光伏組件戶外測(cè)試系統(tǒng)搭建

?

光伏組件戶外測(cè)試系統(tǒng)搭建

嚴(yán)雅君王婷婷 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

摘要針對(duì)種類繁多的光伏戶外測(cè)試項(xiàng)目，如I-V測(cè)試，電池標(biāo)稱工作溫度測(cè)量和室外暴曬實(shí)驗(yàn)等，提出一種切實(shí)可行的光伏戶外測(cè)試系統(tǒng)搭建方案。綜合分析了系統(tǒng)搭建中的總體框架結(jié)構(gòu)、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成四方面。指出了系統(tǒng)搭建中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，如系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性和大數(shù)據(jù)處理。關(guān)鍵詞光伏；組件；戶外測(cè)試 介紹了供熱管道常用的保溫材料。通過(guò)對(duì)這些材料基本性能的分析和比較，闡述了供熱管道保溫材料的發(fā)展趨勢(shì)并重點(diǎn)介紹了新型絕熱材料二氧化硅氣溶膠，提出了合理選擇保溫材料對(duì)供熱管道減少熱網(wǎng)損失的重要作用。

0　引言

我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》表明了國(guó)家發(fā)展太陽(yáng)能等可再生能源的決心，也加快了光伏發(fā)電市場(chǎng)化和大規(guī)?；沟眠x擇光伏能源作為我國(guó)的基本能源戰(zhàn)略成為可能。為大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)節(jié)能減排，來(lái)自國(guó)家的扶持新政也隨之出爐。2013年8月，國(guó)家發(fā)改委連發(fā)兩大特急文件，分別為《國(guó)家發(fā)改委關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》(發(fā)改價(jià)格[2013]1638號(hào))和《國(guó)家發(fā)改委關(guān)于調(diào)整可再生能源電價(jià)附加標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)保電價(jià)的有關(guān)事項(xiàng)的通知》(發(fā)改價(jià)格[2013]1651號(hào))。這些政策對(duì)于整個(gè)光伏行業(yè)的發(fā)展都是一大利好。

1　光伏產(chǎn)業(yè)質(zhì)量現(xiàn)狀

在光伏產(chǎn)業(yè)急速發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，目前光伏產(chǎn)品存在著質(zhì)量和設(shè)備技術(shù)問(wèn)題，如熱斑、蠕蟲紋和功率衰減等，同時(shí)還有組件老化、衰減和PID（電位誘發(fā)衰減）等問(wèn)題有待解決。目前，對(duì)應(yīng)的光伏產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試有助于應(yīng)對(duì)和設(shè)置技術(shù)性貿(mào)易壁壘，促進(jìn)行業(yè)健康有序發(fā)展。

無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，光伏組件的戶外測(cè)試項(xiàng)目都是必測(cè)項(xiàng)目。戶外測(cè)試項(xiàng)目種類多，含戶外I-V曲線測(cè)試、電池標(biāo)稱工作溫度測(cè)量（NOCT）和室外暴曬測(cè)試等，且需要考慮各種環(huán)境和電參數(shù)的整合，多種通信接口的配置，相關(guān)軟件的編寫。因此，其測(cè)試平臺(tái)的搭建存在一定的技術(shù)難度。現(xiàn)有的光伏組件戶外測(cè)試系統(tǒng)搭建存在集成度低、升級(jí)能力差、系統(tǒng)響應(yīng)慢、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度低、導(dǎo)線線損大、結(jié)果修正差等缺陷，給用戶方帶來(lái)一定困擾。

本文通過(guò)分析，指出平臺(tái)搭建中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和主要搭建難點(diǎn)，為相關(guān)檢測(cè)認(rèn)證單位和廠商提供參考。

2　解決方案

2.1系統(tǒng)搭建技術(shù)參數(shù)

光伏產(chǎn)業(yè)作為新興行業(yè)，各類標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試細(xì)節(jié)并不完善，相關(guān)平臺(tái)的搭建更是在摸索中前進(jìn)。

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。為了保證測(cè)試結(jié)果的可比性和測(cè)試過(guò)程的可控性、方便性，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，大部分采用在室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行組件測(cè)試。對(duì)于室內(nèi)模擬條件可能無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工作條件的項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)中明確要求在戶外開展。這幾個(gè)項(xiàng)目包括：NOCT、室外暴曬試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)等。此外，還有些測(cè)試光照條件復(fù)雜、測(cè)試周期比較長(zhǎng)的項(xiàng)目，如光老練使用和預(yù)處理試驗(yàn)等，很多試驗(yàn)都直接在戶外進(jìn)行。

