第4章 大口径太阳能集热器的研究和应用

丁伟（山东大工新能源有限公司）

一、当前太阳能集热器概况

目前，我国太阳能集热系统大都采用串联与并联相结合的串并混合型系统，这种“并联为主、串联为辅”的系统，具有热损较大、综合效率低、运行不稳定、使用寿命短、系统成本高、影响整体美观等诸多弊端；尤其是在北方的冬季，辅助能源反而成了主要能源，太阳能集热器就成了辅助能源，以至于太阳能不节能，甚至耗能。

1．集热器分类

以集热器件构成可分为真空管型、金属热管、U形管太阳能集热器、平板型太阳能集热器。以运行方式可分为开式集热器和闭式集热器。以换热当前太阳能集热器的分类方式可分为直接换热集热器和间接换热集热器。

2．当前太阳能集热器的五个主要共同点

（1）集热器进出水端口的通径太小，其公称通径大都在DN15～DN25之间，造成流量偏小。

（2）由于集热器的进出水端口的通径太小，因此，大中型太阳能集热系统的集热器组成一般以“并联为主、串联为辅”。这种“串并混合”组成的系统，集热管道必须走“同程”的原理，才能确保每组集热器的热量基本都能转换出来；这种“同程”结构的管道就造成了集热管道太长、运行热损偏大、综合效率偏低，而且集热系统越大、热损越大、效率越低。

（3）由于集热器的进出水端口的通径太小，随着时间的推移，进出水端口的内径因污垢等原因会慢慢“缩径”，集热器内的工质流速会越来越慢，就造成了集热系统的换热效率越来越低。

（4）由于集热器的进出水端口的通径太小，随着时间的推移，进出水端口的内径因污垢等原因会慢慢“缩径”，但每组集热器的进出水端口的缩径比例不可能完全相同，这就会造成集热系统虽然“同程”但“不同流量”。那么，流量偏小的集热器，其吸收的太阳能热量就不能通畅的转换出来。笔者把这种现象，称为“假同程”现象。

（5）由于集热器的进出水端口的通径太小，相对而言，集热系统越大，需要组成的集热器就越多，需要循环水泵的流量和扬程就越大、越高，进而集热器的受压就越大，其故障率也就越高、使用寿命就越短。

由于集热器的进出水端口的通径太小，“串并混合”系统的“同程”原理决定着其集热管道的长度至少3倍于集热系统的宽度，其材料和人工等成本也就相对较高。

3．课题研究和技术成果

通过以上分析可以看出，当前太阳能集热器的五个主要共同点，其本质都指向了一个地方：集热器进出水端口的通径太小。只要解决了进出水端口小的难题，由它延伸的问题就会迎刃而解。那么，我们要把太阳能集热器的进出水端口加大，即研制出“大口径太阳能集热器”。

经过近五年的研究和反复试验，并经过近万吨级的集热系统实例检验，研发出四种大口径太阳能集热器。

大口径真空管型太阳能集热器：进出水端口的通径设计为DN50～DN100。

大口径金属热管太阳能集热器：进出水端口的通径设计为DN32～DN50，根据需要可进一步设计为更大。

大口径U形管太阳能集热器：进出水端口的通径设计为DN32～DN50，根据需要可进一步设计为更大。

大口径平板型太阳能集热器：进出水端口的通径设计为DN32～DN50，根据需要，可进一步设计为更大。

二、大口径太阳能集热器的优势

由大口径太阳能集热器组成的太阳能集热系统，其优势主要有以下几点。

1．换热效率明显提高

以真空管型太阳能集热器为例，常见的大部分是双插横排集热器，横排管与水平面夹角几乎为0，这样，它的热传导曲线势必加长，也就是说，在同等太阳辐照量、同等光热转换条件下，常见的双插横排集热器的物理曲线加长了，或者是说它的热传导速度降低了。而大口径集热器平面看上去与常见的双插横排集热器好像没有什么区别：同样是双插管结构，但是，设计的集热管与水平面的夹角约为4°，这个角度使集热管的管口底部与集热管的尾部上侧基本持平，即集热管的管口比尾部高出恰好是集热管直径的一个高度，这在一定程度上使它的热传导近似于竖排管，热传导的物理曲线缩短了，热传导速度也就加快了（图1、图2）。

通过两图比较，可以看出：大口径真空管型太阳能集热器的热传导物理曲线明显缩短，那么它的热传导速度也就进一步加快。

2．管道热损大大降低

无论是真空管型、金属热管太阳能集热器还是U形管、平板型太阳能集热器，只要是集热系统稍微大一点，就必须考虑“同程”集热循环，否则一定会造成循环水抄近路直接进入储热装置，而后面的集热器几乎失去作用。所以，常见的太阳能集热器组成的集热循环管路，其管道长度基本上是自储热装置到最远端集热器距离的3倍以上。而且，管道长度随着集热器数量的增加而3倍增加。

