平板型太陽能集熱器

平板型太陽能集熱器是太陽能低溫熱利用的基本部件，是太陽能熱利用系統中，接收太陽輻射並向其傳熱工質傳遞熱量的非聚光型部件。平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。其中吸熱體結構基本為平板形狀。當平板型太陽能集熱器工作時，太陽輻射穿過透明蓋板後，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收並轉換成熱能，然後將熱量傳遞給吸熱板內的傳熱工質，使傳熱工質的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出。

基本介紹

• 中文名：平板型太陽能集熱器
• 外文名：Solar Collector
• 產品標準：《平板型太陽集熱器技術條件》
• 保溫板：鋁箔“三合一”
• 保溫材料：酚醛泡沫

1、組成與特點

平板型太陽能集熱器是太陽能低溫熱利用的基本部件，也一直是世界太陽能市場的主導產品。平板型集熱器已廣泛套用於生活用水加熱、游泳池加熱、工業用水加熱、建築物採暖與空調等諸多領域。平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。用平板型太陽能集熱器組成的熱水器即平板太陽能熱水器，用平板型太陽能集熱器組成的熱水系統即平板太陽能熱水系統。

具有製作簡單、吸熱面積大、承壓性能高、使用壽命長、不易損壞、易與建築結合等特點。

2、吸熱板

是平板型太陽能集熱器內吸收太陽輻射能並向傳熱工質傳遞熱量的部件，基本上是平板形狀。

結構形式

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並構成流體通道的部件；集管是指吸熱板上下兩端橫向連線若干根排管並構成流體通道的部件。吸熱板的材料種類很多，有銅、鋁合金、銅鋁複合、不鏽鋼、鍍鋅鋼、塑膠、橡膠等。結構形式有：

管板式：將排管與平板以一定的結合方式連線構成吸熱條帶，再與上下集管焊接成吸熱板。是目前國內外使用比較普遍的類型。

吸熱板結構示意圖

翼管式：利用模子擠壓拉伸工藝製成金屬管兩側連有翼片的吸熱條帶，然後再與上下集管焊接成吸熱板。

扁盒式：將兩塊金屬板分別模壓成型，然後再焊接成一體構成吸熱板。

蛇管式：將金屬管彎曲成蛇形，再與平板焊接構成吸熱板。這種結構類型在國外使用較多。

太陽能吸收塗層

為了使吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能並將其轉換成熱能，在吸熱板上應覆蓋有深色的塗層，這稱為太陽能吸收塗層。

太陽能吸收塗層可分為兩大類：非選擇性吸收塗層和選擇性吸收塗層。非選擇性吸收塗層是指其光學特性與輻射波長無關的吸收塗層；選擇性吸收塗層則是指其光學特性隨輻射波長不同有顯著變化的吸收塗層。

選擇性吸收塗層可以用多種方法來製備，如噴塗方法、化學方法、電化學方法、真空蒸發方法、磁控濺射方法等。採用這些方法製備的選擇性吸收塗層，絕大多數的太陽吸收比都可達到0.90以上，但是它們可達到的發射率範圍卻有明顯的區別。從發射率的性能角度出發，上述各種方法優劣的排列順序應是：磁控濺射方法、真空蒸發方法、電化學方法、化學方法、噴塗方法。當然，每種方法的發射率值都有一定的範圍，某種塗層的實際發射率值取決於製備該塗層工藝最佳化的程度。

材料

集管和支管採用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、熱傳導性、焊接性、抽拉加工性，在高溫中也不發生氫脆現象。特性及適用範圍：氧的含量極低，純度高，導電導熱性極好，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。

3、透明蓋板

透明蓋板是平板型集熱器中覆蓋吸熱板、並由透明(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；二是保護吸熱板，使其不受灰塵及雨雪的侵蝕；三是形成溫室效應，阻止吸熱板在溫度升高后通過對流和輻射向周圍環境散熱。

