平板太陽能集熱器

吸熱板是平板太陽能集熱器內(nèi)吸收太陽輻射能并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的部件，其基本上是平板形狀。

在平板形狀的吸熱板上，通常都布置有排管和集管。排管是指吸熱板縱向排列并構(gòu)成流體通道的部件;集管是指吸熱板上下兩端橫向連接若干根排管并構(gòu)成流體通道的部件。吸熱板的材料種類很多，有銅、鋁合金、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、鍍鋅鋼、塑料、橡膠等。吸熱板有如下主要結(jié)構(gòu)形式(如圖)。

平板太陽能集熱器吸熱板所用材料

⑴平板太陽能集管和支管采用TP2銅TP2銅磷脫氧銅是熔解高純度的 原材料，把熔化銅中產(chǎn)生的氧氣用親氧性的磷(P)脫氧，使其氧含量降低到100PPm以下，從而提高其延展性、耐蝕性、熱傳導(dǎo)性、焊接性、抽拉加工性，在高溫中也不發(fā)生氫脆現(xiàn)象。

⑵平板太陽能集熱器條帶(整板)采用銅或鋁TU1無氧紫銅標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5231-2001)

平板太陽能集熱器吸熱板材料特性及適用范圍:氧的含量極低，純度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性極好，延展性極好，透氣率低，無"氫病"或極少"氫病";加工性能和焊接、耐蝕耐寒性均好。

按吸熱板的結(jié)構(gòu)不同可分類為:管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圓管式和熱管式。

⒈管板式吸熱板

管板式吸熱板是將排管與平板以一定的結(jié)合方式連接構(gòu)成吸熱條帶(如右圖所示)，然后再與上下集管焊接成平板太陽能集熱器吸熱板。這是目前國內(nèi)外使用比較普遍的吸熱板結(jié)構(gòu)類型。

⒉翼管式吸熱板

翼管式吸熱板是利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側(cè)連有翼片的吸熱條帶(如右圖)，然后再與上下集管焊接成吸熱板。平板太陽能集熱器吸熱板材料一般采用鋁合金。

翼管式吸熱板的優(yōu)點:熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻;耐壓能力強，鋁合金管可以承受較高的壓力。

翼管式吸熱板的缺點:水質(zhì)不易保證，鋁合金會被腐蝕;材料用量大，工藝要求管壁和翼片都有較大的厚度;動態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量。

⒊蛇管式吸熱板

蛇管式吸熱板是將金屬管彎曲成蛇形(如右圖)，然后再與平板焊接構(gòu)成吸熱板。這種結(jié)構(gòu)類型在國外使用較多。吸熱板材料一般采用銅，焊接工藝可采用高頻焊接或超聲焊接。

蛇管式吸熱板優(yōu)點:不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性;熱效率 高，無結(jié)合熱阻;水質(zhì)清潔，銅管不會被腐蝕;保證質(zhì)量，整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)機械化;耐壓能力強，銅管可以承受較高的壓力。

蛇管式吸熱板缺點:流動阻力大，流體通道不是并聯(lián)而是串聯(lián);焊接難度大，焊縫不是直線而是曲線。

⒋扁盒式吸熱板

扁盒式吸熱板是將兩塊金屬板分別模壓成型，然后再焊接成一體構(gòu)成吸熱板，吸熱板材料可采用不銹鋼、鋁合金、鍍鋅鋼等。

通常，流體通道之間采用點焊工藝，平板太陽能集熱器扁盒式吸熱板四周采用滾焊工藝。 平板太陽能集熱器扁盒式吸熱板優(yōu)點:熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻;不需要焊接集管，流體通道和集管采用一次模壓成型。

扁盒式吸熱板缺點:焊接工藝難度大，容易出現(xiàn)焊接穿透或者焊接不牢的問題;耐壓能力差，焊點不能承受較高的壓力;動態(tài)特性差，流體通道的橫截面大，吸熱板有較大的熱容量;有時水質(zhì)不易保證，鋁合金和鍍鋅鋼都會被腐蝕。

