平板集热器结构及选材特点分析.docx

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平板集热器结构及选材特点分析

平板集热器结构及选材特点分析

平板型太阳能集热器就是太阳能低温热利用得基本部件，也一直就是世界太阳能市场得主导产品。

平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。

用平板型太阳能集热器部件组成得热水器即平板太阳能热水器。

平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层与外壳等几部分组成（如图1）。

图1平板型集热器结构示意图

当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内得传热工质，使传热工质得温度升高，作为集热器得有用能量输出。

一、吸热板

吸热板就是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量得部件，其基本上就是平板形状。

1、吸热板得结构形式

在平板形状得吸热板上，通常都布置有排管与集管。

排管就是指吸热板纵向排列并构成流体通道得部件；集管就是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道得部件。

吸热板得材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。

吸热板有如下主要结构形式（如图2）。

（1）管板式。

管板式吸热板就是将排管与平板以一定得结合方式连接构成吸热条带（如图2a），然后再与上下集管焊接成吸热板。

这就是目前国内外使用比较普遍得吸热板结构类型。

（2）翼管式。

翼管式吸热板就是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片得吸热条带（如图2b），然后再与上下集管焊接成吸热板。

吸热板材料一般采用铝合金。

翼管式吸热板得优点：

热效率高，管子与平板就是一体，无结合热阻；耐压能力强，铝合金管可以承受较高得压力。

缺点：

水质不易保证，铝合金会被腐蚀；材料用量大，工艺要求管壁与翼片都有较大得厚度；动态特性差，吸热板有较大得热容量。

（3）扁盒式。

扁盒式吸热板就是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板（如图2c），吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。

通常，流体通道之间采用点焊工艺，吸热板四周采用滚焊工艺。

扁盒式吸热板得优点：

热效率高，管子与平板就是一体，无结合热阻；不需要焊接集管，流体通道与集管采用一次模压成型。

缺点：

焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢得问题；耐压能力差，焊点不能承受较高得压力；动态特性差，流体通道得横截面大，吸热板有较大得热容量；有时水质不易保证，铝合金与镀锌钢都会被腐蚀。

（4）蛇管式。

蛇管式吸热板就是将金属管弯曲成蛇形（如图2d），然后再与平板焊接构成吸热板。

这种结构类型在国外使用较多。

吸热板材料一般采用铜，焊接工艺可采用高频焊接或超声焊接。

蛇管式吸热板得优点：

不需要另外焊接集管，减少泄漏得可能性；热效率高，无结合热阻；水质清洁，铜管不会被腐蚀；保证质量，整个生产过程实现机械化；耐压能力强，铜管可以承受较高得压力。

缺点：

流动阻力大，流体通道不就是并联而就是串联；焊接难度大，焊缝不就是直线而就是曲线。

2、吸热板上得涂层

为了使吸热板可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热板上应覆盖有深色得涂层，这称为太阳能吸收涂层。

吸热板得涂层材料对吸收太阳辐射能量起非常重要得作用。

因为太阳辐射得波长主要集中在0、3~2、5μm得范围内，而吸热板得热辐射则主要集中在2~20μm得波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射得吸收能力，又要减小热损失，降低吸热板得热辐射，就需要采用选择性涂料。

选择性涂料就是对太阳短波辐射具有较高吸收率，而对长波热辐射发射率却较低得一种涂料，目前国内外得生产厂大多采用磁控溅射得方法制作选择性涂层，可达到吸收率0、93~0、95，发射率0、12~0、04，大大提高了产品热性能。

太阳能吸收涂层可分为两大类：

非选择性吸收涂层与选择性吸收涂层。

非选择性吸收涂层就是指其光学特性与辐射波长无关得吸收涂层；选择性吸收涂层则就是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化得吸收涂层。

