平板太陽能集熱器

平板太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量並向工質傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，集熱器中的工質與遠距離的太陽進行熱交換。平板太陽能集熱器是由吸熱板芯、殼體、透明蓋板、保溫材料及有關零部件組成。在加接循環管道，保溫水箱後，即成為能吸收太陽輻射熱，使水溫升高。

平板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。用平板太陽能集熱器部件組成的熱水器即平板太陽能熱水器。平板太陽能集熱器主要由平板太陽能集熱器吸熱板、平板太陽能集熱器透明蓋板、平板太陽能集熱器隔熱層和平板太陽能集熱器外殼等幾部分組成。

基本介紹

• 中文名：平板太陽能集熱器
• 功能：吸收太陽輻射能量向工質傳遞熱量
• 性質：熱交換器
• 構成：板太陽能集熱器透明蓋板等
• 透明蓋板材料：厚度為3~5mm的平板玻璃
• 工作原理：將陽光變為熱能

工作原理

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。

平板太陽能集熱器結構示意圖

基本結構

吸熱板

吸熱板是平板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，其基本上是平板形狀。

平板太陽能集熱器吸熱板結構形式

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。吸熱板有如下主要結構形式（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。

銅磷脫氧銅是熔解高純度的原材料

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

條帶（整板）採用銅或鋁TU1無氧紫銅標準

平板太陽能集熱器吸熱板材料特性及適用範圍：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。

按吸熱板的結構不同可分類為：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

平板太陽能集熱器管板式吸熱板

管板式吸熱板是將排管與平板以一定的結合方式連線構成吸熱條帶（如右圖所示），然後再與上下集管焊接成平板太陽能集熱器吸熱板。這是目前國內外使用比較普遍的吸熱板結構類型。

⒉翼管式吸熱板

翼管式吸熱板是利用模子擠壓拉伸工藝製成金屬管兩側連有翼片的吸熱條帶（如右圖），然後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採用鋁合金。

平板太陽能集熱器翼管式吸熱板

翼管式吸熱板的優點：熱效率高，管子和平板是一體，無結合熱阻；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），然後再與平板焊接構成吸熱板。這種結構類型在國外使用較多。吸熱板材料一般採用銅，焊接工藝可採用高頻焊接或超聲焊接。

蛇管式吸熱板優點：不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性；熱效率高，無結合熱阻；水質清潔，銅管不會被腐蝕；保證質量，整個生產過程實現機械化；耐壓能力強，銅管可以承受較高的壓力。

平板太陽能集熱器蛇管式吸熱板

蛇管式吸熱板缺點：流動阻力大，流體通道不是並聯而是串聯；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，然後再焊接成一體構成吸熱板，吸熱板材料可採用不鏽鋼、鋁合金、鍍鋅鋼等。

通常，流體通道之間採用點焊工藝，平板太陽能集熱器扁盒式吸熱板四周採用滾焊工藝。　平板太陽能集熱器扁盒式吸熱板優點：熱效率高，管子和平板是一體，無結合熱阻；不需要焊接集管，流體通道和集管採用一次模壓成型。

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；有時水質不易保證，鋁合金和鍍鋅鋼都會被腐蝕。

塗層

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。

吸熱板的塗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的範圍內，而吸熱板的熱輻射則主要集中在2~20μm的波長範圍內，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，就需要採用選擇性塗料。選擇性塗料是對太陽短波輻射具有較高吸收率，而對長波熱輻射發射率卻較低的一種塗料，目前國內外的生產廠大多採用磁控濺射的方法製作選擇性塗層，可達到吸收率0.93～0.95，發射率0.12~0.04，大大提高了產品熱性能。

吸收塗層可分為兩大類：

⑴非選擇性吸收塗層和選擇性吸收塗層。

⑵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。

一般而言，要單純達到高的太陽吸收比並不十分困難，難的是要在保持高的太陽吸收比的同時又達到低的發射率。對於選擇性吸收塗層來說，隨著太陽吸收比的提高，往往發射率也隨之升高；對於通常使用的黑板漆來說，其太陽吸收比可高達0.95，但發射率也在0.90左右，所以屬於非選擇性吸收塗層。

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。

按吸熱板塗層可分類為：電鍍塗層、化學表面轉化塗層、真空鍍塗層。

⒈電鍍塗層：

⑴黑鉻塗層

黑鉻塗層的吸收比α和發射比ε分別為0.93～0.97和0.07～0.15，α/ε為6～13，具有優良的光譜選擇性。黑鉻塗層的熱穩定性和抗高溫性能也很好，適用於高溫條件，在300℃能長期穩定工作。此外，黑鉻塗層還具有較好的耐候性和耐蝕性。但是，現在採用的電鍍黑鉻工藝，電流密度大（15～200A/dm2），溶液導電性差，電鍍時會產生大量的焦耳熱，需要冷卻和通風排氣才能維持正常生產。另外，黑鉻鍍在非銅件上，需要先預鍍銅，再鍍光亮鎳，最後鍍黑鉻，生產成本較高。

