真空管是由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同轴的罩玻璃管为主要部件构成的用于收集太阳能辐射能量以加热管内流体介质（通常为水）的装置。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承件支撑，另一端与罩玻璃管熔封成为环状的开口端，内、外管夹层之间抽成高真空。真空管的形状像一个细长的暖水瓶胆，采用单端开口，其结构及组成部件的名称如图1所示。如果将若干支真空管按照一定规则排成阵列，并与联集管、支架等可组装成太阳能集热器；再加上储水箱、循环管路、控制系统等可组装成太阳能热水系统。

真空管的工作原理为：太阳辐射透过罩玻璃管照射到内玻璃管外表面的太阳选择性吸收涂层上，太阳辐射能转换为热能，加热内玻璃管内的流体介质，流体通过热虹吸现象将热量传递到管口的联集管或水箱中，由于内、外管夹层之间被抽为高真空，能有效降低向周围环境的热损失，使集热效率和保温性能得以提高。云南师范大学高文峰研究团队^[5-10]通过实验和计算流体力学数值模拟方法对真空管内部的流场分布、温度场分布、循环流量等换热特性进行了系统研究，从微观上验证了真空管的工作原理，如图2所示为真空管在接受太阳辐射1 h后，管内某横截面处水的温度和速度分布云图，管内呈现出明显的温度分层和热虹吸现象。

由GB/T 17049标准可知，真空管的技术参数包括材料、空晒性能参数、闷晒太阳辐照量、平均热损系数、真空性能、耐热冲击、耐压、抗机械冲击、外观与尺寸等，其中最关键可定量的参数可分为光学性能和热性能两大类。

光学性能参数主要包括罩玻璃管的太阳透射比τ、内玻璃管上附着太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比α以及半球发射比ε_h等；热性能参数主要包括空晒性能参数Y、闷晒太阳辐照量H、平均热损系数U_LT等。以上所述关键技术参数的指标要求及本实验室所采用的测试设备见表1。

通过表1可知，罩玻璃管的太阳透射比τ越高，则太阳辐射透过罩玻璃管、穿过真空夹层后，到达内玻璃管外表面太阳选择性吸收涂层上的辐照量越多，真空管吸收的能量则越多。提高玻璃管的太阳透射比τ，需在玻璃生产过程中尽量减少Cr、Mn、Co、Cu等有色成分及Fe离子的含量^[11]，这就对玻璃生产原料的来源及提纯提出了高要求，部分真空管产品的太阳透射比τ偏低就是受玻璃生产原材料（主要原料为石英砂、硼砂及主要伴生物Fe₂O₃）的影响。

内玻璃管外表面上附着的太阳选择性吸收涂层对真空管光热转换效率起关键作用，要求其具有高的太阳吸收比α和低的半球发射比ε_h，同时具有良好的真空性能、耐热性能和耐候性能^[12-13]。目前多采用磁控溅射技术的单靶、三靶及自动连续多靶镀膜工艺^[14]生产的氮化铝/铝-氮复合材料/铝（AlN/Al-N/Al）渐变膜涂层^[15-17]及氮化铝/不锈钢-氮化铝复合材料/铜（AlN/SS-AlN_χ/Cu）干涉膜涂层^[18-23]，涂层从外到里依次均为减反层、吸收层和金属反射层，最大的区别是吸收层的结构、成分和层数。图3为两种常见类型涂层的结构示意图，其中渐变膜涂层的三层吸收层所含金属成分由内向外逐渐降低，而干涉膜涂层的两层吸收层由靠内的高含量金属吸收层和靠外的低含量金属吸收层组成。不同生产厂家的镀膜设备、镀膜时间、膜系设计、膜层厚度及层数、原材料质量及配比等客观条件均有所不同，再加上不同生产目的及成本控制等主观原因，导致目前市场上不同品牌及不同批次产品的性能差异较大。严格控制并稳定镀膜工艺，同时加强在线实时监测和适时工艺调整，可有效提高太阳吸收比α并降低半球发射比ε_h。

