平板太陽能集熱器技術(shù)問題簡述

上海哲能赫太陽能設(shè)備有限公司 ■ 范介清 周雄峰 周淑軍 秦學(xué)軍

一 引言

平板太陽能集熱器從最早期的“黑漆涂層+自然循環(huán)”發(fā)展到現(xiàn)在的“高效選擇性吸收涂層+強(qiáng)制循環(huán)”，產(chǎn)品的集熱性能有了很大的提高。輔助加熱、防凍介質(zhì)二次換熱及智能控制系統(tǒng)等新技術(shù)的引入使得平板太陽能熱水器的性能更加穩(wěn)定，使用舒適度得到了有效的改善，使用范圍也越來越廣泛。

平板太陽能集熱器是太陽能熱利用的重要形式之一。與真空管集熱器相比，平板太陽能集熱器具有外形美觀、可承壓、易與建筑結(jié)合等固有特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于太陽能集中供熱系統(tǒng)和戶式陽臺(tái)壁掛系統(tǒng)，市場前景廣闊，由此大量廠家紛紛跨行進(jìn)入平板集熱器行業(yè)。雖然生產(chǎn)平板太陽能集熱器的技術(shù)要求不高，但由于生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的限制，所生產(chǎn)的平板太陽能集熱器質(zhì)量也是參差不齊。目前，高效平板太陽能集熱器已經(jīng)解決了產(chǎn)品集熱性能的問題(在60℃以下，其單位集熱器面積得熱量略大于真空管集熱器)，但在細(xì)節(jié)上還存在諸多不足，使用效果不夠理想，不利于市場推廣。高效的集熱性能、出色的密封和呼吸，以及長期穩(wěn)定的使用效果既是消費(fèi)者的需求，也是平板太陽能集熱器行業(yè)的發(fā)展方向。

二 平板集熱器技術(shù)

目前市場上在售的平板集熱器主要存在以下5個(gè)方面的技術(shù)問題。

1 產(chǎn)品安全技術(shù)

主要為產(chǎn)品在強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雹等極端天氣條件下的安全使用問題。平板太陽能集熱器安裝在室外，不可避免在極端天氣條件下運(yùn)行，必須保證集熱器的安裝牢固和自身抗沖擊性能。相比真空管集熱器，同等面積的平板集熱器對(duì)強(qiáng)風(fēng)的承載面積更大，且自重又小于裝滿水的真空管集熱器，因此其支架必須加厚加固，同時(shí)表面應(yīng)做防銹處理。平板集熱器所采用的低鐵鋼化玻璃可抵御直徑30mm鋼球0.5m的自由落體撞擊，一般都可經(jīng)受暴雨和冰雹等較大負(fù)載；另一方面，由于鋼化玻璃中硫化鎳(NiS)的存在會(huì)引起自爆現(xiàn)象(圖1)，一般要求選用鋼化玻璃的自爆率要小于1? 。

圖1 鋼化玻璃蓋板自爆

2 集熱技術(shù)

平板太陽能集熱器的集熱技術(shù)主要體現(xiàn)在太陽能選擇性吸收涂層。由于技術(shù)工藝的不同，不同涂層的吸收率、發(fā)射率及使用壽命也不同。黑鉻涂層是由金屬鉻和氧化鉻組成的金屬陶瓷型涂層，特殊結(jié)構(gòu)材料的表面效應(yīng)使其具有高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，該涂層吸收率為0.97，發(fā)射率約為0.12，中性鹽霧試驗(yàn)大于120h。

陽極氧化是指對(duì)金屬襯底進(jìn)行陽極氧化處理，制備具有梯度分布的多孔表面，然后通過在孔洞中摻入金屬來獲得高的太陽能吸收率，與襯底的低紅外發(fā)射特性配合可獲得選擇性吸收效果，涂層與金屬結(jié)合較為穩(wěn)定，吸收率在0.85～0.91之間，發(fā)射率0.15，中性鹽霧測試約24h。藍(lán)鈦涂層技術(shù)采用電子束蒸發(fā)的方法將鈦和石英在電子射線槍的作用下被汽化，汽化物在加入氮和氧后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮氧化鈦，最后在金屬(銅)帶上沉積冷凝成涂層，該涂層厚度較薄，且涂層與金屬底板的附著力不強(qiáng)，涂層吸收率約為0.96，發(fā)射率最低只有0.05，不過中性鹽霧測試不到6h。當(dāng)然，產(chǎn)品的集熱性能不僅與吸收涂層有關(guān)，集熱器的密封性能、用料、制造的技術(shù)及后期的保養(yǎng)等對(duì)產(chǎn)品壽命都有很大的影響。

圖2 不同吸收涂層鹽霧試驗(yàn)24h后的效果

3 集熱器密封和呼吸技術(shù)

