真空管吸收涂层的吸收比对全玻璃真空管的热性能影响的试验分析＊

近二十年来，由于低成本的镀膜工艺及全玻璃真空太阳集热管产业化技术及工艺在中国的不断发展与成熟，产品的性价比越来越高，其适用范围也越来越广。目前，全玻璃真空管太阳热水器已占国内太阳能热水器的主要市场［1－3］。与平板型太阳热水器相比，真空管太阳热水器具有热性能稳定、可在较低环境温度下运行、太阳光小角度入射下效率高等优点。全玻璃真空太阳集热管是真空管热水器的核心部件，其性能的好坏直接决定热水器质量的优劣。而在全玻璃真空管中，选择性吸收涂层的性能又直接影响着真空管的热性能。近些年来许多学者对真空管太阳能热水器的性能及测试开展了大量的研究工作［4－7］，而关于真空管热性能的研究却不多见。殷志强等人［8－9］认为单管的热性能参数主要是热损系数、闷晒太阳辐照量和空晒性能参数，并从理论和实验上得到了这些热性能参数与真空管的太阳透射比、选择性吸收涂层的太阳吸收比、发射比和集热管内的气体压强、太阳辐照度、环境温度和真空太阳集热管的几何尺寸的关系。唐润生等人［10］指出真空管的平均热损系数的误差主要来自于检测过程，他们认为为了减小此误差，平均热损系数试验应在环境温度波动较小的稳定状态下进行。本文通过试验主要分析了选择性吸收涂层的吸收比对上述真空管三项热性能参数的影响，旨在对真空管的热性能测试及真空管的生产和应用提供有益的参考。

1 选择性吸收涂层的吸收比

在全玻璃真空管中，选择性吸收涂层的光学性能直接影响着真空管的热性能，非常有必要对选择性吸收涂层的性能进行测试及分析研究。衡量选择性吸收涂层的光学性能优劣主要是吸收比和发射比［11］。而在太阳能低温应用中，涂层的吸收比对太阳能真空管及太阳能热水器的影响尤其重要。

热辐射的能量投射到物体表面时会发生吸收、反射和穿透现象。真空管的选择性吸收涂层为非透明体，透过率为0。按照能量守恒定律有［12］：

其中，α和ρ分别为吸收比、反射比。θ、λ分别为光线入射角、波长。吸收比的定义式为［13］

式中，A（λ）为太阳辐射。

在试验中，先测量涂层表面的反射比，再根据公式α＝1－ρ得到吸收比。吸收比的计算公式为［14］：

本文采用Cary5000型分光光度计对真空管选择性吸收涂层的小样在波长范围200n m－2 500n m进行了吸收比的测量，然后对测量按A M1．5条件下进行积分计算。

2 全玻璃真空管热性能评价参数

全玻璃真空管由两根同轴玻璃管组成，其内玻璃管一端为封闭的圆顶形状，由罩玻璃管封离端内带吸气剂的支撑件支撑；另一端与罩玻璃管的另一端熔封成为环状的开口端。太阳选择性吸收涂层沉积在内玻璃管的外表面，形成吸热体，将太阳能转换为热能，加热内玻璃管内的传热工质。综合体现全玻璃真空管热性能的主要技术指标为空晒性能参数、闷晒太阳辐照量和平均热损系数。这三项热性能参数由清华大学殷志强［9］提出并形成为国家标准GB／T 17049－2005“全玻璃真空太阳集热管”［1 5］。本文严格按照该标准测量真空管的热性能参数。试验选取内玻璃管外径47 mm，罩玻璃管外径58 mm，长度1 800 mm的真空管。试验地点位于昆明（北纬25．01°，东经102．68°，海拔1 970 m）。

2.1 空晒性能参数

在满足太阳辐照度G≥800 W／m2、环境温度8℃≤t a≤30℃、风速≤4 m／s的测试环境时，将真空管管口盖上保温帽并置于阳光下空晒。图1为空晒性能参数测试装置照片，其中测试管三支，测试陪管四支。真空管平行放在倾角为40°的漫反射平板上。在15分钟时间内当太阳辐照度变化不大于±30 W／m2时，每隔5分钟分别记录一次太阳辐照度、管内温度和环境温度。共记录4次。4次的平均值即为测试期间的太阳辐照度G、空晒温度t s和环境温度t a。空晒性能参数Y的计算公式为［1 5］

图1 空晒性能参数和闷晒太阳辐照量测试装置照片
Fig．1 Photo for the testing equip ment f or the stagnation perfor mance para meter for an all－glass evacuated solar collector t ube and for t he measurement of t he solar irradiation to obtain a preset water te mperature rise in all－galss evacuated solar collector t ube under stagnation．

2.2 闷晒太阳辐照量

全玻璃真空太阳集热管的闷晒太阳辐照量的测试装置及测试条件与空晒性能相同，见图1。区别在于空晒试验的传热工质为空气，而闷晒试验的传热工质为水。闷晒太阳辐照量定义为真空管充满水时，在太阳直射下水温升高一定温度所需的太阳辐照量。管内水温升高ΔT时所需的太阳辐照量H为［9］