除了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目之外，戶外測(cè)試是開展光伏組件長(zhǎng)期可靠性研究的好方法。國(guó)外權(quán)威媒體PHOTON幾年前就開展了對(duì)光伏組件的長(zhǎng)期衰減特性的研究，并對(duì)各國(guó)的光伏組件進(jìn)行了排名。該試驗(yàn)是評(píng)估光伏組件整體質(zhì)量狀況的有效手段，獲得業(yè)界同行的普遍認(rèn)可。2011年10月，歐洲分布式能源試驗(yàn)室（DERlab）發(fā)布了光伏組件戶外檢測(cè)新標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能光伏模塊戶外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》（備注：類似于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是試驗(yàn)室自定技術(shù)規(guī)范）。該標(biāo)準(zhǔn)旨在提供組件功率輸出等級(jí)評(píng)定的方法，需要在長(zhǎng)達(dá)一年的時(shí)間里實(shí)地測(cè)量?jī)蓚€(gè)并聯(lián)組件在峰值時(shí)電流和電壓的輸出。所有的電流、電壓數(shù)據(jù)將被記錄下來(lái)，同時(shí)被記錄的還有組件被照射強(qiáng)度和溫度。同年發(fā)行的IEC 61853-1：2011《光伏模塊性能測(cè)試和能量等級(jí)》也要求在不同輻照度和溫度性能測(cè)量中進(jìn)行戶外測(cè)試。

近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，使用時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，在試驗(yàn)室內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)的一些光伏組件質(zhì)量問(wèn)題也逐步顯現(xiàn)，如：組件滲水、組件密封性失效、組件脫層、EVA黃變和主柵線氧化等。光伏組件戶外測(cè)試在我國(guó)的關(guān)注度也越來(lái)越高。中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心正在全國(guó)各地具有戶外測(cè)試場(chǎng)地和條件的檢測(cè)機(jī)構(gòu)中尋找合作伙伴，準(zhǔn)備開展相關(guān)的測(cè)試和認(rèn)證研究。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的戶外測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：IEC 61215-2005、IEC 61646-2008、UL 1703-2014《平面光伏電池板》、GB/T 9535-1998《地面用晶體硅光伏組件 設(shè)計(jì)鑒定和定型》和GB/T 18911-2002《地面用薄膜光伏組件 設(shè)計(jì)鑒定和定型》。

基于此，可根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行產(chǎn)品組件戶外測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)，并預(yù)留擴(kuò)展空間。首先，應(yīng)研究光伏組件的戶外測(cè)試項(xiàng)目，自行硬件配置與軟件開發(fā)，設(shè)計(jì)合理方案將多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目整合到一套系統(tǒng)中。這些項(xiàng)目包括：I-V曲線測(cè)試系統(tǒng)、NOCT測(cè)試系統(tǒng)和室外暴曬試驗(yàn)系統(tǒng)等。該系統(tǒng)還應(yīng)保證多路組件同時(shí)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多路控制。另外，為提高工作效率和整合資源，需考慮相關(guān)設(shè)備的共用，完成自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行多種測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理。測(cè)試參數(shù)涵蓋太陽(yáng)能組件I-V測(cè)試、組件背板溫度測(cè)試、太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度測(cè)試、環(huán)境溫濕度測(cè)試和環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速測(cè)試等。

2.2技術(shù)路線與技術(shù)難點(diǎn)

具體設(shè)計(jì)路線如下：總體方案設(shè)計(jì)、硬件選擇、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成。下面對(duì)系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.2.1方案設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)方案是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。該系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)多而復(fù)雜，應(yīng)完成集多功能于一體的系統(tǒng)。方案設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮以下幾方面：為了資源集約化，考慮相關(guān)設(shè)備的共用，被測(cè)組件陣列可共用一套直流電子負(fù)載；形成合理布局，設(shè)計(jì)布線圖，減少布線長(zhǎng)度，并合理設(shè)計(jì)所需測(cè)試項(xiàng)目；選擇合適的測(cè)試設(shè)備，設(shè)備準(zhǔn)確度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；另外，由于試驗(yàn)中存在過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載和過(guò)熱所引發(fā)的危險(xiǎn)，需考慮相關(guān)保護(hù)措施，并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