而由大口径太阳能集热器组成的集热系统，一般情况下，其管道连接长度，是自储热装置到最近集热器距离2倍的长度。而且，其管道长度一般不会随着集热器的增加而增加（图3、图4）。

3．排气热损大大降低

由开式集热器或闭式集热器组成的开式集热循环系统，一般情况下是“并联为主、串联为辅”，为安全起见，每一个分支串联集热排都需要加一个排气管或排气阀。而由大口径太阳能集热器组成的集热循环系统，一般情况下是“串联为主、并联为辅”，加之优化的特殊结构，可以做到不需要一个排气管或排气阀。即使在特殊情况下，也可用相对较少的排气管或排气阀便能解决。

以60组集热器为例，由开式集热器或闭式集热器组成的开式集热循环系统，其集热器是“并联为主、串联为辅”的连接形式，整个系统可以做成4串15并、5串12并或6串10并等；甚至需要做成两个独立的集热循环系统（管道更长、热损更大、效率更低），那么，为了安全，根据实际需要就要做6～14个排气管或排气阀。而由大口径太阳能集热器组成的集热循环系统，其集热器是“串联为主、并联为辅”的连接形式，甚至可以直接做成大串联而无须并联，根据现场情况，整个系统可以做成“一进一回”的大串联，“两进一回”的“串主并辅”，“两进两回”的“串主并辅”，“三进两回”的“串主并辅”等。一般情况下，“一进一回”的大串联，“两进一回”的“串主并辅”一个排气都不需要，“两进两回”的“串主并辅”，“三进两回”的“串主并辅”等只需要一两个排气用于泄压。

由开式集热器或闭式集热器组成的开式集热循环系统，一般情况下是“并联为主、串联为辅”，为安全起见，每一个分支串联集热排都需要加一个排气管或排气阀（图5）。

由大口径太阳能集热器组成的集热循环系统，一般情况下是“串联为主、并联为辅”，甚至是“纯串联”连接，加之优化的特殊结构，可以做到不需要一个排气管或排气阀（图6）。

4．防冻循环热损明显降低

除了集热器使用具有防冻性能的介质和最低气温在零度以上的地区，传统集热系统集热循环管道太长，冬季的防冻循环一直是系统的耗能大项。试想，假如冬季白天太阳的有效照射时间为5小时，而集热循环管路需要24-5=19小时的定温防冻循环，是什么概念？如果是定时防冻循环，以常见的“运行10分钟停30分钟”来计算，就意味着除了集热循环时能防冻外，其余还有接近5小时在循环防冻。也就是说，在纬度较低的地区，集热管道用于防冻循环所散失的热量和集热器得到并转换成有效的热量相比，不一定哪个多。再加上一些客观存在的其他因素，比如真空管效率低、集热器保温不好、管道保温不好、设计不合理等，这就造成了我们常见的太阳能集热系统冬季不节能反而耗能的“奇怪现象”。

而由大口径太阳能集热器组成的集热系统，其集热循环管道只有传统集热系统的十几甚至几十分之一，且所有集热循环管道都与集热器的高度持平甚至高于集热器，因此，在集热循环系统设计合理前提下，其防冻循环几乎是不启动的，除非特殊原因造成了集热器里的温度低于了我们设定的防冻循环温度，如极端天气、保温没做好等（图6）。

5．集热循环时间明显缩短，循环热损明显降低

常见的普通太阳能集热器的进出水口径一般为DN25，而且是“并联为主、串联为辅”，造成管道过长，其每一次的循环过程所需的时间就较长。而大口径太阳能集热器的口径一般为DN50～DN100。在同等条件下，大口径太阳能集热器的流量是普通集热器的4～16倍；或在同等条件下，大口径太阳能集热器的流速是普通集热器的4～16倍。

在相同条件下的集热循环，由大口径太阳能集热器组成的集热系统所用的循环时间，是普通集热器组成的集热系统的1/4～1/16。无论是真空管型太阳能集热器、金属热管太阳能集热器还是U形管太阳能集热器、平板型太阳能集热器，其集热循环过程中的热损都降低了75%～93.75%。

6．集热循环时间缩短后，循环泵的使用寿命增强，循环泵功耗就进一步降低

在同等条件下的集热循环，大口径集热器组成的集热系统所用的循环时间，只有普通集热器组成的集热系统的1/4～1/16。那么，理论上讲，循环泵的使用寿命也将相应增加到4～16倍，循环泵的功耗、维护、更换费用明显降低。

