太陽能集熱系統的發展及技術革新

■ 孫學斌

浙江桑樂數字化太陽能有限公司

太陽能集熱系統的發展及技術革新

■ 孫學斌

浙江桑樂數字化太陽能有限公司

綜述太陽能集熱系統的發展現狀，介紹太陽能集熱系統的國內外市場，分析其技術優勢和有待解決的問題，并展望其技術革新及市場前景。

太陽能；集熱系統；平板一體機；熱管

0　引言

我國擁有全球最大的太陽能熱水器(系統)生產能力，也是全球最大的太陽能熱水器(系統)應用市場[1]。但由于國內在如何實現太陽能熱水系統與系統間有機結合方面的研究力度不夠，太陽能集熱系統優勢仍有待進一步挖掘，才能真正成為高能效、免維護、壽命長的產品。同時，隨著人們熱水需求的不斷提高，節能集熱系統在建筑中應用越來越廣泛，如何推廣太陽能在節能建筑中的應用，成為人們關注的一個焦點[2]。

1　國內外太陽能集熱系統的發展概述

我國目前使用的太陽能集熱器可大體分為兩大類：真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器。近10年來全玻璃真空管型熱水器生產成本大幅降低，一度曾占我國太陽能熱水器統治地位的平板型太陽能集熱器和熱水器受到了全玻璃真空管型太陽能熱水器的沖擊，市場份額有所下降。但近年來，由于平板型集熱器技術的進步，以及節能減排指標的要求，國內生產廠家也越來越多，我國平板型太陽能熱水器產量已從2004年的150萬m2上升到2005年的180萬m2，市場份額在不斷增加。

1.1真空管型太陽能集熱器

目前真空管型太陽能集熱器品類繁多，各類集熱器特點都有其利弊，市場應用主要以普通全玻璃真空管型太陽能集熱器為主[1]。

1)全玻璃真空管型太陽能集熱器特點：真空管內直接加熱水，吸熱效率最高，壽命長，成本低，應用范圍廣，可在-30 ℃情況下正常運行。目前市場集中供水工程80%以上使用該產品。經實驗測定，真空管型太陽能集熱器的平均熱損系數要比平板型集熱器小，其熱損系數一般約為0.9 W/(m2·℃)，而平板型的熱損系數為1.0 W/(m2·℃)以上。

2)熱管式真空管型太陽能集熱器特點：炸管無泄漏，系統穩定，熱效率較高，壽命較短，成本高，銅材要求嚴格，銅管內真空度要求高。

3)U形管式真空管型太陽能集熱器特點：可實現間接換熱，承壓運行，無炸管泄漏隱患，系統最穩定，壽命最長，成本最高；主要應用于高檔住宅或對熱水有一定要求的使用場所。

1.2平板型太陽能集熱器

在我國的太陽能光熱應用中，平板式太陽能集熱器是最早得到應用的產品。平板集熱器按結構型式的不同可分為管板式、管翅式、熱管翅片式等；按蓋板種類可分為普通鋼化玻璃、超白低鐵鋼化玻璃(增強透光率)集熱器等。目前，國內普遍使用的平板集熱器是全銅集熱器和銅鋁復合集熱器。在日平均效率方面，平板型太陽能集熱器要優于真空管型太陽能集熱器。目前，平板型太陽能集熱器熱效率一般為60%，而真空管型太陽能集熱器的熱效率一般為50%。集熱器內的水溫處于50 ℃以下時，平板型集熱器的瞬時熱效率大于真空管型集熱器。

目前，全球太陽能市場上平板型和真空管型太陽能熱水(器)系統并存，但所占市場份額不同。我國以真空管為主，占86%；歐、美、澳等發達國家截然相反，平板型占90%以上。平板型太陽能集熱器和熱水系統安全可靠、有效采光面積大、熱效率高，國外平板型太陽能熱水工程主要用于熱水和采暖。此外，在同等輸出功率條件下，平板型太陽能集熱器占地面積小(真空管之間有空隙，占地面積較大)。