集熱器的密封可減小熱量的對(duì)外損失，同時(shí)避免外界水汽、腐蝕性氣體和粉塵等因素對(duì)集熱性能的影響。集熱器吸收太陽輻射后溫度升高，集熱器內(nèi)部空氣受熱膨脹，必須通過呼吸口向外排出；到了傍晚，集熱器降溫，外部空氣回流到集熱器內(nèi)部。在這個(gè)循環(huán)中，環(huán)境空氣中的腐蝕性氣體會(huì)影響選擇性吸收涂層的吸收效率和使用壽命，而帶入集熱器的水汽會(huì)加大集熱板芯與玻璃蓋板間的對(duì)流換熱，并且集熱器玻璃棉或巖棉保溫材料吸收水分后保溫性能將大大降低。另一方面，集熱器內(nèi)銅管與吸熱鋁板焊點(diǎn)（特別是激光焊接）在潮濕空氣中極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，集熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循整體密封的原則，呼吸口在起到呼吸作用的同時(shí)，要提高防水防塵性能，并選用非親水的保溫材料。

4 焊接技術(shù)

圖3 集熱器內(nèi)部存在水汽現(xiàn)象

圖4 密封較差的集熱器吸熱涂層腐蝕現(xiàn)象

平板太陽能集熱器內(nèi)部存在大量焊接工藝，包括氧焊、超聲波焊接和激光焊接。焊接處最易發(fā)生腐蝕、脫漏和泄露。由于焊接處都在集熱器內(nèi)部，一旦出現(xiàn)問題，難以維修，整個(gè)集熱器都將報(bào)廢。在平板太陽能集熱器生產(chǎn)過程中，對(duì)于氧焊，要求焊接牢固、不泄露，銅管無變形；對(duì)于超聲波焊接和激光焊接要求焊點(diǎn)均勻、牢固，對(duì)吸熱板破壞小。最常見的問題是焊接銅管鋁板時(shí)由于工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而造成的假焊現(xiàn)象，即焊接處看似焊接在一起，實(shí)際上兩者依然獨(dú)立分開，銅管和鋁板間的熱阻巨大，嚴(yán)重影響集熱器的集熱性能。

表1 超聲波焊接、激光焊接技術(shù)對(duì)比

超聲波焊接與激光焊接各有優(yōu)缺點(diǎn)。激光焊接引起的吸熱板上凸會(huì)增加集熱器通過玻璃蓋板的對(duì)外散熱，上凸嚴(yán)重時(shí)吸熱板將直接與玻璃面板接觸，大大影響集熱保溫性能；超聲波焊接引起的吸熱板下凹則會(huì)破壞集熱器背保溫材料，同樣影響集熱保溫性能。因此，需要在集熱器內(nèi)部設(shè)置固定吸熱板的裝置，以保證集熱器性能。

5 與建筑一體化技術(shù)

平板太陽能集熱器與建筑一體化是平板太陽能熱水器的發(fā)展方向。集熱器與建筑一體化要求在建筑設(shè)計(jì)施工時(shí)就考慮到太陽能集熱器的安裝和預(yù)留位置，另一方面要求集熱器自身能夠與建筑結(jié)合，滿足建筑的強(qiáng)度、承壓、保溫、防水等要求。

平板太陽能集熱器與建筑一體化最重要的技術(shù)是集熱器的建筑構(gòu)件化，即將平板太陽能集熱器做成建筑的陽臺(tái)護(hù)欄、屋頂、遮陽棚、幕墻等構(gòu)件，通過特定的方式集成到建筑上。要求集熱器從選材到工藝，從結(jié)構(gòu)形式到安裝方式都必須全面考慮與建筑一體化的要求，即需要重新設(shè)計(jì)一種全新形式的集熱器，使其在使用壽命、產(chǎn)品安全、保溫防水和安裝形式上都能與建筑要求相匹配。陽臺(tái)壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)和屋頂別墅式太陽能熱水系統(tǒng)可很好地與建筑結(jié)合，但其集熱器仍然是建筑的附屬。一旦平板太陽能集熱器成為建筑的某一部件，集熱器與建筑、集熱器與集熱器之間的密封安裝問題將顯得尤為重要。

三 結(jié)論

近年來，平板太陽能集熱器技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的性能顯著提高，但是在長期集熱性能、使用壽命及與建筑一體化方面仍有較大改善空間。通過研究平板太陽能集熱器的技術(shù)發(fā)展過程，并對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品存在的技術(shù)問題進(jìn)行歸類總結(jié)和深入分析，指出了高效的集熱性能、出色的密封、呼吸系統(tǒng)及長期穩(wěn)定的使用效果是未來平板太陽能集熱器的發(fā)展方向。