新型平板热管式太

2
•
Qincident A Idt
1
（2）
• 上式中A为采光面积，单位为m2，I为单位面积上的总辐射量，单位 为W/m2。
• 总效率为集热时间内有效得热量与其总太阳辐射量的比值，其计算式
见下：
•
mwCp,w(Tw2Tw1)/Qincident
经过性能测试，得到了热水器在不同外部环境下的集热能力，并选取了 不同时节4个典型日来分析其性能。各典型日热性能结果见图6。
新型平板热管式太阳能热水器结构
• 热水器为分体式结构，由集热器，储热水 箱，循环管路和循环水泵和支架组成。对 热水器而言，集热是核心，保温是关键。 所以集热器和储热水箱性能对热水器热性 能影响至关重要。集热器包括3mm厚超白 玻璃（透光率91.5%），保温板，铝合金外 框，微平板热管群以及容水量小的循环水 箱几部分。集热器底部和四周放置保温材 料后用铝合金型材框紧，四角采用铆钉连 接，且型材连接处缝隙用硅胶密封。超白 玻璃放入上部型材卡槽中，集热器上表面 各缝隙处采用硅胶密封。储热水箱采用保 温性能高的聚氨酯整体发泡保温。
晴天，平均风速0.48m/s
晴天，平均风速0.85m/s
晴间多云，平均风速0.64m/s
阴天，平均风速0.54m/s
• 由上述结果可以看出,影响新型平板微热管 式热水器性能的主要因素为外部环境温度 (Ta)和太阳辐射辐射强度。随着季节变化, 外部环境温度升高,太阳辐射强度增强,热水 器日平均效率从51.18%升高到65.98%。但 是即使在环境温度较低时,其仍能正常稳定 集热,且日平均效率超过50%。其它时节， 环境温度升高，热水器日平均效率稳定在 65%左右。
恒温水浴
局部受热情况下的等温性
搅拌电机
和热响应快慢测试；此外 T3
针对太阳能低热流密度， 储水罐 T2
对热管冷凝端在水强制对 T1
微
流冷却情况下的等温性通
平
板
过实验研究，以考察热管
热
管
在水冷情况下的集热性能。
蒸发段
绝热段
(b) 水冷循环工作性能测 试
实验结果见图3和图4。
图2 热管性能实验简图
图3 局部受热下热管热响应和均温图
• (2)管内结冰问题。在严寒的冬天，集热管道内的 水结成冰，体积胀大，导致管道胀裂。
• (3)管内空气腐蚀问题。为了防止结冰胀裂管道， 通常将水放掉，集热器搁置不用。这时铁质管道， 将易造成因空气的腐蚀而锈穿的危险。
• (4)表面热损大。
• 为提高平板式太阳能热水 器性能，国内外学者提出 了许多新设想，进行了大 量尝试，其中以热管与平 板技术的结合为重点。
• 有效得热量：
•
（1） Q m w C p,w(T w 2T w 1)
• 其中，mw为储水箱中存水量，Cp,w为水的定压比热，单位为
kJ/kg·℃，Tw2—Tw1为储水箱中中水的温升，单位为℃；Tw1为当
日开始集热时水的初始温度，Tw2为集热一定时间后储水箱中水的温
度。测试期间的总太阳辐射为：
新型平板热管式太阳能 集热技术
——赵耀华，邹飞龙，刁彦华
1 新型平板热管式太阳能集热技术
• 利用二维微通道阵列平板热管，提出了全 新平板式太阳能集热技术及其热水系统， 测试了平板微热管基本性能，将其应用于 平板太阳能热水器，研制成功了新型平板 热管式太阳能热水器，测试了热水器性能, 其逐时最高效率为87.82%，日平均效率高 达65.98%,且不受时域和地域限制，并具有 成本低、抗冻、承压、紧凑、轻巧、不结 垢等优点，整体性能优越，应用前景极其 广阔。
• 我们今天所要讲的全新平 板式太阳能集热技术及其 热水系统 ，就是基于赵耀
华等人提出的二维微通道 阵列平板热管技术 而提出 的。
2 二维微通道阵列平板热管技术
• 低成本，高效率是热管设计的重要内容。本集热 器所用热管为铝制平板热管，其厚度仅2-3mm， 这样大幅度降低了热管成本，且具有轻巧、排列
面温度，在储水罐液位中部布
Leabharlann Baidu
置1个PT100热电阻测量水温，
数据用Agilent 34970A采集。实
验结果见图4，在水冷循环工作
时，热管绝热段起始和终止部
位温度一致，且其温度与水温
差别保持在3℃左右，热管在低
热流密度下工作性能优良。
蒸发段
绝热段
(b) 水冷循环工作 性能测试
图2 热管性能实验简图
图4 水冷情况下热管等温性能结果
图5 新型微通道阵列平板热管式太阳能热水器
3 实验结果与分析
• 根据以上设计，搭建了相关热水器热性能测试实验台，数据用Agilent 34970A采集，每2分钟采集一次。热水器性能指标中单位集热面积效 率是最为重要的，其值跟一定集热时间内储水箱内水的有效得热量与 相应时刻内集热器采光平面上所接收到的总太阳辐射量有关。
图4 水冷情况下热管等温性能结果
• 热管性能基本测试分为两 部分，其一为将1m长热管 插入50℃恒温水浴中，插 入深度为热管四分之一，
热管上部为自然对流冷却， 周围环境温度21.6℃；沿 热管均布3个PT100热电阻， 数据用Agilent 34970A采 集，以考察热管热响应速
度和基本的等温性能，从 上图3可以看出热管热响 应速度很快，在5s以内， 单位长度温降小于1.5℃， 热管具备等温性能优良。
• 太阳能热水器以其节能环保、结构简单、 便于维护、可靠性高等优点已在全球得到 了广泛应用。目前，按集热器类型分，应 用广泛的太阳能热水器产品主要为真空管 式和平板式两大类。其中，国内市场绝大 部分为真空管式，国外以平板式为主导。
• 现有普通平板式存在的问题：
• (1)管内结垢问题。因为常年在集热管道内循环， 造成管内结水垢，使集热器的效率明显下降。
图3 局部受热下热管热响应和均温图
• 进一步考察热管在太阳能低热
流密度下的循环工作性能，设
搅拌电机
计了热管性能测试实验系统，
T3
储水罐
并对1m长热管进行了初步测试， T2
其测试示意图见图2(b)，蒸发段 与冷凝段之间留出一绝热段， 在绝热段底部和顶端布置2个
T1
微 平 板 热 管
PT100热电阻来测量绝热段壁
紧凑等优点，更无须焊接翅片，减少工序，成本
尽一步降低。其结构简图如图1所示。
•
蒸发段
冷凝段
图1 微通道阵列平板热管结构简图
T3
• 热响应时间和等温性是热 T2 管热性能好坏的重要评价 指标，为考察微通道阵列
微
平 板
(a) 热响应和等温性
热 测试
管
平板热管的集热能力，设
T1
计了热管性能测试实验台, 示意图见图2,进行了热管