材料

主要有兩大類：平板玻璃和玻璃鋼板，目前國內外使用更廣泛的是平板玻璃。

平板玻璃紅外透射比低、導熱係數小、耐候性能好；但是對於平板玻璃來說，太陽透射比和衝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。超白玻璃是一種超透明低鐵玻璃，也稱低鐵玻璃、高透明玻璃。

玻璃鋼板(即玻璃纖維增強塑膠板)太陽透射比高、導熱係數小、衝擊強度高；但是對於玻璃鋼板來說，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係曲線表明，單色透射比不僅在2pm以內有很高的數值，而且在2.5pm以上仍有較高的數值。因此，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。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。玻璃鋼板作為集熱器的蓋板套用很少，目前只在部分低端產品有套用。

4、隔熱層

隔熱層是集熱器中抑制吸熱板通過傳導向周圍環境散熱的部件。用於隔熱層的材料有：岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用較多的是玻璃棉。

高效保溫材料

酚醛泡沫（PhenolicFoam，簡稱PF）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。酚醛泡沫是以酚醛樹脂和乳化劑、發泡劑、固化劑及其他助劑等多種物質，經科學配方發泡固化而成的閉孔型硬質泡沫塑膠。

酚醛泡沫材料的特性總結如下：

1、出色的保溫隔熱性能，導熱係數<0.03W/m·K。

2、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。

3、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性物質。

4、不燃性。酚醛泡沫（100mm厚）抗火焰能力可達1小時以上不被穿透，且無煙，無有害氣體散發。酚醛泡沫見明火時，表面形成結構碳，無滴落物、無捲曲、無融化現象。過火後，表面形成結構碳的石墨層，有效地保護了泡沫的內結構。

5、環保。採用無氟發泡技術，無纖維，符合國家、國際的環保要求。

厚度

隔熱層的厚度應根據選用的材料種類、集熱器的工作溫度、使用地區的氣候條件等因素來確定。應當遵循這樣一條原則：材料的導熱係數越大、集熱器的工作溫度越高、使用地區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，側面隔熱層的厚度與之大致相同。

5、外殼

外殼是集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。根據外殼的功能，要求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。

用於外殼的材料有鋁合金、不鏽鋼板、碳鋼板、塑膠、玻璃鋼等。為了提高外殼的密封性，有的產品已採用碳鋼板一次模壓成型工藝。目前平板集熱器外殼（框線）套用最多的材料是鋁合金和碳鋼板一次模壓成型。

鋁合金：一般套用的為6063T5的鋁合金型材。6063系列鋁合金廣泛用於建築鋁門窗、幕牆的框架，為了保證門窗、幕牆具有高的抗風壓性能、裝配性能、耐蝕性能和裝飾性能，對鋁合金型材綜合性能的要求遠遠高於工業型材標準。

6、原理

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塗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，轉變為熱能，並傳向流體通道中的工質。這樣，從集熱器底部入口的冷工質，在流體通道中被太陽能所加熱，溫度逐漸升高，加熱後的熱工質，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，由於吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環境散失熱量，構成平板太陽集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽集熱器工作原理。

7、製作與施工

一般規格

別墅板：2000*1000*80、2500*1000*80；陽台板：2500*800*80、2000*800*80、2000*1250*80；標準接口：Φ22，可加工DN20或DN15的內絲或外絲接頭。

製作方法

平板型太陽能集熱器板芯及其製造方法，板芯由兩塊金屬薄板疊在一起，四周採用咬縫工藝連線在一起，製成平板型金屬吸熱體，底部用鍍鋅板和保溫棉墊底，上部用玻璃板蓋住，四周用橡膠條密封。受光面板上溝槽的槽底與背板衝壓連線在一起，形成橫向和縱向互相連通的工質流道。

