［摘 要］将复合抛物面聚光器（CPC）及跟踪技术通过简单的曲柄连杆机构与热管真空管集热器集成，研制了1套聚光比为2.3的跟踪式CPC热管真空管太阳能集热器。对该集热器在固定、间歇和连续跟踪3种模式下进行了集热性能测试，分析了跟踪方式对延长集热时间和改善集热效率的影响，对集热效率进行了拟合和归一化分析。研究结果表明：跟踪模式下集热器高效集热时间为6h，是固定模式的2倍；采用间歇跟踪即可有效提高集热性能；跟踪模式下的日平均集热效率达到45%，比固定式提高约16%。集热效率归一化拟合回归系数均大于0.936，拟合过程可信。
［关 键 词］太阳能；CPC；热管真空管集热器；集热性能；集热效率
热管真空管集热器是一种太阳能中温集热器，同时运用了真空和热管技术，具有集热品位高、工作范围宽、集热效率高以及成本低等优点［1－3］。复合抛物面聚光器（Compound Parabolic Concen trator，CPC）是一种低聚焦的聚光器，可将给定接收角范围内的入射光线按照理想聚光比收集到接收器上［4－5］。目前，CPC已广泛用于太阳能热制冷、建筑采暖、海水淡化和热水器等中低温领域［6－9］。考虑到CPC上部聚光效率较低，一般对CPC进行适当截短，截短后聚光比小于1.5的CPC可用做太阳能热水器的反光板［5，10］；聚光比为2～4时，CPC的接收角较小，无法全天高效工作，因此设想对该类聚光比的CPC进行太阳跟踪来延长工作时间，提高集热温度和效率。孙创等［11］对用于太空的CPC太阳电池组在间歇跟踪时的聚光特性进行了数值模拟和结构优化，使得CPC的聚光比接近理想聚光比。唐润生等［12］研制出一种极轴跟踪式CPC光伏系统，全天进行3位置跟踪，全年接收的太阳能量相对于固定式系统提高约110%～130%。Yong等［13］开发了一种将CPC聚光器内置于双层真空玻璃管中的CPC真空管集热器，并对该种集热器的固定式和南北向单轴跟踪式进行试验，对比发现跟踪式的集热效率相对于固定式的提高了14.9%。尽管在CPC中引入跟踪模式可以显著地改善其效率，但是CPC无须跟踪是较为传统的概念［14－15］，因此，目前关于跟踪式CPC的研究不多，对于跟踪式CPC与热管真空管集热器的集成试验研究尚未见报道。
对此，本文基于槽式和固定式CPC热管真空管集热器［2－3］以及固定式 CPC 热管真空管热水器［10］技术，通过曲柄连杆机构将跟踪技术集成于CPC热管真空管集热器中［16］，研制一种低成本的单轴跟踪式CPC热管真空管集热器。对该系统的集热性能进行试验研究，分析不同跟踪方式对集热器性能的影响，并对集热效率进行拟合和归一化分析，探讨影响集热效率的因素，为该新型集热系统在太阳能中温领域的应用提供参考依据。
1 试验及计算方法
1.1 试验装置
根据GB／T 4271—2007建立跟踪式CPC热管真空管太阳能集热器试验装置，其主要由CPC、跟踪系统、热管真空管集热器和水箱组成（图1）。CPC采用普通铝板，聚光比为2.3，单个CPC的开口面积为0.428m2。真空管为D47mm×5mm×1600mm。热管材料为321不锈钢，规格为D20mm×2mm×1800mm，其中蒸发段长1600mm，插入真空管中；冷凝段长200mm，通过法兰与120L水箱连接密封。热管真空管集热器置于CPC的轴线上，真空管内装有导热油（SD 320，0.8L）。采用6组CPC热管真空管集热器，均南北向放置，且与水平面呈32°夹角。通过光电感应器控制步进电机带动曲柄连杆机构实现CPC对太阳位置的跟踪。通过增压泵实现水在系统的循环，采用铂电阻测量水箱进、出口温度；总辐射表固定于CPC开口平面，太阳测试记录仪采集太阳辐射强度数据。
图1 跟踪式CPC热管真空管太阳能集热器结构
Fig.1 Schematic diagram of thesun－tracking CPC heat pipe evacuated tube solar collector（ST－CPC－HPET－SC）
1.2 试验条件
试验地点在南京工业大学江浦校区（东经118.8°、北纬32°），测试时间从2012年8月31日至2012年11月14日，试验均在晴朗天气条件下进行。分别进行了固定式、连续跟踪式（连续式）和间歇跟踪式（间歇式）3种运行模式下的试验测试：固定式为CPC开口面向正南，且全天固定；连续式为CPC全天对太阳进行实时跟踪，跟踪速度为0.25°／min；间歇式为CPC全天调整开口方向3次，使其开口早晨向东（－49°），中午向南（0°），下午向西（49°）。
1.3 计算方法
采用太阳直接辐射对系统集热特性进行计算。通常太阳直接辐射分量占总辐射强度的0.55～0.70［17－18］，本文取0.625。系统集热效率为：
式中：m 为水的总质量，kg；c为水的比热容，J／（kg·℃）；Aa 为集热器的采光面积，m2；G 为太阳直接辐射强度，W／m2；ΔT为温度差，℃；Δt为时间间隔，s。