根據(jù)IEC 61215-2005技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中10.5和10.8的測(cè)試技術(shù)要求，該設(shè)計(jì)方案是太陽(yáng)能組件NOCT試驗(yàn)、暴曬試驗(yàn)和I-V測(cè)試技術(shù)要求的測(cè)試系統(tǒng)。將針對(duì)多組太陽(yáng)能組件板進(jìn)行NOCT測(cè)試、暴曬試驗(yàn)測(cè)試和戶外IV測(cè)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

1）NOCT測(cè)試

通過(guò)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)、太陽(yáng)能組件溫度，獲得在同一時(shí)間下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能組件板溫度隨環(huán)境參數(shù)變化的曲線，分析出組件板隨環(huán)境參數(shù)變化的規(guī)律。其主要框架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

系統(tǒng)需要配置高分辨力多功能數(shù)據(jù)采集器、日照強(qiáng)度計(jì)、風(fēng)向風(fēng)速儀和溫濕度計(jì)等。被測(cè)組件陣列暴露在被測(cè)環(huán)境中，通過(guò)溫濕度計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀和日照強(qiáng)度計(jì)等環(huán)境參數(shù)測(cè)試儀器測(cè)試環(huán)境參量，然后依據(jù)相關(guān)國(guó)家/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和篩選。系統(tǒng)軟件可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)報(bào)表生成管理。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)總圖

圖2　NOCT測(cè)試框架結(jié)構(gòu)

2）戶外I-V測(cè)試和暴曬試驗(yàn)測(cè)試

戶外I-V測(cè)試和暴曬試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)試方法是，將多個(gè)太陽(yáng)能組件分別與相對(duì)應(yīng)的負(fù)載進(jìn)行連接。在帶載試驗(yàn)中，同時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、日照強(qiáng)度以及各個(gè)組件板上的溫度等參數(shù)。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集單元、日照強(qiáng)度計(jì)、風(fēng)向風(fēng)速儀和溫濕度計(jì)等傳感器以及系統(tǒng)軟件構(gòu)成，系統(tǒng)將太陽(yáng)能組件板輸出端連接到組件斷路/防雷單元，然后再連接到負(fù)載，見(jiàn)圖3。

圖3　戶外I-V測(cè)試和暴曬測(cè)試框架結(jié)構(gòu)圖

2.2.2軟硬件通信

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)多項(xiàng)內(nèi)部通信接口，需要自行編制工作語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)雙向通信。儀器通信接口負(fù)責(zé)各種通信總線的通信和管理調(diào)度，該系統(tǒng)中可能存在的RS-232、RS-485、USB、GPIB和LAN 等通信總線，需合理考慮，保證兼容。

2.2.3自控系統(tǒng)集成

設(shè)備的集成化是本工作計(jì)劃的難點(diǎn)。作為戶外測(cè)試，系統(tǒng)少則工作數(shù)小時(shí)，多則工作數(shù)月，長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性非常重要。另外，周圍環(huán)境的干擾對(duì)測(cè)試也有影響。最后，為操作方便，提高準(zhǔn)確性，需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，并可以將多個(gè)測(cè)試功能集成在一套測(cè)試軟件中。編寫相關(guān)軟件模塊，合理設(shè)計(jì)軟件的層次結(jié)構(gòu)。該軟件可記錄數(shù)據(jù)，并方便導(dǎo)出數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)中執(zhí)行，計(jì)算依據(jù)符合IEC 60904系列標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。系統(tǒng)軟件可以對(duì)多路組件、相關(guān)設(shè)備和多路數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。需考慮如何將組件電性能參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)整合在一套軟件之中，可自動(dòng)篩選符合NOCT測(cè)試的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作，如平滑、濾波和插值等。數(shù)據(jù)處理完成之后還要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，以得到所需要的被測(cè)參量測(cè)試結(jié)果。

經(jīng)分析，光伏戶外測(cè)試平臺(tái)搭建的主要難點(diǎn)來(lái)自硬件和軟件兩方面。硬件難點(diǎn)在于惡劣環(huán)境下設(shè)備的維護(hù)。由于系統(tǒng)運(yùn)行在戶外，設(shè)備的抗外部干擾能力就相當(dāng)重要，應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)元件并合理進(jìn)行系統(tǒng)布局，確保其安全性能滿足系統(tǒng)集成要求，尤其是關(guān)鍵零部件的選取。比如，由于戶外系統(tǒng)可支持多路運(yùn)行，而一般組件間選用串行模式，切換器故障將帶來(lái)嚴(yán)重的系統(tǒng)失效。因此，選擇性能好的切換器至關(guān)重要。軟件難點(diǎn)在于大數(shù)據(jù)的處理。由于受環(huán)境因素影響，存在大量非有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的篩選、分析、處理、整合、防遺失工作量巨大?？赏ㄟ^(guò)選擇合適的算法、選擇正確的運(yùn)算模型、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程備份來(lái)解決這一問(wèn)題。