式中c f为工质的比热容（J／（kg·℃）），m为工质的质量（kg），T m 为工质的平均温度（℃），t为时间（s），A c为真空管的有效采光面积（m2），τ为真空集热管罩管玻璃透射比（无量纲），α为选择性吸收表面的太阳辐射吸收比（无量纲），G为太阳辐照度（k W／m2），A A为吸热体表面积（内管的表面积，m2），U LT为热损系数（W／（m2·℃）），T a 为罩管温度（℃）。

相关国家标准［1 5］要求闷晒太阳辐照量为管内水温升高35℃所需的辐照量。

2．3 平均热损系数［1 5］

平均热损系数定义为真空管中的热水平均温度每降低1℃经吸热体单位表面积散失的热流量。由于该参数的测定要求室内无太阳光直射处和没有风吹在全玻璃真空管上，所以吸收比对该参数没有影响，在本文中不作讨论。

3 测试结果和分析

3.1 吸收比与闷晒太阳辐照量的关系

吸收比数值越大的涂层意味着光热转换能力越好，为探究涂层吸收比与真空管的闷晒性能参数的关系，选5支（编号记为1、2、3、4、5）不同生产厂家相同规格的真空管分别测量其闷晒太阳辐照量和在大气质量AM1．5下、波长范围在200n m－2 500n m内的吸收比。图2为每支真空管的涂层的反射曲线。依据GB／T 17683．1－1999［16］将太阳辐射能量等分成50份后根据积分求得各支真空管的吸收比，计算结果见表1。闷晒太阳辐照量的试验结果也列于表1中。由图2和表1可知，5条曲线都遵循着相同的规律，即在400n m－780n m的可见光范围内，具有低的反射比，在1 300n m－2 500n m的波长区域内，曲线陡峭上升，反射比增大。1号、2号和3号各有1个反射低谷，反射低谷范围较窄，而4号和5号在500n m－1 100n m范围内出现明显的干涉相消，且5号在此波长范围内反射比更低，所以1号、2号和3号的吸收比要低于4号和5号，5号的吸收性能更优于4号。

与2号、3号比较，1号在500n m附近吸收最明显，但宽度较窄，2号和3号的反射低谷在600n m－750n m范围内，较1号波长范围更宽，所以1号涂层整体吸收较低，吸收比只有0．781。

图3给出了上述5种样品的闷晒太阳辐照量与吸收比的关系。由图可知二者有明显的相关关系，涂层吸收比越大的真空管，其闷晒太阳辐照量越小。当吸收比由0．94降至0．78时，相应的闷晒太阳辐照量升高了29．7%。而涂层的发射比在闷晒试验的温度范围内变化较小，所以在真空度良好及罩玻璃管透射比一定的条件下，闷晒太阳辐照量主要取决于涂层的吸收比。

图2 涂层的反射曲线
Fig．2 Spectral reflection curve of the selective absor bing coating

表1 5支真空管的吸收比和闷晒太阳辐照量
Table1 αand H f or five evacuated t ubes

图3 闷晒太阳辐照量与吸收比关系
Fig．3 Relationship bet ween Solar irradiation under stagnation and absor ptance

3.2 吸收比与空晒性能参数的关系

对4．1中已完成了闷晒太阳辐照量的7支真空管测量其空晒性能参数。其空晒性能参数与吸收比的关系如图4所示。由图中分析可知，涂层吸收比越大，空晒性能参数越好。但涂层吸收比对空晒性能参数的影响没有其对闷晒太阳辐照量的影响明显。

此外，在试验过程中发现管内温度受辐照度的影响较大。在选择试验数据进行计算时，严格按照标准要求的选择具有不定性，这些因素都影响空晒性能参数的计算结果。在试验过程中，管内温度可达300℃，涂层的发射比会大大增大，辐射热损失也因此增加，因而发射比对空晒性能参数影响将更明显，我们将另文分析。

图4 空晒性能参数与吸收比关系
Fig．4 Relationship bet ween Stagnation para meter and absor ptance

4 结 论

（1）由全玻璃真空管选择性涂层的反射率测试曲线可以看出，具有较高吸收比的选择性吸收涂层，其反射曲线表现出在可见光范围内有很好的吸收和在红外波长区域内有较高的反射。太阳辐射能峰值在可见光范围内，因而在红外波长范围发射比较低的情况下，涂层在可见光范围内吸收越高，其吸收比越大。

（2）闷晒性能参数是用来评价全玻璃真空太阳集热管对工质进行加热时的升温性能参数，它与提供生活热水的真空管热水器热性能有着紧密联系。对试验数据进行分析显示，涂层吸收比越大的真空管，其闷晒太阳辐照量越小。当吸收比由0．936降至0．781时，相应的闷晒太阳辐照量升高了29．7%。因此，增大涂层的吸收比对提高真空管的闷晒性能有很大的帮助。

（3）试验结果分析还显示，涂层吸收比较大的真空管空晒性能参数也稍高，但涂层吸收比对空晒性能参数的影响没有其对闷晒太阳辐照量的影响明显。这是因为在测试空晒性能参数时，其玻璃管内的温度已达200℃－300℃，这种工况下，涂层的另一个参数，发射比的影响更为明显，这将另文讨论。