平板型太陽能熱水器在國外已有多年的應用歷史，主要具備以下優勢：1)能承壓運行，滿足人們熱水使用較高需求；2)國外的平板型太陽能集熱器采用高吸收率及低發射率的真空磁控濺射涂層，產品的熱性能有很大提升；3)以平板型集熱器為主體的家用太陽能熱水器和公用太陽能熱水系統，無論從整體外形、結構強度，還是從安裝調試、維護保養等各個角度考慮，平板型集熱器都最適合實現太陽能與建筑相結合，因而也是最受建筑設計師歡迎的產品。同時，平板型太陽能集熱器還能代替傳統建筑物的屋頂和屋面，顯著降低成本。

1.3兩種太陽能集熱器的比較

從實現太陽熱水器與建筑一體化的前景上看，全玻璃真空管型太陽能熱水器顯然無法跟平板型太陽能熱水器相抗衡。

平板型太陽能熱水器的平均日效率在48%～58%之間，全玻璃真空管型太陽能熱水器的平均日效率在45%～55%之間。平板型太陽能熱水器的熱效率比全玻璃真空管型太陽能熱水器高約5%。即使在南方的冬季，相同條件下，平板型太陽能熱水器的平均日效率也比全玻璃真空管型太陽能熱水器約高4%。所以一年之中，在相同條件下，平板型熱水器能提供更多的熱水，即使是在寒冷的冬季，使用平板型熱水器也能得到不錯的效果。

2　平板集熱系統的發展前景及技術革新方向

近年來，由于使用中出現炸管、凍裂、管內結垢和泥沙沉積、密封膠圈漏水及熱水工程不能承壓運行等問題，直插式全玻璃真空管型集熱器在實際中的使用受到限制。全玻璃真空管型太陽能熱水器使用中存在的問題使人們把目光轉向了平板型太陽能集熱器，于是，平板型太陽能集熱器得到了一個新的發展機會。此外，隨著技術的進步，平板型太陽能集熱器及熱水器的高效涂層、高透光率蓋板及密封保溫等技術已達到較高水平，產品的性能大幅提高，市場競爭力也在進一步增強。我國平板型太陽能集熱器、熱水器的發展已呈現出誘人的前景，其優勢是易與建筑有機結合，且十分可靠，并且最利于實現太陽能熱水器與建筑相結合[3]。市場常見的平板型太陽能集熱系統是集熱器和儲熱水箱分開安裝，中間連接管路存在熱量損失，且易受安裝條件限制。新型平板一體機的問世解決了此類問題，集合了熱管集熱器與平板太陽能集熱兩大系統的優點，集成一體安裝，效率高，免維護。

表1　不同類型平板型集熱器對比

2.1平板型太陽能集熱器關鍵技術革新方向

國內的普通平板型集熱器采用的是陽極氧化或鍍黑鉻的涂層，吸收率約為92%，發射率約為15%；吸收層易老化脫落，壽命短，一般在5年之內；由于發射比高，在冬天環境溫度低時，熱性能效率低下，極大影響了集熱效果，不能滿足客戶及市場發展的需要。熱性能不高、生產效率低下、產品成本高等因素制約了平板型集熱器和熱水器的快速發展。

本新型平板太陽能系統平板型集熱器吸取國內外先進經驗與產品優勢，具備如下創新：

1)系統采用的是超級藍膜磁控濺射技術，其原理為：電子在電場作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片；氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉積在基片上成膜；二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區域內，該區域內等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子轟擊靶材，經過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，最終沉積在基片上。板芯吸收率高達97%，紅外發射率僅有5%，具有高吸收率低發射率的特點。

2)成功引進了歐洲具有頂尖國際水平的制造技術和經驗，打造出一條具有自主知識產權的平板型太陽能熱水器自動化生產線，較國內生產線，自動化程度及生產效率更高。采用先進的加工設備并不斷創新生產工藝，在保證提供高性能集熱器的前提下減少生產成本。