為了使平板太陽能集熱器吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，在吸熱板上應(yīng)覆蓋有深色的涂層，這稱為太陽能吸收涂層。

吸熱板的涂層材料對吸收太陽輻射能量起非常重要的作用。因為太陽輻射的波長主要集中在0.3~2.5μm的范圍內(nèi)，而吸熱板的熱輻射則主要集中在2~20μm的波長范圍內(nèi)，要增強吸熱板對太陽輻射的吸收能力，又要減小熱損失，降低吸熱板的熱輻射，就需要采用選擇性涂料。選擇性涂料是對太陽短波輻射具有較高吸收率，而對長波熱輻射發(fā)射率卻較低的一種涂料，目前國內(nèi)外的生產(chǎn)廠大多采用磁控濺射的方法制作選擇性涂層，可達(dá)到吸收率0.93~0.95，發(fā)射率0.12~0.04，大大提高了產(chǎn)品熱性能。

吸收涂層可分為兩大類:

⑴非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。

⑵非選擇性吸收涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長無關(guān)的吸收涂層;選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長不同有顯著變化的吸收涂層。

一般而言，要單純達(dá)到高的太陽吸收比并不十分困難，難的是要在保持高的太陽吸收比的同時又達(dá)到低的發(fā)射率。對于選擇性吸收涂層來說，隨著太陽吸收比的提高，往往發(fā)射率也隨之升高;對于通常使用的黑板漆來說，其太陽吸收比可高達(dá)0.95，但發(fā)射率也在0.90左右，所以屬于非選擇性吸收涂層。

選擇性吸收涂層可以用多種方法來制備，如噴涂方法、化學(xué)方法、電化學(xué)方法、真空蒸發(fā)方法、磁控濺射方法等。采用這些方法制備的選擇性吸收涂層，絕大多數(shù)的太陽吸收比都可達(dá)到0.90以上，但是它們可達(dá)到的發(fā)射率范圍卻有明顯的區(qū)別。從發(fā)射率的性能角度出發(fā)，上述各種方法優(yōu)劣的排列順序應(yīng)是:磁控濺射方法、真空蒸發(fā)方法、電化學(xué)方法、化學(xué)方法、噴涂方法。當(dāng)然，每種方法的發(fā)射率值都有一定的范圍，某種涂層的實際發(fā)射率值取決于制備該涂層工藝優(yōu)化的程度。

按吸熱板涂層可分類為:電鍍涂層、化學(xué)表面轉(zhuǎn)化涂層、真空鍍涂層。

⒈電鍍涂層:

⑴黑鉻涂層

黑鉻涂層的吸收比α和發(fā)射比ε分別為0.93~0.97和0.07~0.15，α/ε為6~13，具有優(yōu)良的光譜選擇性。黑鉻涂層的熱穩(wěn)定性和抗高溫性能也很好，適用于高溫條件，在300℃能長期穩(wěn)定工作。此外，黑鉻涂層還具有較好的耐候性和耐蝕性。但是，現(xiàn)在采用的電鍍黑鉻工藝，電流密度大(15~200A/dm2)，溶液導(dǎo)電性差，電鍍時會產(chǎn)生大量的焦耳熱，需要冷卻和通風(fēng)排氣才能維持正常生產(chǎn)。另外，黑鉻鍍在非銅件上，需要先預(yù)鍍銅，再鍍光亮鎳，最后鍍黑鉻，生產(chǎn)成本較高。

⑵黑鎳涂層

黑鎳涂層的吸收比α可達(dá)0.93~0.96，熱發(fā)射比ε為0.08~0.15，α/ε接近6~12，其吸收性能較好。黑鎳涂層很薄，為了提高涂層與基體的結(jié)合力和耐蝕性，常采用中間涂層(如Ni，Cu，Cd)或雙層鎳涂層。由于黑鎳涂層的熱穩(wěn)定性、耐蝕性較差，通常只適用于低溫太陽能熱利用。