一般而言，要单纯达到高得太阳吸收比并不十分困难，难得就是要在保持高得太阳吸收比得同时又达到低得发射率。

对于选择性吸收涂层来说，随着太阳吸收比得提高，往往发射率也随之升高；对于通常使用得黑板漆来说，其太阳吸收比可高达0、95，但发射率也在0、90左右，所以属于非选择性吸收涂层。

选择性吸收涂层可以用多种方法来制备，如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发方法、磁控溅射方法等。

采用这些方法制备得选择性吸收涂层，绝大多数得太阳吸收比都可达到0、90以上，但就是它们可达到得发射率范围却有明显得区别。

从发射率得性能角度出发，上述各种方法优劣得排列顺序应就是：

磁控溅射方法、真空蒸发方法、电化学方法、化学方法、喷涂方法。

当然，每种方法得发射率值都有一定得范围，某种涂层得实际发射率值取决于制备该涂层工艺优化得程度。

平板集热器常用得选择性吸收涂层：

（1）电镀涂层

黑铬涂层：

黑铬涂层得吸收比α与发射比ε分别为0、93~0、97与0．07~0、15，α/ε为6~13，具有优良得光谱选择性。

黑铬涂层得热稳定性与抗高温性能也很好，适用于高温条件，在300℃能长期稳定工作。

此外，黑铬涂层还具有较好得耐候性与耐蚀性。

但就是，现在采用得电镀黑铬工艺，电流密度大（15~200A/dm2），溶液导电性差，电镀时会产生大量得焦耳热，需要冷却与通风排气才能维持正常生产。

另外，黑铬镀在非铜件上，需要先预镀铜，再镀光亮镍，最后镀黑铬，生产成本较高。

黑镍涂层：

黑镍涂层得吸收比α可达0、93~0、96，热发射比ε为0、08~0、15，α/ε接近6~12，其吸收性能较好。

黑镍涂层很薄，为了提高涂层与基体得结合力与耐蚀性，常采用中间涂层（如Ni，Cu，Cd）或双层镍涂层。

由于黑镍涂层得热稳定性、耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。

黑钴涂层：

黑钴涂层得主要成分就是CoS，具有蜂窝型网状结构，其吸收比α可达0、94~0、96，发射比ε为0、12~0、14，α/ε为6、7~8。

（2）电化学表面转化涂层

铝阳极氧化涂层：

铝及铝合金得阳极氧化可在硫酸介质中进行，但在太阳能热利用中，主要用磷酸介质。

铝氧化涂层着色有多种工艺，其中电解着色工艺获得得涂层，具有牢固、稳定、耐晒优良特性，并且可进行大规模生产。

铝阳极氧化涂层就是一种多孔膜，孔隙率达22％，电解着色时金属易沉积在微孔中。

用于电解着色得金属盐类有：

镍盐、锡盐、钴盐与铜盐等。

铝阳极氧化涂层，耐蚀、耐磨与耐光照等性能也相当好，在太阳能热水器中已得到广泛应用。

CuO转化涂层：

以阳极氧化法制取得CuO转化涂层，NaOH电解液得浓度为1mol/L，电流密度为2mA/cm2，温度为50~57℃。

涂层得吸收比可达0、88~0、95，法向发射比为0、15~0、30。

这种CuO涂层有一层黑色绒面，保护不好，会导致吸收比得降低。

（3）真空镀涂层

可以采用真空蒸发与磁控溅射技术制备选择吸收性能优良得涂层，但后者得设备比较简单，工艺控制方便，容易在大面积上获得均匀一致得涂层。

目前，国内生产得全玻璃真空集热管与高档平板集热器吸热板都采用磁控溅射技术制备吸收涂层。

3、吸热板所用材料

（1）集管与支管采用TP2铜TP2铜磷脱氧铜就是熔解高纯度得原材料，把熔化铜中产生得氧气用亲氧性得磷（P）脱氧，使其氧含量降低到100PPm以下，从而提高其延展性、耐蚀性、热传导性、焊接性、抽拉加工性，在高温中也不发生氢脆现象。