圖1　銅管自動加工圖

3)采用高透過率低反射率的新型玻璃蓋板，使采光效率更高。采用高效低鐵玻璃，可見光直透率高達94%，太陽光直透率高達91.5%。

圖2　集熱器剖面示意圖

2.2平板型太陽能集熱系統關鍵技術革新方向

1)集熱器與水箱集成一體化，熱管集熱器與平板系統一體化。熱管型平板集熱器吸熱芯片由光面條帶改為帶有壓制波紋的吸熱翅片，有利于提高吸熱效率。吹脹式吸熱翅片中間的吹脹孔方便熱管的現場安裝，同時也增加了吸熱翅片與熱管的接觸面積，有利于提高傳熱效率。熱管與水箱間的密封組件下端通過熱管端密封件和密封金屬環與熱管形成密封，水箱端密封件與熱管安裝管座螺紋連接，在保證密封效果的前提下，方便現場安裝，減少了產品成本。

熱管型平板集熱器出廠時，為平板型集熱器箱體與熱管結構是完全分離的。可現場裝配的熱管型平板集熱器箱體為帶有透光性良好玻璃蓋板的金屬材質或木質的密閉箱體，箱體內裝有吹脹式吸熱翅片制作成的吸熱板芯，并被內部固定裝置固定；集熱器箱體內除透光玻璃蓋板面外，其于各面內壁均覆敷有保溫材料，以減少熱量損失；在集熱器箱體的一端與吹脹式吸熱翅片中間吹脹孔中心軸線對正的位置開有供熱管現場插裝的安裝孔，安裝孔上裝有孔密封件。

圖3　熱管型平板集熱系統圖

現場安裝時，將支架及水箱裝配完畢后，將熱管通過平板型集熱器箱體一端已裝上孔密封件的安裝孔，準確插入平板型集熱器內的吹脹式吸熱翅片中間的吹脹孔內；將密封組件的熱管端密封件、金屬密封環、水箱端密封件依次套裝于平板型集熱器箱體外側的熱管上；將已裝于平板型集熱器箱體上的熱管露在外部的一端對正水箱上的熱管安裝管座孔，準確將露在外部的熱管插入水箱斜下部的安裝管座內；將水箱端密封件與水箱上的熱管安裝管座旋緊，將金屬密封環拉上與水箱端密封件良好接觸，將熱管端密封件與水箱端密封件旋緊即可。

2)儲熱水箱雙腔內膽結構是由內外兩個內膽的雙循環承壓系統構成，通過外層介質內膽和外部集熱器連接，由介質吸收集熱器收集的熱量后，與內層內膽里的自來水進行熱交換，從而達到加熱用水的目的。雙腔內膽設計特殊，換熱面積大，加速熱交換，讓熱水迅速升溫；全封閉循環換熱，安全高效；同時，外層介質內膽上部留有一個膨脹空腔，用來平衡因導熱介質膨脹產生的壓力，取代了分體強制循環系統的膨脹罐。

圖4　儲熱水箱剖面示意圖

2.3平板型和真空管型集熱器的效率對比

平板集熱器的瞬時效率方程為：

真空管型集熱器的瞬時效率方程為：

式中，Tm為集熱器平均溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；I為太陽輻射，m2/W。

對于相同的溫差，平板型和真空管型集熱器的效率不同，如圖5所示。

圖5　集熱器效率對比圖

3　結論

新型平板一體集熱系統是熱管型集熱器和平板型系統的有機結合：利用熱管成熟穩定的集熱優勢，集合平板型太陽能集熱器、熱水器的系統運行特點，一體化設計，提升了系統熱性能，實現了太陽能熱水系統免維護。該系統是太陽能集熱系統市場應用的又一創新，對接下來國內外太陽能集熱系統的研發和推廣有著深遠意義。

[1] 劉亞柯. 平板太陽能集熱器空氣夾層對流換熱數字模擬與實測分析[D]. 西安：西安建筑科技大學, 2011.

[2] 管斌. 讓太陽能和建筑融合起來[N]. 經濟日報, 第16版, 2010-09-07.

[3] 郭曉潔. 太陽能熱水系統與建筑一體化應用技術研究[D].上海: 同濟大學, 2006.

2015-07-01

孫學斌(1976—)，男，工程師，主要從事太陽能熱利用方向的研究。476267077@qq.com