⑵黑鎳塗層

黑鎳塗層的吸收比α可達0.93～0.96，熱發射比ε為0.08～0.15，α/ε接近6～12，其吸收性能較好。黑鎳塗層很薄，為了提高塗層與基體的結合力和耐蝕性，常採用中間塗層（如Ni，Cu，Cd）或雙層鎳塗層。由於黑鎳塗層的熱穩定性、耐蝕性較差，通常只適用於低溫太陽能熱利用。

⑶黑鈷塗層

黑鈷塗層的主要成分是CoS，具有蜂窩型網狀結構，其吸收比α可達0.94～0.96，發射比ε為0.12～0.14，α/ε為6.7～8。

⒉電化學表面轉化塗層

⑴鋁陽極氧化塗層

鋁及鋁合金的陽極氧化可在硫酸介質中進行，但在太陽能熱利用中，主要用磷酸介質。鋁氧化塗層著色有多種工藝，其中電解著色工藝獲得的塗層，具有牢固、穩定、耐曬優良特性，並且可進行大規模生產。

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

鋁陽極氧化塗層，耐蝕、耐磨和耐光照等性能也相當好，在平板太陽能熱水器中已得到廣泛套用。

⑵CuO轉化塗層

以陽極氧化法製取的CuO轉化塗層，NaOH電解液的濃度為1mol/L，電流密度為2mA/cm2，溫度為50~57℃。塗層的吸收比可達0.88~0.95，法向發射比為0.15~0.30。這種CuO塗層有一層黑色絨面，保護不好，會導致吸收比的降低。

⒊真空鍍塗層

可以採用真空蒸發和磁控濺射技術製備選擇吸收性能優良的塗層，但後者的設備比較簡單，工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的塗層。

目前，國內生產的全玻璃真空集熱管和高檔平板集熱器吸熱板都採用磁控濺射技術製備吸收塗層。

透明蓋板

透明蓋板是平板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。

平板太陽能集熱器透明蓋板的層數及間距

平板太陽能集熱器透明蓋板的層數取決於平板太陽能集熱器的工作溫度及使用地區的氣候條件。

絕大多數情況下，平板太陽能集熱器都採用單層透明蓋板

當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使用，譬如在中國南方進行太陽能空調或者在中國北方進行太陽能採暖，平板太陽能集熱器宜採用雙層透明蓋板。

一般情況下，很少採用3層或3層以上透明蓋板，因為隨著層數增多，雖然可以進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。

對於平板太陽能集熱器透明蓋板與吸熱板之間的距離，國內外文獻提出過各種不同的數值，有的還根據平板夾層內空氣自然對流換熱機理提出了最佳間距。但有一點結論是共同的，即透明蓋板與平板太陽能集熱器吸熱板之間的距離應大於20mm。

透明蓋板的材料選擇：

用於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、導熱係數小、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。

平板太陽能集熱器平板玻璃透明蓋板

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、多功能的新型高檔玻璃品種，透光率可達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質浮法玻璃所具有的一切可加工性能，具有優越的物理、機械及光學性能，可像其他優質浮法玻璃一樣進行各種深加工。

平板太陽能集熱器超白玻璃蓋板的獨特優勢：

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

B、顏色一致性：超白玻璃採用先進的色度分析儀和分析軟體，確保了玻璃顏色的一致性。

C、可見光透過率高，通透性好：大於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（即玻璃纖維增強塑膠板）具有太陽透射比高、導熱係數小、衝擊強度高等特點，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。

平板太陽能集熱器玻璃鋼板透明蓋板

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：玻璃鋼板的質量輕，便於太陽能集熱器的運輸及安裝；玻璃鋼板的加工性能好，便於根據太陽能集熱器產品的需要進行加工成型。

平板太陽能集熱器玻璃鋼板作為集熱器的蓋板套用已經越來越少了，目前只在部分低端產品有套用。

兩者相比，目前國內外使用更廣泛的還是平板玻璃。

隔熱層

一、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

二、隔熱層的厚度

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。

隔熱層的厚度應當遵循這樣一條原則：

材料的導熱係數越大、平板太陽能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。

三、平板太陽能集熱器隔熱層材料

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。雖然聚苯乙烯的導熱係數很小，但在溫度高於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岩棉，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，時間長久後，仍會有一定的收縮，所以使用聚苯乙烯時，應給予足夠的重視。

岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯隔熱層材料

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

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。

聚氨酯、酚醛泡沫隔熱層材料

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：

A、出色的保溫隔熱性能，導熱係數<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性物質。

D、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。

E、環保。採用無氟發泡技術，無纖維，符合國家、國際的環保要求。

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。

酚醛泡沫與岩棉相比：更好的保溫性能，更乾淨，對人體無害。

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。

外殼的技術要求

根據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。為了提高平板太陽能集熱器外殼的密封性，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，對平板太陽能集熱器鋁合金型材綜合性能的要求遠遠高於工業型材標準。

特點

一、結構簡單，靈活精巧、易維護；

二、形式多變，易與建築完美融合；

三、壽命長、性能穩定；

四、防凍防垢、融霜化雪；

五、水質清潔、利於健康。

平板太陽能集熱器結構簡單，運行可靠，成本低廉，熱流密度較低，即工質的溫度也較低，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，是太陽能與建築一體結合最佳選擇的集熱器類型之。