（2）条带（整板）采用铜或铝TU1无氧紫铜标准（GB/T5231-2001）

特性及适用范围：

氧得含量极低，纯度高，导电导热性极好，延展性极好，透气率低，无“氢病”或极少“氢病”；加工性能与焊接、耐蚀耐寒性均好。

二、透明盖板

透明盖板就是平板型集热器中覆盖吸热板、并由透明（或半透明）材料组成得板状部件。

它得功能主要有3个：

一就是透过太阳辐射，使其投射在吸热板上；二就是保护吸热板，使其不受灰尘及雨雪得侵蚀；三就是形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流与辐射向周围环境散热。

1、透明盖板得材料

用于透明盖板得材料主要有两大类：

平板玻璃与玻璃钢板。

两者相比，目前国内外使用更广泛得还就是平板玻璃。

（1）平板玻璃。

平板玻璃具有红外透射比低、导热系数小、耐候性能好等特点，在这些方面无疑就是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板得要求。

然而，对于平板玻璃来说，太阳透射比与冲击强度就是两个需要重视得问题。

目前常用得透明盖板材料就是厚度为3~5mm得平板玻璃，超白低铁钢化玻璃或超白低铁布纹钢化玻璃，透过率高，能够抗冰雹，抗击打，安全可靠。

常用玻璃厚度为3、2mm与4、0mm两种。

超白玻璃就是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃。

它就是一种高品质、多功能得新型高档玻璃品种，透光率可达91、5%以上，具有晶莹剔透、高档典雅得特性，有玻璃家族“水晶王子”之称。

超白玻璃同时具备优质浮法玻璃所具有得一切可加工性能，具有优越得物理、机械及光学性能，可像其她优质浮法玻璃一样进行各种深加工。

超白玻璃得独特优势：

A、玻璃得自爆率低：

采用高纯度原材料，相对普通玻璃不含各种引爆杂质，从而大大降低了钢化后得自爆率。

B、颜色一致性：

超白玻璃采用先进得色度分析仪与分析软件，确保了玻璃颜色得一致性。

C、可见光透过率高，通透性好：

大于93%得可见光透过率，使集热器得到更多太阳能量。

D、紫外线透过率低：

降低对其她材料得老化影响。

（2）玻璃钢板。

玻璃钢板（即玻璃纤维增强塑料板）具有太阳透射比高、导热系数小、冲击强度高等特点，在这些方面无疑也就是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板得要求。

然而，对于玻璃钢板来说，红外透射比与耐候性能就是两个需要重视得问题。

玻璃钢板得单色透射比与波长关系曲线表明，单色透射比不仅在2pm以内有很高得数值，而且在2、5pm以上仍有较高得数值。

因此，玻璃钢板得太阳透射比一般都在0、88以上，但它得红外透射比也比平板玻璃高得多。

玻璃钢板通过使用高键能树脂与胶衣，可以减少受紫外线破坏得程度。

但就是，玻璃钢板得使用寿命就是无论如何不能跟作为无机材料得平板玻璃相比拟得。

当然，玻璃钢板具有一些平板玻璃所没有得特点。

例如：

玻璃钢板得质量轻，便于太阳能集热器得运输及安装；玻璃钢板得加工性能好，便于根据太阳能集热器产品得需要进行加工成型。

玻璃钢板作为集热器得盖板应用已经越来越少了，目前只在部分低端产品有应用。

2、透明盖板得层数及间距

透明盖板得层数取决于太阳能集热器得工作温度及使用地区得气候条件。

绝大多数情况下，都采用单层透明盖板；当太阳能集热器得工作温度较高或者在气温较低得地区使用，譬如在我国南方进行太阳能空调或者在我国北方进行太阳能采暖，宜采用双层透明盖板；一般情况下，很少采用3层或3层以上透明盖板，因为随着层数增多，虽然可以进一步减少集热器得对流与辐射热损失，但同时会大幅度降低实际有效得太阳透射比。