从真空管基本能量平衡方程可知，真空管的热性能参数与上述太阳透射比τ、太阳吸收比α及半球发射比ε_h等光学性能参数的关系较为紧密^[24-30]。

空晒性能参数Y综合反映了真空管在不同环境温度和太阳辐照度下的集热性能，Y值越高越好。在良好的真空性能条件下，半球发射比ε_h越小，太阳吸收比α越大，则空晒性能参数Y越高，其中半球发射比ε_h的影响占主要因素。

闷晒太阳辐照量H综合反映了真空管在有效得热相同时的累计太阳辐照量，间接表示了真空管的升温性能，H值越低越好。半球发射比ε_h越小，太阳吸收比α越大，则闷晒太阳辐照量H越低，其中太阳吸收比α的影响占主要因素。

平均热损系数U_LT综合反映了真空管的保温性能，U_LT值越低越好。半球发射比ε_h越小，同时真空性能越好，则平均热损系数U_LT越低，真空管的集热效果和防寒抗冻能力越好。真空管热损主要受辐射热损和边端效应热损的影响^[31]。

由以上分析可知，真空管的半球发射比ε_h越小越好，空晒性能参数Y和平均热损系数U_LT受半球发射比ε_h的影响较大，两者通常呈现一定的反比例函数关系，即当空晒性能参数Y增大时，平均热损系数U_LT也相应减小。

真空管的玻璃管材料应采用硼硅玻璃3.3，除前文所述对太阳透射比τ的指标要求外，其理化性能及所含结石、节瘤的大小数量也均有相应要求。需注意的是玻璃管在生产过程中会产生永久性的热应力和结构应力^[32-33]，易导致玻璃内部的不均匀性，改变光学性质，降低机械强度和热稳定性，从而易引起真空管破碎，甚至“炸管”现象，直接影响真空管的耐热冲击、耐压、抗机械冲击等性能。通常可利用正交三目偏光显微镜对玻璃管切环的均匀性进行图像定性分析，然后确定环切等级^[34]，从而正确评价玻璃管质量，但目前GB/T 17049标准中未提及对环切等级的要求。

真空性能包含真空度及真空品质。真空度要求真空夹层内的气体压强p≤5.0×10⁻² Pa，但p值很难直接测量，目前一般通过火花检漏仪进行粗略定性分析。真空品质即要求内玻璃管置于350℃下，保持48 h，吸气镜面轴向长度消失率不大于50%，消失率越低，则真空性能越好，因此真空品质实验更为关键^[35]。真空品质主要影响空晒性能参数Y和平均热损系数U_LT，反映了真空管的真空寿命，真空寿命越长，则产品寿命越长。

外观项目包括对罩玻璃管表面、涂层、支承件、开口端等部件的检查，尺寸项目要求开口端涂层颜色变浅区长度、管长、弯曲度、径向比、封离端长度等符合相应偏差要求。外观与尺寸项目的检测结果通常为合格，但部分细节内容较易忽视。例如，一些生产厂家为了降低成本和出厂价格，采用较薄的玻璃毛坯管来制作真空管，不仅使单管壁厚变薄、重量减轻，更降低了产品的机械强度，但目前GB/T 17049标准未提及对真空管壁厚或重量的要求。另外，标准对真空管弯曲度和径向比的要求偏低，弯曲度和径向比偏大易导致真空管与联集管或水箱的连接处发生漏水故障，更容易产生“炸管”现象。

从以上关于真空管技术要求的归纳总结可知，对产品性能起最关键核心作用的是太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比α和半球发射比ε_h、玻璃管材料以及真空性能，因此太阳选择性吸收涂层及玻璃管材料的生产工艺和抽真空及真空保持技术还需要作进一步研究和发展。

近年来，国内外仅有李郁武等^[36]对真空管产品性能及质量进行了全面的针对性研究，发现有94%比例所测样品的太阳透射比τ大于0.91、太阳吸收比α大于0.88、半球发射比ε_h小于0.070，有92%比例所测样品的空晒性能参数Y大于220 m²·℃/kW，81%比例所测样品的平均热损系数小于0.65 W/(m²·℃)，闷晒太阳辐照量多数集中在4.3~4.6 MJ/m²之间，另外有91%比例所测样品在真空品质测试时，吸气镜面轴向长度消失率低于20%，所有结果数据表明目前真空管的实际性能指标已远远优于现行GB/T 17049标准的要求。但是，据本实验室的测试数据分析，目前在市场上的真空管产品质量仍然参差不齐，特别是存在关键技术参数水平不高、生产工艺水平落后等问题。因此，继续提升真空管的相关性能，需要从原料、生产、研发等方面进行改进，同时还需对最常用的GB/T 17049标准部分技术要求和实验方法等内容进行修订，以满足产品性能提升的发展需要，以及政府监管和市场竞争的需求。建议可从以下几个方面开展工作：

