研制了一種CPC(復合拋物面聚焦)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上耦合熱管技術，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行了熱性能對比實驗研究。結果表明，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效率高10%~20%;導熱介質的最高溫度達到103℃。證明增加CPC 聚光板及運用導熱油可有效提高集熱品位，利用熱管技術可解決嚴寒地區(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)、開水器等特殊領域得到應用。熱管真空管集熱器可分為兩種應用形式：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、真空管和導熱流體耦合為新型集熱器，初步研究表明，系統可產生高溫蒸汽，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(復合拋物面聚焦)聚光器無需跟蹤，造價較低;可方便地和筑

　　屋面、墻面等建筑良好結合在一起，提高太陽能光熱系統性能。

　　目前，將CPC、抗凍導熱介質、熱管和真空管進行高效耦合，并運用于太陽能熱水器的研究不多見。

　　本文在前期研究基礎上，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，對其集熱特性進行研究，為高效抗凍太陽能熱水器的開發(fā)提供基礎參數。

1、實驗部分

1.1、實驗裝置

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

圖1 CPC 熱管真空管式抗凍熱水器實驗裝置示意圖

圖2 系統裝置照片

　　其中，真空管規(guī)格為φ47×1600 mm，內徑為φ37mm。水箱容積為155 L，水箱外殼材料為彩鋼板，內膽材料為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。設計熱管尺寸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。熱管的設計圖如圖3 所示。

圖3 熱管的設計結構圖

結論

　　(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%;單位面積瞬時集熱功率也高于全玻璃真空管熱水器，最高可達610 W/m2; 瞬時效率為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格相對低廉的CPC 聚光板后，導熱油的集熱溫度得到明顯提高，導熱油溫度最高可達103℃，證明該熱水器可提高熱水品位，進一步拓寬熱水器使用范圍;熱管的單向傳熱和導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和熱管技術，具有不凍管、不炸管、不結垢的優(yōu)點;熱管單向傳熱，整機熱量散熱損失少熱管啟動溫度低，啟動速度快，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，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的中溫熱源。因此，具有廣闊的推廣應用前景。