3　結(jié)語(yǔ)

光伏組件戶外測(cè)試系統(tǒng)靈活，可擴(kuò)展，具體技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)要求可根據(jù)客戶需要個(gè)性定制。同時(shí)，可將此系統(tǒng)與光伏戶外發(fā)電系統(tǒng)、光伏戶外演示系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、科研、發(fā)電和演示一體的綜合系統(tǒng)。

光伏組件戶外測(cè)試系統(tǒng)的建立，為廣大企業(yè)提供了可靠?jī)?yōu)質(zhì)的檢測(cè)能力，為更加客觀、全面地了解市場(chǎng)上光伏產(chǎn)品的質(zhì)量水平和等級(jí)提供條件，減少了光伏企業(yè)因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而造成的聲譽(yù)及經(jīng)濟(jì)損失，有利于保持國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)的有序發(fā)展，有利于促進(jìn)光伏產(chǎn)品的科技創(chuàng)新和研究，有利于保持中國(guó)光伏產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可再生能源的國(guó)家戰(zhàn)略。

參考文獻(xiàn)：

[1] International Electrotechnical Commission.IEC 61853-1:2011[S]. Geneva, 2011.

[2] International Electrotechnical Commission.IEC 61215-2005 [S]. Geneva, 2005.

[3] 全國(guó)太陽(yáng)光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 9535-1998[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.

[4] International Electrotechnical Commission.IEC 61646-2008 [S]. Geneva, 2008.

[5] 全國(guó)太陽(yáng)光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 18911-2002[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002.

[6] Underwriter Laboratories Inc.. UL 1703-2004 [S]. Chicago, 2004.

Establishment of photovoltaic modules outdoor test system

Yan Yajun, Wang Tingting

（Shanghai Institute of Quality Inspection and

Technical Research）

Abstract:Based on various photovoltaic (PV) outdoor test items, such as I-V tests, NOCT and outdoor exposure experiments, a test system is put forward. The overall frame structure, hardware configuration, software design and system integration are well analyzed here. And the difficulty and key point, such as system reliability and big data processing, are pointed out. This paper introduces the commonly used thermal insulation materials for heat-supply pipelines. Through analysis and comparison of the basic performance of these materials, it expounds the development trend and expecially introduces a new thermal insulation material, SiO2aerosol. The paper explains the important impact of choosing thermal insulation material for heat-supply pipelines reasonably to reduce heat losses.

Key words:photovoltaic (PV); module; outdoor test thermal insulation material; heating pipe; SiO2aerosol

供熱管道保溫材料

謝莉莉 / 上海交通大學(xué)

關(guān)鍵詞保溫材料；供熱管道；二氧化硅氣凝膠

0　引言

在當(dāng)今能源消耗急劇增加的情況下，降低能源消耗已成為人類急需解決的問(wèn)題。對(duì)于集中供熱企業(yè)來(lái)說(shuō)，做好供熱管道的保溫工程，減少熱量損失，降低能源消耗，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效率的重要途徑之一。

供熱管道通常是指輸送蒸汽或熱水的管道。由于管內(nèi)熱媒溫度高于管外空氣溫度，熱量會(huì)不斷通過(guò)供熱管道的壁面?zhèn)鬟f給管外空氣，造成輸熱損失。管道保溫的目的就是為了減少供熱管道向外傳遞熱量所造成的熱損失。一個(gè)供熱企業(yè)的熱力管道總長(zhǎng)度可達(dá)百米甚至千米，合理選擇供熱管道的保溫材料，對(duì)減少熱網(wǎng)損失有著至關(guān)重要的意義。

1　供熱管道保溫材料的種類以及特點(diǎn)

我國(guó)保溫材料在經(jīng)歷了20世紀(jì)50年代的引進(jìn)和仿制階段，20世紀(jì)60年代后的發(fā)展階段以及20世紀(jì)70年代的改進(jìn)階段，到現(xiàn)在已達(dá)20余類，幾十個(gè)品種。絕熱材料一般可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。熱力設(shè)備及管道常用的保溫材料多為無(wú)機(jī)材料，要求具有導(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)量輕、耐腐蝕金屬、不易燃燒等特點(diǎn)。供熱管道保溫材料的種類繁多，目前主要有巖棉、玻璃棉、膨脹珍珠巖、聚氨酯、橡塑、硅酸鈣等。

