基于热管的太阳能中温接收器设计

　　热管技术已成功应用于太阳能低温热利用领域，应用形式主要包括热管式真空管太阳能集热器、复合抛物面聚光器（CPC）热管式太阳能集热器等。

　　热管应用于太阳能集热器具有以下优点：热效率高；吸热段与放热段分离，可靠性高；承压性能好；热虹吸管具有单向导热性，热管式太阳能集热器夜间散热损失减少。在太阳能中温（250～400℃）热利用领域，主要是抛物面槽式太阳能集热器中热管技术应用较少，日本的Noboru Ezawa等M。o在20世纪80年代初研制了用于抛物面槽式热管太阳能集热器的中温热管接收器，但研究没有继续下去，希腊的Bakos等旧1设计了采用热管接收器的抛物面槽式太阳能集热器。中温热管接收器没有得到广泛研究的原因在于采用中温热管接收器后太阳能集热器需要倾斜放置，并且需要额外的管路来输送传热流体，导致集热系统复杂。

　　近年来，为降低抛物面槽式太阳能电站的成本，研究者提出用直接产蒸汽（DSG）系统代替传统槽式太阳能电站的双回路系统（包括导热油回路和水循环2个回路），省去导热油回路后系统效率显着提高。

　　但也带来了一系列新的问题：DSG系统中接收器吸热管周向温差较大，汽水混合物对管路的冲击，导致接收器可靠性较差，容易产生弯曲、颤动甚至损坏玻璃套管。热管具有优良的等温性、蒸发段与冷凝段分离，可以很好地解决DSG系统中接收器的问题，提高接收器可靠性。笔者采用中温热管代替普通吸热管，自主开发了用于DSG系统的太阳能中温热管接收器，并通过模拟试验对中温热管及中温热管接收器的性能进行研究。

　　1 太阳能中温热管接收器的结构

　　中温热管接收器由中温热管、玻璃套管组成，热管的蒸发段外罩单层玻璃套管，蒸发段一端通过玻璃—金属密封件与玻璃套管连接，另一端由支撑件支撑，构成接收器的吸热段；热管的冷凝段伸人夹套内构成接收器的放热段。热管蒸发段外表面涂高温选择性吸收涂层，作为吸热层，热管蒸发段与冷凝段分离，接收器的吸热段与放热段也相应分离，如图1所示。

　　2 模拟试验研究

　　抛物面槽式太阳能集热器工作过程中，接收器面对聚光器的一面与背对聚光器的一面接收到的热流密度之比为62：1，这也是导致接收器周向温差过大的主要原因。试验中采用电炉加热模拟中温热管接收器受热条件，在热管蒸发段（即热管位于炉膛中的部分）的上表面加2层厚为4[nln的玻璃纤维带，阻隔电炉对热管的辐射换热，实现对中温热管接收器实际工作条件的模拟。中温热管接收器试验中热管工作倾角为4℃。

　　2.1 模拟试验系统

　　试验系统包括计量泵、脉冲阻尼器、电炉、冷却器、背压阀及数据采集系统，如图2所示。脉冲阻尼器用于平衡计量泵产生的流量波动，确保管路中水压力、流量稳定。背压阀起背压作用，调控阀前管路压力。测量系统由安捷伦数据采集仪、热电偶、计算机、压力表、流量计组成，测量热管温度、进出口水温、系统压力、流量。热电偶布置见图3，热管管壁沿轴向与3个横截面圆周方向均布置K型热电偶，测量热管管壁轴向温度与周向温度分布，夹套进出口处布置E型热电偶。热电偶直接焊在热管管壁上，测温点外面覆盖2—3 mm厚的高温胶，避免炉膛辐射对热电偶测温准确性的影响。

图2 试验系统示意图[page]

　　热管传输功率Q：

　　式中：c。为比热容，J／（kg·℃）；rh为质量流量，kg／s；

　　热管蒸发段传热系数：

　　式中：疋为热管蒸发段平均温度，通过测量热管蒸发段管壁正上方各点及3个截面上各点温度平均得到；瓦为热管绝热段温度；Ah为热管蒸发段表面积。

　　热管冷凝段传热系数：

　　式中：TC为热管冷凝段平均温度，通过测量热管绝热段紧邻冷凝段正下方的管壁温度得到；AHPC为冷凝段表面积。

　　处在蒸发段不同位置3个截面的温度分布趋势不同，因此，选择3个截面的最大周向温差的平均值作为热管性能评价参数。