常规的太阳能热水器安装倾角固定，不能随着季节的改变而灵活调节。

太阳辐射与地面夹角在一年四季中变化很大，太阳辐射在全年中由垂直状态左右摆动约23.5°，如把热水器做成倾角可调，则稳固性降低，使用起来也需一年调整若干次，所以固定角通常设为23°、33°、42°、50°几种，分别适应低中高纬度地区，来提高集热效率。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器呈球形，如图2所示。

其玻璃真空管呈弧形，如图3所示。

因此其安装不受季节、经纬度以及太阳辐射角度改变的影响。

无论光线从哪个角度射入，均能以同样的状态接受太阳的辐射，提高受热效率。

1.2.2实时辐射角度对受热效率的影响。

就常规的太
阳能热水器来说，随着每日太阳光线入射角度的改变，其受热效率呈现先上升，到达峰值后又下降的过程。

以实时太阳光线与平面玻璃真空管的夹角进行分析对比，如图4所示。

可见，仅有在正午13时左右太阳光线能达到垂直入射的效果；且在上午9时前以
及下午四时后，太阳入射光线与平面玻璃真空管的夹角相对较小，其受热效率也较低。

将全玻璃真空管制成圆弧形时，在同等占地面积内，半球形全玻璃真空管太阳能热水器可装管数接近为常规太阳能热水器的两倍。

如图5所示，可见无论光线从哪个方向射入，其辐射面积都能达到50％，且垂直辐射面积至少都能达到25％；在正午13时左右，其辐射面积仍能达到近100％；在上午9时前以及下午4时后，受热效率虽然有所减小，但仍不少于50％，同样包括近25％的垂直辐射面积。

1.3抗风抗震性能研究
为使太阳能热水器能安装稳固，以三角形架势
组合安装，得以较为稳固［4］；所设计的支架在三角的架势再增加一横梁，使其增加稳固性［5］。

可如此安装并不能达到绝对稳固的效果。

生活中也常有因
飓风或轻微地震影响而使太阳能热水器受到破坏
图5
半球形太阳能热水器实时辐射图78
图6
支架结构示意图
图7支架与底托固定结构图
支架
底托
支架
水箱
图8支架与水箱固定结构图
的案例。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器其玻璃真空管呈弧形，以此来改变支架的组合形式。

支架共计7根，它与底座、水箱的组装结构示意图如图6所示，在球体四周和球体中心对装置起着支撑稳固作用，整个支架呈中心对称结构，各个方向受力均衡，实现设备更加牢固化。

支架与底座、水箱的固定连接方式如图7、图8所示。

其结构简单，对安装地形的选择更为广泛。

无需顾及飓风和轻微地震等自然条件的影响，可适应更广泛地域地貌的安装。

2研究结果对比分析
2.1占地面积对比分析
在采用管长2m、管径50mm 为例时，常规的太阳热水器以常见的20管数为例，其占地面积：S=L×d=2m×1.7m=3.4m 2；
单管占地面积为：3.4m 2÷20=0.17m 2；
半球形全玻璃真空管太阳能热水器以相同的管距可安装40根全玻璃真空管，其占地面积：S=π.(d/2)2=3.14×(2.5/2)2≈4.9m 2；
单管占地面积为：4.9m 2÷40≈0.122m 2；
可见，半球形全玻璃真空管太阳能热水器的单管占地面积更小，土地利用率更高。

2.2受热效率对比分析
常规的太阳能热水器以常见的23°、33°、42°、
50°几种安装倾角固定安装，且不能随着经纬度的不同、季节的改变而灵活调节；半球形全玻璃真空管太
阳能热水器呈球形，其玻璃真空管呈弧形，安装不受季节、经纬度以及太阳入射光线改变的影响。

无论光线从哪个角度射入，均能以同样的状态接受太阳
的辐射。

另一方面，常规的太阳能热水器随着每日太阳光线入射角角度的改变，也会影响到其受热效率；全玻璃真空管制成圆弧形时，无论光线从哪个方向射入，均可接受光线垂直照射。

可见，半球形全玻璃真空管太阳能热水器的受热效率更高。

2.3抗风抗震性能对比分析
常规太阳能热水器的支架均以三角形的架势
组合安装，以对装置起到支撑稳固作用，可如此安装形式仍存在受力不均匀等缺陷，不能达到绝对稳固
的效果。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器整体呈球形，支架呈中心对称结构，各个方向受力均衡，其结构简
单，对安装地形的选择更为广泛。