首先应进行玻璃管生产所使用石英砂、硼砂等原材料的产地、质量和纯度筛选，提升原材料中硅和硼的元素含量，降低有色金属和铁离子的含量，增强添加剂的均匀性和稳定性，从而提高玻璃在可见光及近红外部分波段的太阳透射比τ。其次应重视玻璃管的生产过程，采用更先进的玻璃加工工艺，降低圆管的弯曲度和径向比，特别是需要提升退火处理能力，避免玻璃中气泡、结石、条纹、节瘤和划痕的产生，降低不稳定应力的影响，不断提高玻璃管的透明度和耐热性能。另外，应制定温度、湿度、压强、浓度、流量、时间等生产要素的标准质量控制程序，可增加智能感应和自动调节控制模块，同时应加强玻璃管的抗机械冲击及环切等级等在线监测。

优化吸收涂层的材料选择和设计，以提高其吸热效率、稳定性和长期性能。不断研究开发新型涂层，在不增加或略微增加生产成本的前提下，以传统“渐变膜”、“干涉膜”工艺为基础，关注各吸收层因金属填充因子差异而扩散导致的性能下降问题，开发适应性强且适合民用的能耐中、高温涂层，研究真空管运行在150℃~250℃温度范围内的性能，进一步提高太阳吸收比α，降低半球发射比ε_h，提高产品的关键热性能参数。可考虑采用金属氧化物或氟化物等抗反射膜层、纳米级金属陶瓷膜层、光催化膜层等多种先进复合结构涂层材料，同时可应用涂层表面微不平化镀膜处理等先进技术。

随着真空管的长期使用，管内吸附和溶解的部分H₂O、CO₂、N₂、CH₄、Ar、油蒸气等气体会通过脱附和扩散进入真空夹层，且空气中的惰性气体如He气，也会通过玻璃渗透进入真空夹层，从而导致管内真空度下降^[37-38]。建议首先应采用先进的抽真空工艺来提高管内真空度，尽可能去除管内原始残余气体，避免对涂层和玻璃的吸附，同时应提升镀膜和烘烤排气操作水平，降低镀膜过程中保护气体的渗透和排气过程中油的扩散影响。其次，应根据具体使用的玻璃管材料特性，合理设置烘烤排气的温度和时间，充分排除玻璃内的结晶水，在抽真空的同时，降低对涂层的影响^[39]。另外，由于常用的蒸散型吸气剂对惰性气体基本没有吸收能力，因此需开发新型吸气剂，如环形和非蒸散型吸气剂，确保真空性能的长期稳定性，从而不断降低辐射热损失，提高热效率，同时增强真空管的保温性能。

积极开展技术研发和创新，不断改进真空管产品设计和制造工艺。在产品设计方面，除了传统的玻璃材料，可以考虑使用陶瓷、塑料、金属等新型复合材料，以提供更好的热性能、机械性能和耐候性能；扩宽真空管结构尺寸选择范围，在目前最常用的“罩玻璃管外径Φ58 mm/内玻璃管外径Φ47 mm×管长1800 mm”真空管尺寸基础上，对内、外管径、管间距以及管长等尺寸进行合理化设计，优化内管腔容积（即内管容水量）与吸热体有效外表面积、真空夹层容积之间的配比，并注意避免不合理的管径、管长易导致的流动换热缓滞区^[40-41]，在提高管内升温性能的同时，尽量节约成本；进行管内结构优化设计，可通过光学设计，应用光子晶体技术，引入渐变折射率、反射镜、光栅等光学元件，以改善光的收集和传递，减少热量损失和热桥效应，优化太阳辐射的收集和利用；选择具有良好热传导性和流动性的工作流体，优化流体的热导率、黏度和比热容，增强换热，提高热能传输效率，可采用铜—水、TiO₂水基等纳米流体和相变材料。在制造工艺方面，引入人工智能物联网AloT技术，实现真空管生产的远程监控、智能控制和数据分析；将生产用能与其他光伏发电、风力发电等可再生能源技术进行集成，结合储能技术，实现综合能源管理和优化，提高能源总体利用效率；进行定制化设计和可持续制造，根据具体用途和要求来设计和生产不同类型的真空管产品，同时考虑环保和可持续性发展因素，如使用可再生材料、减少废弃物产生、降低能耗等。