7．承压能力进一步增强，系统寿命进一步增加

众所周知，考虑到成本、热效率等因素，当前市场上以开式集热器居多，而普通开式太阳能集热器又以真空管型太阳能集热器居多，其内胆和外壳一般都为方形设计，加之进出水端口公称通径太小，其自身的运行相对并不通畅；如果出现排气设计不合理或水泵的流量和扬程偏大或存在压差现象时，长时间的集热运行，往往会出现联箱变形、漏水，造成系统瘫痪，甚至报废。

而大口径太阳能集热器的内胆为近似于圆形的设计，外壳为纯圆形设计，其自身的“承压能力”明显增强，加之进出水端口的公称通径增加到DN50，甚至DN100，其集热循环十分通畅，由它组成的集热循环系统的寿命也就进一步增加。

8．“炸管率”明显降低

当前市场上以真空型太阳能集热器组成的开式集热系统占据市场的主流，因普通的真空型太阳能集热器进出水端口通径偏小的先天原因，造成系统在实际运行过程中“炸管率”居高不下，影响到系统的稳定性，在给客户造成诸多不便的同时，也为我们这个节能环保的产品蒙上了一层阴影，阻碍了太阳能集热市场的进一步发展。

大口径真空管型太阳能集热器为“偏心式+倾斜式”结构设计，或者是与内胆形成全通径的直通式结构设计，一旦系统出现故障，集热管内一般不会出现缺水现象，而且在运行过程中极少甚至不会产生气阻现象，因此，在保证集热管质量和系统设计合理的前提下，集热管炸管的可能性几乎为零。

9．集热器方向可实现“平铺万向组合”，不分方向

除平板型集热器外，凡是以真空集热管作为集热元器件的，因大口径太阳能集热器的特殊结构，其自身几乎不会产生气阻现象，横插管集热器不需要再根据“太阳高度角”设计出与地平面的角度进行安装，而是直接平铺即可。其实，对横插式真空管型太阳能集热器而言，根据当地“纬度”和“太阳高度角”设计与地平面形成角度的集热器安装方式一直是一个误导，甚至是完全的“伪科学”。众所周知，真空集热管是一个圆柱形吸热体，当它横置时，在同一地点，无论太阳高度角是多少，横插真空管的光反射是一样的，它所得到的太阳辐照量也几乎是一致的（竖插管太阳能集热除外）。

相对而言，我们提倡将真空管型太阳能集热器的插管方向设置为东西方向，即集热器的排列为南北排列，这样它可最大限度地减少太阳的光反射。有时候，置放太阳能集热器的屋面东西长、南北短，或者屋面干脆就是个圆弧状的，建议集热器根据屋面形状采取集热管道最短的方式进行排列，哪怕集热管南北方向插置都可以。根据案例实践和测试，插管方向即使为南北方向，虽然集热系统的真空管有一半是在北面，光反射较多，但其热传导速度的加快，以及其节省的管道热损、排气热损和循环热损等，不仅可以完全抵消光反射的热量，其综合效率还能有所增加。

因此，鉴于以真空集热管作为集热原件的大口径太阳能集热器的特殊结构和性能，建议在组成集热系统时，采取平铺安装，这样可以实现“万向组合”而不分方向。而且，在每年日照时间较长的5～10月，可以充足得到太阳的辐照。

考虑到大部分地区冬季的“太阳高度角”较小，以真空集热管作为集热原件的大口径太阳能集热器，为了避免真空管之间“前管遮挡后管”，我们建议集热器在制作时，不要采用真空管密排：真空管外直径为58mm的集热器，其管间距至少不要低于80mm；真空管外直径为47mm的集热器，其管间距至少不要低于70mm。

当然，所述的“平铺”，不是绝对意义上的平铺，前面已经介绍：大口径太阳能集热器的集热管与地平面的夹角约为5°。所以，它实际上是以“平面斜管”的结构来体现的，它本质上有别于传统的有角度的“平管斜面”的集热器。这种大口径“平面斜管”的太阳能集热器，实际上就形成了“小角度竖插管”的集热结构，这也对应了前面所述：热传导物理曲线明显缩短，热传导速度加快。

10．“平铺万向组合”不影响城市美观，没有安全隐患

以真空集热管作为集热元器件的大口径太阳能集热器，在组成系统时，根据屋面结构采取平铺式安装，其集热器高度一般设计为低于屋面四周的“女儿墙”（如果有的话），人们在下面就不会看到屋面的集热器。我们不要固执地认为，我们做的太阳能集热系统让路上的行人都看得见是一种风景，其实，对除了“我们”而言，其他大部分人都会把我们的辛苦结晶视为“视觉污染”，甚至是一个安全隐患。