2 结果及分析
2.1 太阳辐射强度
测试的太阳总辐射强度与计算得到的太阳直接辐射强度见图2。由图2可见，2种跟踪模式下太阳直接辐射强度基本维持在500～700 W／m2，连续式辐射略高于间歇式；固定模式下，09：00～15：00时间段，太阳直接辐射强度为400～650 W／m2，且15：00后急剧下降，这是由于辐射仪固定于CPC开口平面；相同天气条件下（表1），连续式的辐射值大于间歇式，固定式最低。
图2 太阳辐射强度
Fig. 2Variation of the solarr adiation intensity versu stime
表1 环境温度及风速
Table1 The weather conditions
2.2 集热效率
图3为在固定式、连续式和间歇式3种不同模式下瞬时集热效率对比。
图3 3种模式下瞬时效率对比
Fig.3 The instantaneous heat efficiency of the ST－CPC－HPET－SC under different operationcon ditions
由图3可见：系统集热效率在连续式与间歇式2种模式下达到稳定所需的时间较短，在10：00～16：00时间段瞬时集热效率较高，均维持在45%～55%之间；固定模式下，在11：00～14：00时间段，瞬时集热效率为50%～62%，其余时间段均较低，15：00后，瞬时集热效率低于10%。由于跟踪模式下CPC和真空管的转动增加了真空管内导热油的对流热损失，因此，固定模式下的最高集热效率略高于其它2种模式。
图4为3种模式下不同时间段集热管的平均集热效率。
图4 不同时间段3种模式的平均集热效率对比
Fig.4 The average hea tefficiency ofthe ST－CPC－HPET－SC at different time periods
由图4可见，固定式启动速度较慢，高效（平均效率＞45%）集热时间仅为11：00～14：00，共3h；而2种跟踪模式下的高效集热时间为10：00～16：00，共6h，为固定式的2倍。除11：00～14：00固定式与跟踪式平均效率相当外，其余工作时间跟踪式集热效率均显著高于固定式。因此，跟踪式工作模式具有较明显的优势。此外，连续式与间歇式工作模式平均集热效率差别不大。对于本系统1天中采用3个位置的间歇式跟踪方式即可有效提高系统的高效工作时间和集热效率。因此，应优先选用更为简单的间歇跟踪式CPC。
图5为测试期间日平均效率计算结果。由图5可见，不同天气条件下，系统日平均效率均较稳定，2种跟踪模式下的日平均效率约45%，比固定模式提高约16%。
图5 3种模式的日平均效率对比
Fig.5 The daily average heat efficiency of the ST－CPC－HPET－SC
2.3 效率归一化
为了更直观有效地评价系统跟踪模式下的集热特性，并定性分析其集热效率不高的原因，对其在不同跟踪模式下的集热效率进行归一化处理。
归一化温差为：
式中：G为水箱水量，k g；Tfm为水箱进、出口温度平均值，℃；Ta为环境温度，℃。
拟合出的瞬时效率方程式为：
式中：U＊L为真空管集热器当量热损失系数，W／（m2·℃）；ηo为瞬时效率截距。拟合出的系统集热效率曲线见图6。
图6 瞬时集热效率拟合曲线
Fig.6 Fitted curves of the system instantaneous heat ef ficiency
由图6可见，归一化拟合回归系数均大于0.936，表明拟合过程可信。该系统在2种模式下的效率曲线均符合集热器瞬时效率随归一化温差增大而减小的变化趋势。2种模式下的效率截距基本相等，连续式为0.495，比间歇式高0.004。连续式集热器当量热损失系数为0.579 W／（m2·℃），比间歇式高0.043W／（m2·℃）。热损系数较大的原因是连续跟踪时热管真空管的热损失较大，表明间歇式跟踪具有一定的优势。热损失系数与文献［4］的数值相差不大。因此系统的集热效率偏低直接受限于其效率截距偏小。这可能和热管真空管集热器的热损、CPC聚光效果以及热管与该CPC真空管集热器匹配性等有关。
3 结 论
（1）跟踪模式下CPC热管真空管太阳能集热器全天高效集热时间为6h，是固定式的2倍；跟踪模式下的日平均效率为45%左右，比固定式提高约16%。
（2）间歇式跟踪集热时间和集热效率与连续式相当，其跟踪效果较好，应优先选用更为简单的间歇式跟踪CPC。
（3）跟踪式集热效率归一化拟合回归系数均大于0.936，拟合过程可信，拟合得到连续式和间歇式跟踪模式下的热损失系数分别为0.579、0.536 W／（m2·℃），和文献值相当；效率截距分别为0.495、0.491。
（4）跟踪式CPC与建筑屋顶结合方便，可推广应用于太阳能中温热利用领域。