防水巖棉管防火性好、耐久性好，同時(shí)具有防潮、排溫、憎水的特殊功能，吸濕率在5%以下，憎水率在98%以上，特別適宜在多雨、潮濕環(huán)境下使用。但是巖棉管的質(zhì)量?jī)?yōu)劣相差很大，保溫性能好的巖棉管密度低，其抗拉強(qiáng)度也低，耐久性相對(duì)較差。

玻璃棉管成型好、體積密度小、熱導(dǎo)率低、保溫絕熱、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，性能上與巖棉管有很多相似之處，但是價(jià)格較巖棉管高。

膨脹珍珠巖質(zhì)輕無(wú)毒、保溫性能好、造價(jià)較低、不腐蝕、不燃燒、使用周期長(zhǎng)，受潮烘干后保溫性能夠完全恢復(fù)。但是在管道保溫方面膨脹珍珠巖用得越來(lái)越少，主要是由于其制品具有規(guī)格小、接縫多、施工進(jìn)度慢等缺點(diǎn)。

近年來(lái)，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和泡沫橡塑材料被廣泛用于供熱管道的保溫工程。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有優(yōu)異的隔熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)量輕、吸濕性低，又有一定的抗壓強(qiáng)度。聚氨酯發(fā)泡后因附著力較強(qiáng)，管道外表面可不做防腐處理，節(jié)省了防腐材料和人工費(fèi)，同時(shí)外層的塑料保護(hù)層可以起到防水阻燃的作用，能保護(hù)聚氨酯材料的完好，延長(zhǎng)使用壽命，使保溫材料的維修更換費(fèi)用大大降低[1]。

泡沫橡塑管殼抗壓強(qiáng)度比較低，但是其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小、容重輕，具有良好的繞性和韌性，安裝方便，容易對(duì)閥門、三通、彎頭等不規(guī)則管件進(jìn)行吻合包裹，以達(dá)到減少散熱損失的目的，因此對(duì)于供熱管道來(lái)說(shuō)是一種較為理想的保溫材料。

微孔硅酸鈣是一種新型保溫材料，具有容重輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他的硬質(zhì)保溫材料。

GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)各種保溫材料的性能提出了詳細(xì)而具體的規(guī)定。為了滿足GB 50264-2013的要求，在選擇保溫材料時(shí)應(yīng)全面考慮下列條件：

1）導(dǎo)熱系數(shù)小；

2）質(zhì)量輕；

3）最高或最低使用溫度；

4）堅(jiān)固耐用，有一定的抗壓、抗折強(qiáng)度；

5）燃燒性能為不燃或難燃；

6）吸水率小，憎水率高；

7）耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定。

幾種常用管道保溫材料的性能見(jiàn)表1。

保溫材料的制備與選擇除應(yīng)注意上述這些特性外，還要考慮易于安裝、造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)等因素。

2　供熱管道保溫材料的發(fā)展趨勢(shì)

在過(guò)去的十幾年里，保溫材料的研究主要是對(duì)現(xiàn)有保溫材料進(jìn)行完善，今后研究的方向應(yīng)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

2.1提高材料的憎水性是保溫材料的重要發(fā)展方向

材料的憎水性是選用保溫材料的一個(gè)重要因素。憎水率是指保溫材料抵抗環(huán)境中水分對(duì)其主要性能產(chǎn)生不良影響的能力，是反映材料耐水滲透的一個(gè)性能指標(biāo)。保溫材料吸水受潮后會(huì)大大降低其保溫性能，并且會(huì)加速對(duì)管道的腐蝕，是十分有害的。纖維類保溫材料，如礦巖棉制品、玻璃棉制品等基本上不憎水，吸水率較高，但經(jīng)憎水處理后，其憎水率可達(dá)到90%以上，能有效提高保溫材料的保溫性能。因此，提高保溫材料的憎水性，降低吸水率是各類保溫材料的重要發(fā)展方向之一[2]。

2.2發(fā)展新型的保溫材料是主要方向

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新型材料技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)良的新型保溫材料也不斷出現(xiàn)，例如納米孔硅質(zhì)保溫材料、復(fù)合保溫材料石棉代用品等。