同时，去除了那个“平管斜面”的大斜坡集热系统，其抗风性能、安全性能也进一步加强。

如图7，根据屋面的圆弧形结构设计的“平面斜管”的“圆弧形”太阳能集热系统，集热器的高度低于屋面四周的“女儿墙”，真正做到了与建筑融为一体。

11．太阳能集热系统的“综合投资成本”降低

所有的大口径太阳能集热器，无论是真空管型太阳能集热器、金属热管太阳能集热器还是U形管太阳能集热器、平板型太阳能集热器，都摒弃了传统太阳能集热器“并联为主、串联为辅”的设计思路，集热循环管道只有传统设计的十几分之一，甚至几十分之一，使其管道、保温以及相应的人工成本降低了很多。而平铺式设计更是节省了支架的材料和人工成本，其“综合投资成本”进一步降低。

三、采用大口径太阳能集热器设计集热系统时的四项基本原则

大口径太阳能集热器有它独到的技术优势，它代替传统的集热器来组成太阳能集热系统，是其发展的必然趋势。但用大口径太阳能集热器在设计太阳能集热系统，要遵循以下四项基本原则。

1．三个“不要”原则

（1）了解透彻，不要乱做设计。

（2）科学计算，不要生搬硬套。

（3）权衡利弊，不要没有底线。

2．三个“优先”原则

（1）集热器上水和定温上水优先。

（2）集热器南北排列优先。

（3）短管道回水优先。

但上面所述的是“优先”原则，不是“必须”原则。这些原则不是必需的，在实际设计过程中，要看现场的实际需要是什么、甲方的使用倾向是什么、系统又能允许什么，再决定是否采取这样的优先设计，决不可生搬硬套。

3．三个“凡是”原则

（1）凡是不遇到遮挡物的，一定要将集热器温度传感器的位置避开，否则，集热器里的热量可能会得不到充分利用。

（2）凡是遇到水箱超高的，一定要加装缓冲水箱，或是水泵置于集热循环回水端+电磁阀置于集热循环进水端，否则，非承压集热器可能会漏水、炸管，甚至造成系统瘫痪，直至报废。

（3）凡是遇到水箱顶部低于集热器的，一定要在集热循环进水端和出水端加装“进排气阀”，此“进排气阀”即要能进气，又要能排气，但不能排水，遇水要能自动关闭。

4．三个“管、泵、阀”原则

（1）集热循环管道：回水少走弯。每一个集热循环回水端的管道，尽量不要用直角弯头，最好用45°弯头对接成弯；必须用直角弯时也最好不要超过两个，如果水箱顶部高于集热器时，回水管道最好做成“坡状”回水。

（2）集热循环水泵：流量配扬程。循环水泵的选型必须与集热器组成的数量、储热装置与集热器的落差、当地的太阳辐照量、集热循环管道的总长度等相合，通过科学的计算与循环水泵流量扬程运行曲线图相结合，来最终确定循环水泵的型号。

（3）阀门类：阀门全通径。我们在设计系统时，往往只知道阀门的丝口通径，而忽略了阀门的有效通径。什么是有效通径？有效通径就是流体在通过阀体内部时，其最小的通道横截面。因为只有有效通径才是流体通过这个阀门的实际通径，而标称的丝口公称通径并不为准。

那么，什么样的阀门才是全通径阀门？

全通径阀门的标准是：阀门的有效通径d1≥相接的管道内直径d2。

阀门的通径是我们进行系统设计时常犯的一个错误，它直接决定着集热循环系统的效率、集热系统的稳定性，甚至影响整个集热系统的使用寿命。这就是我常说的“阀门虽小，但事关重大”。

作者简介

丁伟，高级工程师、百度新闻人物，是我国目前唯一一位“太阳能利用”国家一级高级技师。现任国家能源局联箱标准起草委员会主任委员、中国新能源工程联盟首席专家兼专家组组长、山东大工新能源有限公司CTO、山东诺尔新能源有限公司总工程师。同时，也是我国有突出贡献的太阳能热利用青年专家、资深经理人，拥有平铺式大口径真空管联箱、沟槽卡箍式联集水箱、直通式大口径真空管联箱、大通径金属热管太阳能集热器、大口径U形管太阳能集热器等十多项专利和多项专有技术。他执笔起草了NB/T 32024—2014《太阳能热水工程联箱》全国行业标准，此标准已经于2014年11月1日起正式实施。