摘要：本文从热力学的角度来分析热管式太阳能吸热/蓄热器，并结合实例来计算热管式太阳能吸热/蓄热器热平衡和平衡。分析总结了热管式太阳能吸热/蓄热器的损失的原因，最后提出减少其损失的措施。

关键词：热管 吸热器

　　1.前言

　　热管式太阳能吸热/蓄热器是一种用于太阳能热动力发电系统中的能量转换装置。当前，对热管式吸热/蓄热器的研究主要是在热分析的试验研究，及数值计算、模拟、仿真等，还并未得到实际应用。要想其应用到太空发电系统中，必须对它进行更进一步的研究。对于能量转换装置来说，转换效率决定着其可行性。热管式太阳能吸热/蓄热器的转换效率的高低直接影响到发电系统的效率，因而对其效率的分析是必不可少的。

在热工中效率通常用的有热效率和效率。热效率是在被消耗能量中被有效利用的能量所占的比例。是指能量中的可用能部分，而能量中的可用能是指某种能量理论上能够可逆地转换为功的最大数量。效率是指被消耗的中有效利用的的比例。热力学第一定律揭示了不同形式的能量在转换时，数量上的守恒关系，但它没有区分不同形式的能量在质上的差别，而的提出弥补了这一缺陷，说明了各种能量在转换时，其质量或品味的变化。

鉴于以上的考虑，本文正是从的角度来分析热管式吸热蓄热器在把太阳能转变为热能的过程中的变化，找出影响其效率的因素。并探讨其提高效率的措施。

　　2. 热力学分析

由热管式吸热/蓄热器的工作原理可知：在空间站处于日照期时，用聚能器截取太阳能(如图1)，并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形空腔内，吸收转换成热能。其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电;另一部分热能则被封装在多个小容器内的相变蓄热材料(PCM)，通过融化而吸收储存起来。在轨道阴影期，PCM在相变点附近凝固放热，循环工质同时得到的热量。这时蓄热器起到充当热机热源来加热循环工质的作用，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电[1]。

聚能器内温度为，由于光照期太阳能源源不断地射进来，可视其为等温热源。日照期循环工质的进出口温度分别为、;阴影期内循环工质进出口温度分别为、。

因此，整个热管吸热/蓄热器系统消耗的能量所具有的为系统总耗热量所具有的热量，即：

日照期工质所得到的热量，由于工质进出口的温度发生变化，属于变温温热源，因此不能简单的套用上面的公式来计算热量，但对于微小放热过程，仍可套用以上公式：

对整个吸热过程，热量为：

　　工质吸收热量，焓将增加，在无相变时，焓将增加。它们之间的关系为：

其中：——工质的质量，kg

——热源的质量定压热容，J/(kg·K)

工质吸收热量，温度从升至时的热量为

在阴影期内蓄热器将热量通过热管传递给循环工质，工质的质量仍为m，工质温度从变化到吸收的热量为所具有的为：

　　图1 热管式太阳能吸热/蓄热器工作原理图

　　Fig.1 The principle of heat pipe receiver

该循环周期的能量平衡方程为：=++，其中为散热损失。

根据能量方程对应写出平衡方程式：

平衡方程中的是由散热损失所引起的外部损失。是由传热的不可逆所引起的内部损失。

　　3.实例

取一个周期计算，日照期时间66min，阴影期时间为27min，日照期输入功率为45.37kW。输出功率为29.6~33.9 kW。工质的质量流量为0.5476 kg/s，温度数据见表1。部分数据参考文献[2]。根据这些数据计算的热平衡项与平衡项结果见表2： 表1热源及工质的温度

Tab.1The temperatures of heat sourceand working medium 符号 数据/ K 2218 818 1021 818 996 298

图2传热过程的图

Fig.2 of heat transfer 以横坐标为Q，纵坐标为作出图2，当热管式吸热/蓄热器传递微小热量,则即为传递微小热量的的变化。直线下的总面积1-2-0-7-1表示热源的变化，曲线下的总面积3-4-5-6-7-0-3表示工质的变化。因此两线之间的面积1-2-3-4-5-6-1(阴影部分)即为传热损失。

表2热管式吸热/蓄热器的热平衡和平衡

Tab.2 The thermal equilibrium and exergy equilibrium of the heat pipe receiver 热平衡 平衡 热平衡项目 kJ 平衡项目 kJ 收入项 吸热器吸热 179665 吸热器消耗 155526.1

支出项 日照期工质吸热 130391.7 日照期工质 87960.3 阴影期工质吸热 46773.3 阴影期工质 31356.1 散热损失 2500 散热损失 2164.1 传热损失 28518 根据热管式吸热/蓄热器的热力学分析及实例分析，可得出以下几点结论。

　　4、结论

(1)从表2可以看出热管式吸热/蓄热器的热损失很小，热效率为98.6%;其损失较大，效率为80.3%，其中传热损失要比散热损失大的多，传热损失占总损失的92.9%，可见热管式吸热/蓄热器主要损失为由传热所引起的。这是由于实际过程中传热是在有限温差下进行的传热过程，有温差的传热是不可逆过程，即使没有热量损失，也必然会产生损失。因此单靠提高热管式吸热/蓄热器的热效率来提高其效率的潜力很有限。影响最大的是传热的不可逆损失。

(2)由图2可见，如果传热温差增大，将使两条线之间的距离扩大，传热损失将增加。要减小传热损失，也即减小阴影部分的面积，必须缩短两条线之间的距离，在实际操作上就是要减小热源的温度，提高工质的吸热温度。由文献[3]可知，传热温差相同时，传热损失还与冷热源温度的乘积成反比。即当传热温差不能再减小时，可以让冷热源的温度水平提高，从而达到减小传热损失的目的。

(3)综上所述，“节能”实质上就是“节”，减少能量损失首先是要减少损失。节能的首要工作就是要分析影响损失的因素，寻找减少损失的途径，使热能得到热尽其用。按质提供热能，不仅在数量上要满足，而且在质量上要相匹配。从而，利用分析的方法正确地、合理地按质利用热能，对于提高热能的利用效果，节约能源有着十分重要的意义。

　　参考文献

　　[1]桂晓宏，袁修干.先进太阳能热动力发电系统吸热/蓄热器研究[J].航空动力学报，2003年10月：645-649.

　　[2]徐伟强，崔海亭，袁修干.热管式吸热器单元热管传热的数值模拟分析[J].太阳能学报.2005年6月：338-342.

　　[3]汤学忠.热能转换与利用[M].北京：冶金工业出版社，2001年.