⑶黑鈷涂層

黑鈷涂層的主要成分是CoS，具有蜂窩型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其吸收比α可達(dá)0.94~0.96，發(fā)射比ε為0.12~0.14，α/ε為6.7~8。

⒉電化學(xué)表面轉(zhuǎn)化涂層

⑴鋁陽極氧化涂層

鋁及鋁合金的陽極氧化可在硫酸介質(zhì)中進(jìn)行，但在太陽能熱利用中，主要用磷酸介質(zhì)。鋁氧化涂層著色有多種工藝，其中電解著色工藝獲得的涂層，具有牢固、穩(wěn)定、耐曬優(yōu)良特性，并且可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

鋁陽極氧化涂層是一種多孔膜，孔隙率達(dá)22%，電解著色時金屬易沉積在微孔中。用于電解著色的金屬鹽類有:鎳鹽、錫鹽、鈷鹽和銅鹽等。

鋁陽極氧化涂層，耐蝕、耐磨和耐光照等性能也相當(dāng)好，在平板太陽能熱水器中已得到廣泛應(yīng)用。

⑵CuO轉(zhuǎn)化涂層

以陽極氧化法制取的CuO轉(zhuǎn)化涂層，NaOH電解液的濃度為1mol/L，電流密度為2mA/cm2，溫度為50~57℃。涂層的吸收比可達(dá)0.88~0.95，法向發(fā)射比為0.15~0.30。這種CuO涂層有一層黑色絨面，保護(hù)不好，會導(dǎo)致吸收比的降低。

⒊真空鍍涂層

可以采用真空蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)制備選擇吸收性能優(yōu)良的涂層，但后者的設(shè)備比較簡單，工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的涂層。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的全玻璃真空集熱管和高檔平板集熱器吸熱板都采用磁控濺射技術(shù)制備吸收涂層。

透明蓋板是平板集熱器中覆蓋吸熱板、并由透明(或半透明)材料組成的板狀部件。它的功能主要有3個:一是透過太陽輻射，使其投射在吸熱板上;二是保護(hù)吸熱板，使其不受灰塵及雨雪的侵蝕;三是形成溫室效應(yīng)，阻止吸熱板在溫度升高后通過對流和輻射向周圍環(huán)境散熱。

平板太陽能集熱器透明蓋板的層數(shù)及間距

平板太陽能集熱器透明蓋板的層數(shù)取決于平板太陽能集熱器的工作溫度及使用地區(qū)的氣候條件。

絕大多數(shù)情況下，平板太陽能集熱器都采用單層透明蓋板

當(dāng)平板太陽能集熱器的工作溫度較高或者在氣溫較低的地區(qū)使用，譬如在中國南方進(jìn)行太陽能空調(diào)或者在中國北方進(jìn)行太陽能采暖，平板太陽能集熱器宜采用雙層透明蓋板。

一般情況下，很少采用3層或3層以上透明蓋板，因為隨著層數(shù)增多，雖然可以進(jìn)一步減少集熱器的對流和輻射熱損失，但同時會大幅度降低實際有效的太陽透射比。

對于平板太陽能集熱器透明蓋板與吸熱板之間的距離，國內(nèi)外文獻(xiàn)提出過各種不同的數(shù)值，有的還根據(jù)平板夾層內(nèi)空氣自然對流換熱機理提出了最佳間距。但有一點結(jié)論是共同的，即透明蓋板與平板太陽能集熱器吸熱板之間的距離應(yīng)大于20mm。

透明蓋板的材料選擇:

用于透明蓋板的材料主要有兩大類:

⒈平板玻璃

平板玻璃具有紅外透射比低、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐候性能好等特點，在這些方面無疑是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而，對于平板玻璃來說，太陽透射比和沖擊強度是兩個需要重視的問題。

目前常用的透明蓋板材料是厚度為3~5mm的平板玻璃，超白低鐵鋼化玻璃或超白低鐵布紋鋼化玻璃，透過率高，能夠抗冰雹，抗擊打，安全可靠。常用玻璃厚度為3.2mm和4.0mm兩種。