2.2.1納米孔硅質(zhì)保溫材料

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料越來(lái)越受到人們的青睞。納米孔硅質(zhì)保溫材料就是納米技術(shù)在保溫材料領(lǐng)域新的應(yīng)用，在其使用溫度范圍-190 ℃～1 050 ℃內(nèi)具有優(yōu)異的保溫性能。二氧化硅氣凝膠作為一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，受到世界各地科學(xué)家的重視。它作為一種新型保溫材料，相比其他傳統(tǒng)的保溫材料具有以下特點(diǎn)：

1）導(dǎo)熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)材料的1/5～1/3，保溫后熱損失小；

2）空間利用率高，僅需1/5至1/2的厚度即可達(dá)到傳統(tǒng)材料相同的隔熱效果；

3）自身不可燃，防火防水，憎水率可達(dá)到99%以上；

4）不僅有較好的抗壓強(qiáng)度，而且對(duì)管道無(wú)腐蝕；

5）氣凝膠是目前已知的最輕固體材料，輕巧方便，易于切割、運(yùn)輸。

表1　幾種常用管道保溫材料的性能

不同溫度下氣凝膠與傳統(tǒng)材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖1。

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱損失越小，保溫性能越好。從圖1中可看出：二氧化硅氣凝膠在其使用溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)；另外，溫度對(duì)各類保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)均有著直接影響。隨著溫度提高，傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)上升十分顯著，而二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)變化相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明二氧化硅氣凝膠保溫材料在溫度變化的情況下，化學(xué)性能相對(duì)比較穩(wěn)定。但是在實(shí)際應(yīng)用方面，二氧化硅氣凝膠的高度松脆性、有限透明度以及高昂的價(jià)格因素限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。因此，提高二氧化硅氣凝膠的質(zhì)量和品質(zhì)以及降低制備成本是今后研發(fā)的主要方向[3]。

圖1　不同溫度下氣凝膠與傳統(tǒng)材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

2.2.2石棉代用品的開發(fā)和利用

隨著環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，各國(guó)開始關(guān)注保溫材料工業(yè)的環(huán)保問(wèn)題。石棉曾由于成本低被廣泛應(yīng)用。近幾年來(lái)，由于在低容重下粉塵飛揚(yáng)嚴(yán)重危及環(huán)境，同時(shí)，石棉制品本身在強(qiáng)度、使用壽命和尺寸穩(wěn)定性方面也存在不少缺陷，因而石棉消費(fèi)量大幅度削減。由此可見(jiàn)，石棉代用品的開發(fā)和應(yīng)用勢(shì)在必行。目前各國(guó)都在積極尋求石棉代用品[4]。

在世界能源危機(jī)以及環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，積極尋求和開發(fā)容重小、絕熱性能好的真正節(jié)能、環(huán)保的新型絕熱保溫材料，是提高熱能利用率、節(jié)約能源的有效途徑。在不久的將來(lái)，隨著對(duì)節(jié)能工作的日益重視和對(duì)保溫材料研究的深入研究，還會(huì)研制出更為理想的新型保溫材料。

3　結(jié)語(yǔ)

由于保溫材料在供熱管道保溫的過(guò)程中起著重要作用，采取有效的保溫措施，合理地選擇保溫材料，可以使熱力管道的熱損失比不保溫時(shí)減少90%左右[5]。因此在選擇保溫材料時(shí)應(yīng)盡可能做到因地制宜，就地取材，力求節(jié)約，根據(jù)供熱企業(yè)自身的實(shí)際情況選擇合理的保溫材料，從而達(dá)到節(jié)約能源、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

[1] 魏玉滿. 供熱管道保溫材料的選擇及經(jīng)濟(jì)保溫層厚度計(jì)算[J]. 應(yīng)用能源技術(shù),2012(4):35.

[2] 宋杰光，劉勇華,陳林燕，等. 國(guó)內(nèi)外絕熱保溫材料的研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2010,24(15):380.

[3] 封金鵬,馮霞,黃強(qiáng). 納米孔超級(jí)絕熱材料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝,2014(1):28.

[4] 張戰(zhàn)鋒. 管道保溫的發(fā)展[J]. 2006(4):73-74.

[5] 林琳. 熱力管網(wǎng)保溫效果措施的探討[J]. 2013(24):304.

Thermal insulation materials for heat-supply pipelimes

Xie Lili

（Shanghai Jiao Tong University）