对于透明盖板与吸热板之间得距离，国内外文献提出过各种不同得数值，有得还根据平板夹层内空气自然对流换热机理提出了最佳间距。

但有一点结论就是共同得，即透明盖板与吸热板之间得距离应大于20mm。

三、隔热层

隔热层就是集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热得部件。

1、隔热层得材料

用于隔热层得材料有：

岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。

目前使用较多得就是玻璃棉。

虽然聚苯乙烯得导热系数很小，但在温度高于70℃时就会变形收缩，影响它在集热器中得隔热效果。

在实际使用时，往往需要在底部隔热层与吸热板之间放置一层薄薄得玻璃棉或岩棉，在四周隔热层得表面贴一层薄得镀铝聚酯薄膜，使隔热层在较低得温度条件下工作。

即便如此，时间长久后，仍会有一定得收缩，所以使用聚苯乙烯时，应给予足够得重视。

玻璃棉就是将熔融玻璃纤维化，形成棉状得材料，化学成分属玻璃类，就是一种无机质纤维，具有成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、吸音性能好、耐腐饰、化学性能稳定。

酚醛泡沫就是一种新型得可以提高平板太阳能集热器得高效保温材料。

市场上已逐渐有厂家在使用。

　　酚醛泡沫介绍：

酚醛泡沫（PhenolicFoam，简称PF），就是以酚醛树脂与乳化剂、发泡剂、固化剂及其她助剂等多种物质，经科学配方发泡固化而成得闭孔型硬质泡沫塑料。

　　酚醛泡沫材料得特性总结如下：

A、出色得保温隔热性能，导热系数<0、03W/m·K。

　B、较高得工作温度。

酚醛泡沫能在-200℃~160℃（允许瞬时250℃）长期工作，无收缩。

　C、出色得耐候性。

长期暴露在高温之下，仍然有较好得保温隔热性能，不会释放任何可能阻隔太阳能辐射得挥发性物质。

　D、不燃性。

酚醛泡沫（100mm厚）抗火焰能力可达1小时以上不被穿透，且无烟，无有害气体散发。

酚醛泡沫见明火时，表面形成结构碳，无滴落物、无卷曲、无融化现象。

过火后，表面形成结构碳得石墨层，有效地保护了泡沫得内结构。

　E、环保。

采用无氟发泡技术，无纤维，符合国家、国际得环保要求。

酚醛泡沫与聚氨酯相比：

相近得保温性能，却具有更高得工作温度，且不燃。

酚醛泡沫与岩棉相比：

更好得保温性能，更干净，对人体无害。

2、隔热层得厚度

隔热层得厚度应根据选用得材料种类、集热器得工作温度、使用地区得气候条件等因素来确定。

应当遵循这样一条原则：

材料得导热系数越大、集热器得工作温度越高、使用地区得气温越低则隔热层得厚度就要求越大。

一般来说，底部隔热层得厚度选用30~50mm，侧面隔热层得厚度与之大致相同。

四、外壳

外壳就是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板与隔热层得部件。

1、外壳得技术要求

根据外壳得功能，要求外壳有一定得强度与刚度，有较好得密封性及耐腐蚀性，而且有美观得外形。

2、外壳得材料

用于外壳得材料有铝合金、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。

为了提高外壳得密封性，有得产品已采用碳钢板一次模压成型工艺。

目前平板集热器外壳（边框）应用最多得材料就是铝合金与碳钢板一次模压成型。

铝合金：

一般应用得为6063T5得铝合金型材。

6063系列铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙得框架，为了保证门窗、幕墙具有高得抗风压性能、装配性能、耐蚀性能与装饰性能，对铝合金型材综合性能得要求远远高于工业型材标准。

各种铝型材表面处理得比较与选用

铝合金边框：

碳钢板一体冲压成型：