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摘 要

在太阳能的热利用研究中，很多应用采用了抛物线槽式太阳能集热系统，其中有很大部分集热器使用的接收器为线性真空管结构，其在高热流密度下工作时，会导致接收器热变形，严重时会使得接收器损害破裂，影响系统的传热性能和集热效率。而热管因其良好的导热性和等温性，可以替代线性真空管，因此本文研究的是热管式真空管和槽式聚光集热器相结合的太阳能集热系统。

首先，本文介绍了槽式太阳能集热系统的结构，该系统主要包括热管式真空管和槽式聚光集热器，热管式真空管由两项闭式热虹吸管和单层玻璃套管构成。介绍了该集热系统的传热过程和工作原理。

其次，按照热管工质的工作温度范围选择工质，可以选择水和甲苯，择优选择水作为工质。然后在选择和水相容性较好的不锈钢材料，同时要进行必要的防腐处理。紧接着时热管内充液量的设计与选择。最后进行的是热管管径尺寸的设计，根据太阳圆面张角，聚光集热器焦距，开口宽度等参数计算出金属管管径所需尺寸。太阳能辐照测试装置有不同的跟踪模式，按照跟踪方式里的运动自由度划分为单轴太阳能跟踪系统和双轴太阳能跟踪系统，设计聚光器倾角以更好地接收太阳辐射。

最后，进行对重力热管传热性能的测试，计算在不同倾角下热管的输出功率和传热热阻并与其他数据进行对比分析。对不同跟踪方式下接收到的太阳辐射进行测试，然后将测试结果做成图表，将数值计算结果和线性变化趋势进行对比分析，选择出最佳设计方式。

关键词：集热器 热管式真空管 槽式聚光器 跟踪系统

Design and analysis of heat pipe vacuum tube trough solar collector

Abstract

In the study of solar thermal utilization, many applications use parabolic trough solar collector systems, and a large part of the collectors use receivers with a linear vacuum tube structure. When working at high heat flux densities, they will cause receivers Thermal deformation, when severe, will cause damage to the receiver and rupture, affecting the heat transfer performance and heat collection efficiency of the system. The heat pipe can replace the linear vacuum tube because of its good thermal conductivity and isothermal property. Therefore, this paper studies the solar heat collection system that combines the heat tube vacuum tube and the trough concentrator.

First, this paper introduces the structure of the trough solar collector system, which mainly includes a heat pipe vacuum tube and a trough concentrator collector. The heat pipe vacuum tube is composed of two closed thermosiphons and a single-layer glass sleeve. The heat transfer process and working principle of the heat collection system are introduced.

Secondly, according to the working temperature range of the heat pipe working fluid, you can choose water and toluene, and choose water as the working fluid. Then select the stainless steel material with better water compatibility, and carry out the necessary anti-corrosion treatment. Immediately after that, the design and selection of the liquid filling in the heat pipe. Finally, the design of the diameter of the heat pipe is carried out, and the required size of the diameter of the metal pipe is calculated according to the parameters such as the opening angle of the solar round surface, the focal length of the concentrating collector, and the opening width.The solar radiation test device has different tracking modes, which are divided into single-axis solar tracking system and dual-axis solar tracking system according to the freedom of movement in the tracking mode, and the inclination of the condenser is designed to better receive solar radiation.

Finally, the heat transfer performance of the gravity heat pipe is tested, and the output power and heat transfer resistance of the heat pipe at different inclination angles are calculated and compared with other data. Test the received solar radiation under different tracking methods, then make the test results into a chart, compare and analyze the numerical calculation results and the linear change trend, and select the best design method.

Keywords: collector, heat pipe vacuum tube, trough condenser, tracking system

目 录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1课题背景及研究意义 5

1.2研究发展概况 6

1.2.1聚光式热管真空管太阳能集热器研究现状 7

1.2.2非聚光式热管真空管太阳能集热器研究现状 8

1.3本文主要研究内容 8

1.4本文的研究目的 9

第二章 热管真空管槽式太阳能集热器介绍 10

2.1槽式太阳能集热器结构介绍 10

2.2主要结构装置 11

2.3传热过程及工作原理 12

第三章 热管式真空管结构介绍与设计选择 14

3.1 典型热管介绍 14

3.2 热管式真空管结构及工作原理 15

3.3热管工质选择 15

3.4热管管壳材料的防护处理措施 17

3.5重力热管充液量选择 17

3.6管径设计 18

第四章 太阳能跟踪设备的不同跟踪方式 20

4.1 太阳能辐照测试中的不同跟踪模式 20

4.1.1单轴太阳能跟踪系统 20

4.2.2双轴太阳能跟踪系统 20

第五章 性能测试与分析优化 22

5.1重力热管性能测试分析 22

5.1.1原理与计算 22

5.1.2测试步骤 22

5.1.3注意事项 23

5.2不同跟踪模式下的太阳辐照测试分析 23

5.2.1原理与计算 23

5.2.2测试步骤 24

5.2.3注意事项 24

5.3重力热管传热性能数据分析 24

5.4不同跟踪模式下的太阳辐照测试分析 26

第六章 总结与问题分析 31

6.1总结 31

6.2问题分析 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

在这个能源利用的新时代，生产方式和经济增长的动力必然是能源。能源根据可再生性可以分为非可再生能源和可再生能源。非可再生能源主要是化石能源，例如煤、石油、天然气等，可再生能源有太阳能、潮汐能、地热能等。在能源领域，我国目前是世界最大的能源消费国、世界最大的原油进口国、世界最大的天然气进口国以及世界最大二氧化碳排放国，并且我国水电、风电、太阳能发电装机容量均居于世界第一。

根据最近的《BP世界能源统计年鉴》显示，2018年全国能源消费总量达46.4亿吨标准煤。其中煤炭消费量占比59％，石油消费量占比18.8％，天然气消费量占比7.8％，非化石能源（水、风、核、光）消费量占比14.3％，清洁能源消费量占比22.1％。在能源消费统计中，煤炭占比最大，清洁能源和其他化石能源次于煤炭，最小的为核能，总体而言，化石能源总的占比为85.6％。从能源消费指标变化可以发现：煤炭在能源消费中的比重持续下降，非化石能源中风电发展非常快，发电量占比已经超过了核电。中国碳排放在经历了2013年的高点后，从2014年到2016年逐年下降，2017年和2018年的碳排放上升反映了中国经济的正常运行状况。考虑到可再生能源、核电、天然气的发展以及技术进步，中国在2020年到2023年之间实现碳排放峰值的可能性很高。目前，使用槽式太阳能集热系统的热发电站几乎达到了太阳能热发电电站装机总容量的90％，这其中槽式聚光集热系统就占了很高的比例，其投入超过了总体的40％。因此为了提高槽式集热器的发电效率、降低热发电站发电所需投入的成本，未来需要在提高该集热器的性能上进行深入研究。不过可以预见的是，未来若干年能源消费的增量主要还是在天然气和非化石能源。

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