平板太陽能集熱器技術問題簡述

上海哲能赫太陽能設備有限公司 ■ 范介清 周雄峰 周淑軍 秦學軍

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)展到現在的“高效選擇性吸收涂層+強制循環(huán)”，產品的集熱性能有了很大的提高。輔助加熱、防凍介質二次換熱及智能控制系統(tǒng)等新技術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、易與建筑結合等固有特點，被廣泛應用于太陽能集中供熱系統(tǒng)和戶式陽臺壁掛系統(tǒng)，市場前景廣闊，由此大量廠家紛紛跨行進入平板集熱器行業(yè)。雖然生產平板太陽能集熱器的技術要求不高，但由于生產技術和經驗的限制，所生產的平板太陽能集熱器質量也是參差不齊。目前，高效平板太陽能集熱器已經解決了產品集熱性能的問題(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

目前市場上在售的平板集熱器主要存在以下5個方面的技術問題。

1 產品安全技術

主要為產品在強風、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強風的承載面積更大，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，同時表面應做防銹處理。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，一般都可經受暴雨和冰雹等較大負載；另一方面，由于鋼化玻璃中硫化鎳(NiS)的存在會引起自爆現象(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

平板太陽能集熱器的集熱技術主要體現在太陽能選擇性吸收涂層。由于技術工藝的不同，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，特殊結構材料的表面效應使其具有高穩(wěn)定的結構狀態(tài)，該涂層吸收率為0.97，發(fā)射率約為0.12，中性鹽霧試驗大于120h。

陽極氧化是指對金屬襯底進行陽極氧化處理，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。藍鈦涂層技術采用電子束蒸發(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)生化學反應生成氮氧化鈦，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，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。當然，產品的集熱性能不僅與吸收涂層有關，集熱器的密封性能、用料、制造的技術及后期的保養(yǎng)等對產品壽命都有很大的影響。

圖2 不同吸收涂層鹽霧試驗24h后的效果

3 集熱器密封和呼吸技術

集熱器的密封可減小熱量的對外損失，同時避免外界水汽、腐蝕性氣體和粉塵等因素對集熱性能的影響。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部。在這個循環(huán)中，環(huán)境空氣中的腐蝕性氣體會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加大集熱板芯與玻璃蓋板間的對流換熱，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，集熱器內銅管與吸熱鋁板焊點（特別是激光焊接）在潮濕空氣中極易發(fā)生電化學腐蝕現象。因此，集熱器的設計應遵循整體密封的原則，呼吸口在起到呼吸作用的同時，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

圖3 集熱器內部存在水汽現象

圖4 密封較差的集熱器吸熱涂層腐蝕現象

平板太陽能集熱器內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部，一旦出現問題，難以維修，整個集熱器都將報廢。在平板太陽能集熱器生產過程中，對于氧焊，要求焊接牢固、不泄露，銅管無變形；對于超聲波焊接和激光焊接要求焊點均勻、牢固，對吸熱板破壞小。最常見的問題是焊接銅管鋁板時由于工藝參數設置不當而造成的假焊現象，即焊接處看似焊接在一起，實際上兩者依然獨立分開，銅管和鋁板間的熱阻巨大，嚴重影響集熱器的集熱性能。

表1 超聲波焊接、激光焊接技術對比

超聲波焊接與激光焊接各有優(yōu)缺點。激光焊接引起的吸熱板上凸會增加集熱器通過玻璃蓋板的對外散熱，上凸嚴重時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，需要在集熱器內部設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

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計施工時就考慮到太陽能集熱器的安裝和預留位置，另一方面要求集熱器自身能夠與建筑結合，滿足建筑的強度、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是集熱器的建筑構件化，即將平板太陽能集熱器做成建筑的陽臺護欄、屋頂、遮陽棚、幕墻等構件，通過特定的方式集成到建筑上。要求集熱器從選材到工藝，從結構形式到安裝方式都必須全面考慮與建筑一體化的要求，即需要重新設計一種全新形式的集熱器，使其在使用壽命、產品安全、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 結論

近年來，平板太陽能集熱器技術不斷進步，產品的性能顯著提高，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發(fā)展過程，并對現有產品存在的技術問題進行歸類總結和深入分析，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。