无需顾及常见自然条件的影响，实现设备的更加牢固化。

可见，半球形全玻璃真空管太阳能热水器的抗风抗震性能更为突出，能适应的安装地形更为广泛。

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3结论
文章基于常规的太阳能热水器，提出一种半球形曲面玻璃真空管的太阳能热水器。

参照常规太阳能热水器各方面性能，成功的与其在占地面积、受热效率、抗风抗震性能几个方面进行了对比。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器的单管占地面积更小，土地利用率更高。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器的受热效率更高。

半球形全玻璃真空管太阳能热水器的抗风抗震性能更为突出，能适应的安装地形更为广泛。

综上所述，文章通过将两种热水器从概念上进行对比。

得出半球形曲面玻璃真空管太阳能热水器具有占地利用率高、受热效率高、抗风抗震性能良好的优点。

此外，随着此种新型太阳能热水器的真空管及支架结构的进一步设计完善，其对未来太阳能热水器的更新和发展具有重要的意义。

参考文献
［1］石南辉，刘树胜，贾广攀.太阳能热水器内胆的焊接方法和工艺［J］.电焊机，2018（1）：106-108.
［2］刘新.太阳能热水器自动控制系统的设计［J］.电子技术与软件工程，2018（1）：108-108.
［3］李仁飞，高文峰，刘滔，等.倾角对全玻璃真空管热水器温度场和流场的影响分析［J］.太阳能，2014（11）：25-29.
［4］张鹏，庄长宇.基于ANSYS Workbench落地太阳能平板热水器支架的参数化结构设计［C］.2017年中国家用电器技术大会论文集，2017.
［5］朱向楠，陆凤霞，宋子玲.太阳能热水器支架的力学分析与优化研究［J］.机械工程师，2012（5）：71-73.
编校洛松拉措
（上接72页）科学仪器，2004，3（1）：25-28.
［7］朱瑾，李新霞，陈坚.茚三酮比色法测定蒜氨酸原料药中总氨基酸的含量［J］.西北药学，2008，3（23）：136-138.
［8］唐静，周玲，田小琼，等.茚三酮比色法测定野生及人工培养香菇和黑木耳中氨基酸含量［J］.大理学院学报，2008，12（7）：6-7，14.
［9］周国兰，刘晓霞，何萍，等.茚三酮比色法测定茶叶中游离氨基酸总量方法的疑点研究［J］.贵州茶叶，2007（1）：24-25.
［10］赵琛，瞿海斌，程翼宇.虫草氨基酸的人工神经网络近红外光谱快速测定方法［J］.光谱学与光谱分析，2004（1）：50-53.
［11］刘冬莲.不同生长期中菘蓝多糖和氨基酸含量变化规律研究［J］.分子科学学报，2010，3（26）：199-202.［12］莫润宏，汤富彬，丁明，等.氨基酸分析仪法测定竹笋中游离氨基酸［J］.化学通报，2012，12（75）：1126-1131.［13］冯志强，周芳梅，黄永连.全自动氨基酸分析仪鉴
别不同种类酱油中氨基酸的分析研究［J］.中国食品添加剂.2013（15）：198-205.
［14］刘再胜，李永才，张晓梅.对二氨基苯甲醛比色法测定饲料中色氨酸的含量［J］.化验与检测，1998，19（6）：21-22.
［15］李原，杨君兴，崔桂华，等.海菜花营养成分初步分析［J］.营养学报，2009（31）：96-97.
［16］王孟薇，赵东海，李溪亚，等.支链氨基酸治疗肝昏迷［J］.氨基酸，1982（4）：20-23.
［17］林相信，颜孙安，钱爱萍，等.花鳗鲡鱼体肌肉的氨基酸分析研究［J］.中国农学通报，2012（28）：131-136.［18］马婷婷，权美萍，田成瑞，等.黄参茎叶、花营养成分分析［J］.营养学报，2009（36）93-95.
［19］苏坦.三乙胺对色谱柱的影响及解决方案［J］.中国中医药咨询，2010，2（01）：109.
编校姚皖黔
80。