平板太陽能集熱器超超白玻璃蓋板是一種超透明低鐵玻璃，也稱低鐵玻璃、高透明玻璃。它是一種高品質(zhì)、多功能的新型高檔玻璃品種，透光率可達(dá)91.5%以上，具有晶瑩剔透、高檔典雅的特性，有玻璃家族"水晶王子"之稱。超白玻璃同時具備優(yōu)質(zhì)浮法玻璃所具有的一切可加工性能，具有優(yōu)越的物理、機械及光學(xué)性能，可像其他優(yōu)質(zhì)浮法玻璃一樣進(jìn)行各種深加工。

平板太陽能集熱器超白玻璃蓋板的獨特優(yōu)勢:

A、玻璃的自爆率低:采用高純度原材料，相對普通玻璃不含各種引爆雜質(zhì)，從而大大降低了鋼化后的自爆率。

B、顏色一致性:超白玻璃采用先進(jìn)的色度分析儀和分析軟件，確保了玻璃顏色的一致性。

C、可見光透過率高，通透性好:大于93%的可見光透過率，使集熱器得到更多太陽能量。

D、紫外線透過率低:降低對其他材料的老化影響。

⒉玻璃鋼板。

平板太陽能集熱器玻璃鋼板(即玻璃纖維增強塑料板)具有太陽透射比高、導(dǎo)熱系數(shù)小、沖擊強度高等特點，在這些方面無疑也是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而，對于玻璃鋼板來說，紅外透射比和耐候性能是兩個需要重視的問題。玻璃鋼板的單色透射比與波長關(guān)系曲線表明，單色透射比不僅在2pm以內(nèi)有很高的數(shù)值，而且在2.5pm以上仍有較高的數(shù)值。

因此，平板太陽能集熱器玻璃鋼板的太陽透射比一般都在0.88以上，但它的紅外透射比也比平板玻璃高得多。

平板太陽能集熱器玻璃鋼板通過使用高鍵能樹脂和膠衣，可以減少受紫外線破壞的程度。但是，玻璃鋼板的使用壽命是無論如何不能跟作為無機材料的平板玻璃相比擬的。

當(dāng)然，平板太陽能集熱器玻璃鋼板具有一些平板玻璃所沒有的特點。例如:玻璃鋼板的質(zhì)量輕，便于太陽能集熱器的運輸及安裝;玻璃鋼板的加工性能好，便于根據(jù)太陽能集熱器產(chǎn)品的需要進(jìn)行加工成型。

平板太陽能集熱器玻璃鋼板作為集熱器的蓋板應(yīng)用已經(jīng)越來越少了，目前只在部分低端產(chǎn)品有應(yīng)用。

兩者相比，目前國內(nèi)外使用更廣泛的還是平板玻璃。

一、隔熱層是集熱器中抑制吸熱板通過傳導(dǎo)向周圍環(huán)境散熱的部件

二、隔熱層的厚度

隔熱層的厚度應(yīng)根據(jù)選用的材料種類、集熱器的工作溫度、使用地區(qū)的氣候條件等因素來確定。

隔熱層的厚度應(yīng)當(dāng)遵循這樣一條原則:

材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、平板太陽能集熱器的工作溫度越高、使用地區(qū)的氣溫越低則隔熱層的厚度就要求越大。一般來說，底部隔熱層的厚度選用30~50mm，側(cè)面隔熱層的厚度與之大致相同。

三、平板太陽能集熱器隔熱層材料

用于隔熱層的材料有:巖棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用較多的是玻璃棉。雖然聚苯乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)很小，但在溫度高于70℃時就會變形收縮，影響它在集熱器中的隔熱效果。在實際使用時，往往需要在底部隔熱層與吸熱板之間放置一層薄薄的玻璃棉或巖棉，在四周隔熱層的表面貼一層薄的鍍鋁聚酯薄膜，使隔熱層在較低的溫度條件下工作。即便如此，時間長久后，仍會有一定的收縮，所以使用聚苯乙烯時，應(yīng)給予足夠的重視。