製作後要保證：空曬應無變形、無開裂或其他損壞；悶曬應無泄漏及明顯變形；內通水熱衝擊應無泄漏、無變形、無破裂或其他損壞；外淋水熱衝擊應無明顯變形及其他損壞，集熱器進水後，對熱性能不產生嚴重障礙。

施工與安裝

系統的施工安裝應確保全全性和功能性，同時考慮與建築結合。

1、要安裝集熱器（熱水器）的結構上預先設定預埋件或固定螺栓，當集熱器安裝在砌體牆上時，應在預埋件處增設構造柱。非結構受力構件如輕質填充牆上不得設定集熱器。

2、在需做防水的部位，不得破壞防水層。

3、採用支架安裝時，應按照設計圖紙的要求檢查強度、耐久性、與建築物的固定方式。

4、設定可靠的避雷措施。

5、貯水箱基座必須設在建築物承重牆（梁）上，並預留固定用預埋件。預埋件與基座之間的空隙，套用細石混凝土填搗密實。

6、貯水箱套用地腳螺栓與基礎連線牢固。

7、管路安裝時，不得在結構樑柱、抗震牆的暗柱、端柱處穿管。穿過屋面、牆面應及時預埋套管，避免在已做好防水保溫的屋 面上鑿孔打洞。

8、太陽熱水器安裝節點做法可以參見國家建築標準設計圖集01SS126《住宅用熱水器選用及安裝》。

8、發展與展望

平板型太陽能發展的關鍵是技術創新，研發出滿足消費者需求的產品。完善技術，降低成本，是平板型太陽能發展的重要出路，滿足消費者需求的平板型太陽能產品需要解決好四個技術問題：蓋板技術；高效吸熱體技術；提高保溫和密封性；減少熱損技術；開發工藝裝備，實現工業化生產，提高效率，降低成本。

需要認真研究市場發展趨勢和消費者需求，採取以下措施提高平板型集熱器的性能和質量：

1、研究開發適用於平板型太陽能集熱器的選擇性塗層，塗層應具有高吸收率、低紅外發射率、優異的耐熱耐濕耐候性能和適宜的加工成本；

2、廣泛採用低鐵高透過率蓋板玻璃。目前已有多個玻璃廠家開始生產適用於太陽能集熱器的低鐵玻璃，國內外玻璃質量差距越來越小；

3、重視集熱器的最佳化設計，改善製造工藝，保證結構的嚴密性，減小集熱器的散熱損失；

4、選用鋼化玻璃作為集熱器蓋板，提高集熱器部件質量，採用最佳化結構設計，確保集熱器可以經受防冰雹、雨淋、空曬、耐壓、熱衝擊等性能試驗，提高集熱器壽命，減少系統維護費用；

5、為適應寒冷地區、太陽能採暖和空調以及工業加熱等特殊要求，應開發高效平板型集熱器。儘快使雙層蓋板和透明蜂窩等技術產業化，並提高其性價比，使高效平板型集熱器有較強市場競爭力；

6、跟蹤國外平板型集熱器先進技術和工藝，開發新型平板型集熱器太陽能系統，提高平板型集熱器市場占有率。

平板型集熱器不僅可以作為熱水器使用，還可以在其工藝基礎上開發新的集熱器產品，如利用其高效的選擇性塗層、最佳化的翅片結構和空氣流道開發高效空氣集熱器，空氣集熱器可用於主被動採暖和工農業乾燥，具有廣闊的套用前景；在平板集熱器的基礎上，利用雷射焊接、整體層壓工藝還可以開發光伏光熱綜合利用產品，如光伏熱水器、光伏熱泵、太陽能直接蒸髮式熱泵等等。太陽能熱水製備只是太陽能套用的最初級模式，太陽能採暖供熱、乾燥、發電、採光照明、供冷及其行業套用將日趨廣泛，隨著國家對可再生能源套用、綠色建築推廣、可再生能源示範城市等措施的不斷深入，平板型集熱器以其獨特的優勢必將得到快速的發展。