开发新型真空管自动化生产线，使用经过严格测试和校准的设备，确保高精度、高质量进行生产，提高生产效率和产品质量，减少人工操作带来的误差，从而增强产品的稳定性和一致性。引进或自主开发先进的测试设备，如高精度的真空计、光学测试、耐久可靠性测试、热性能测试等专用设备。另外，还需建立完善的质量检测程序，对每个生产批次的产品进行在线及出厂前的全面检测，内容包括外观检查、性能测试等。

目前国内常用的涉及真空管性能检验标准中规定的部分技术参数指标要求见表2，其中GB/T 35606—2017《绿色产品评价 太阳能热水系统》^[42]绿色产品评价国家标准及NB/T 34070—2018《全玻璃真空太阳集热管技术规范》^[43]国家能源行业标准明显提升了对部分关键技术参数指标的要求，还增加了如玻璃管环切等级、壁厚等其他技术参数的要求。

由于GB/T 17049标准在国内的宣贯、推广以及政府和市场的认可程度较高，但是久未修订，因此建议应适时对该标准的部分技术要求和实验方法等内容进行修订。本实验室大量实测数据结果表明大多数技术参数指标要求有提升的必要，具体修订建议如表2所示，但是建议暂时不要变动空晒性能参数Y及闷晒太阳辐照量H的指标要求，因为这两个参数受测试地点、环境和实验设备等外在不确定因素的影响较大，实验结果的稳定性较差。针对其他不在表2中的技术参数，建议将真空品质测试时吸气镜面轴向长度消失率提高到不大于30%（现为50%），同时将测试时的加热温度提高到400℃（现为350℃）；将玻璃管的弯曲度要求提高到不大于0.1%（现为0.2%）；将径向最大尺寸与最小尺寸之比的要求提高到不大于1.01（现为1.02）。

对于部分技术参数的实验方法，首先建议制定更加详细的空晒性能参数Y和闷晒太阳辐照量H的测试方法，缩小测试期间太阳辐照度、环境温度、风速等气象条件范围，并对测试具体时间、实验台是否跟踪或固定角度、周边散射条件控制等外在因素做到统一；其次，建议研发新型真空性能测试设备和方法，选用更加适合圆管尺寸测量的专用设备；另外，可考虑增加例如真空老化、中高温老化、空晒老化、积尘、单管称重等实验及相应的技术要求等新内容。

本文首先阐述了真空管的基本结构和工作原理，继而详细分析了影响真空管性能的光学性能、热性能等关键技术参数以及玻璃管材料、真空性能等其他技术要求，结果表明：

（1）提高玻璃管的太阳透射比τ，需改进玻璃加工工艺，并加强生产原料的来源筛选和提纯，玻璃生产过程中产生的不稳定应力易影响耐久可靠性，应加强抗机械冲击及环切等级测试等在线监测。

（2）太阳选择性吸收涂层需具有高的太阳吸收比α和低的半球发射比ε_h，目前主要采用磁控溅射技术生产的渐变膜涂层和干涉膜涂层，涂层性能是导致真空管性能差异较大的主要原因。

（3）空晒性能参数Y和平均热损系数U_LT主要受半球发射比ε_h的影响；闷晒太阳辐照量H受太阳吸收比α的影响较大；真空性能会影响所有的热性能参数，并能影响真空管的使用寿命。

（4）目前真空管的实际性能指标大多优于现行GB/T 17049标准要求，产品标准的更新和普及仍有发展空间。

为了真空管性能提升的发展需要，建议从优化玻璃管生产、开发新涂层、加强真空性能、推进技术创新、提高设备先进性、修订GB/T 17049标准等方面开展工作。除此以外，真空管的长期发展仍存在成本控制、维护保养、破碎防护、防尘除雪、老化衰退、过热保护等方面的问题。