玻璃棉是將熔融玻璃纖維化，形成棉狀的材料，化學(xué)成分屬玻璃類，是一種無機質(zhì)纖維，具有成型好、體積密度小、熱導(dǎo)率低、保溫絕熱、吸音性能好、耐腐飾、化學(xué)性能穩(wěn)定。

酚醛泡沫是一種新型的可以提高平板太陽能集熱器的高效保溫材料。市場 上已逐漸有廠家在使用。

酚醛泡沫介紹:酚醛泡沫(PhenolicFoam，簡稱PF)，是以酚醛樹脂和乳化劑、發(fā)泡劑、固化劑及其他助劑等多種物質(zhì)，經(jīng)科學(xué)配方發(fā)泡固化而成的閉孔型硬質(zhì)泡沫塑料。

酚醛泡沫材料的特性總結(jié)如下:

A、出色的保溫隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)<0.03W/m·K。

B、較高的工作溫度。酚醛泡沫能在-200℃~160℃(允許瞬時250℃)長期工作，無收縮。

C、出色的耐候性。長期暴露在高溫之下，仍然有較好的保溫隔熱性能，不會釋放任何可能阻隔太陽能輻射的揮發(fā)性物質(zhì)。

D、不燃性。酚醛泡沫(100mm厚)抗火焰能力可達(dá)1小時以上不被穿透，且無煙，無有害氣體散發(fā)。酚醛泡沫見明火時，表面形成結(jié)構(gòu)碳，無滴落物、無卷曲、無融化現(xiàn)象。過火后，表面形成結(jié)構(gòu)碳的石墨層，有效地保護(hù)了泡沫的內(nèi)結(jié)構(gòu)。

E、環(huán)保。采用無氟發(fā)泡技術(shù)，無纖維，符合國家、國際的環(huán)保要求。

酚醛泡沫與聚氨酯相比:相近的保溫性能，卻具有更高的工作溫度，且不燃。

酚醛泡沫與巖棉相比:更好的保溫性能，更干凈，對人體無害。

外殼是集熱器中保護(hù)及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。

外殼的技術(shù)要求

根據(jù)平板太陽能集熱器外殼的功能，要求平板太陽能集熱器外殼有一定的強度和剛度，有較好的密封性及耐腐蝕性，而且有美觀的外形。

外殼的材料

用于外殼的材料有鋁合金、不銹鋼板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。為了提高平板太陽能集熱器外殼的密封性，有的產(chǎn)品已采用碳鋼板一次模壓成型工藝。

目前平板集熱器外殼(邊框)應(yīng)用最多的材料是鋁合金和碳鋼板一次模壓成型。

鋁合金:一般應(yīng)用的為6063T5的鋁合金型材。6063系列鋁合金廣泛用于建筑鋁門窗、幕墻的框架，為了保證門窗、幕墻具有高的抗風(fēng)壓性能、裝配性能、耐蝕性能和裝飾性能，對平板太陽能集熱器鋁合金型材綜合性能的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)型材標(biāo)準(zhǔn)。

一、結(jié)構(gòu)簡單，靈活精巧、易維護(hù);

二、形式多變，易與建筑完美融合;

三、壽命長、性能穩(wěn)定;

四、防凍防垢、融霜化雪;

五、水質(zhì)清潔、利于健康。

平板太陽能集熱器結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，成本低廉，熱流密度較低，即工質(zhì)的溫度也較低，安全可靠，與真空管太陽能集熱器相比，它具有承壓能力強，吸熱面積大等特點，是太陽能與建筑一體結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之。

平板太陽能集熱器的基本工作原理十分簡單。概括地說，陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并傳向流體通道中的工質(zhì)。這樣，從集熱器底部入口的冷工質(zhì)，在流體通道中被太陽能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質(zhì)，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。與此同時，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽集熱器的各種熱損失。