谁才是平板太阳能的领航者?

【专家解说】：1 引言 现阶段在国内市场太阳能低温利用越来越普及，也越来越被消费者、政府认可和重视。太阳能集热器主要有平板集热器和联集管集热器，在技术上两种集热器都已很成熟。其中平板集热器是在17世纪后期发明的，1960年以后开始进行深入研究和大规模化应用;联集管集热器起源于中国，截至今日大约有十几个年头，联集管集热器又分为普通非承压集热器、热管集热器、U型管集热器等。 2 普通非承压联集管集热器及结垢解决方法 联集管集热器以工艺简单、价格低廉、真空管冬季保温好等特点被大面积推广，但普通联集管集热器也存在一些不足。 一是真空管内直接加热水，升温快，联集箱内的水容易被蒸发(管路系统不合理或控制系统故障时出现真空管内的水减少上部内管处于空晒。当内管上下温差超过玻璃耐受温差冲击极限时，内管会炸裂，造成系统漏水，其中原因一般是应力集中、玻璃有微裂纹导致被激炸; 二是真空管内长期有水又温升较快，水中钙镁离子浓度大时管内壁容易结垢，管内也容易积淀一些絮状物(特别是竖插管集热器，污物不能自动排出，横插管集热器循环时被水带走一大部分)致使集热效率下降; 三是冬季环境温度低于零度时，室外集热系统内的水容易结冰，使管路冻坏;现常用的解决办法是除做好保温外，另在管道下方加电热带和进行防冻循环，也就是冬季不能集热时为了防冻要耗电耗热。 前述联集管集热器的真空管存在结垢问题，目前的解决方法主要有:根据水质情况定期清理真空管;或对自来水进行净化软化、加药、磁化等。净化和软化可用过滤装置去除泥沙等大颗粒污物，用反渗透膜或树脂离子置换法去除钙镁离子。 现市场上常用的是硅磷晶POWER-PHOS进行防垢和防腐，其机理是硅磷晶在水中有效地抑制和干扰了碳酸钙晶体的正常生长，控制了晶核形成的速度，使之不能沉积形成水垢;在此作用的同时，对已形成并附着管内壁上钙、镁、铁产生络合或螯合反应，然后借助布朗运动或水流作用，达到最终的分散效力。另外微量的硅磷晶中p-p成分，隔绝了水中溶解氧与金属离子的化学反应，阻止了氢氧化亚铁继续反应生成氢氧化铁。即钝化作用。在水管内壁生成一种无定形的能自动修复的保护膜，这层具有强亲力的分子膜阻挡了水中溶解氧的腐蚀，从而抑制了整个腐蚀的过程。根据水质不同硅磷晶的浓度一般控制在5-10ppm，也就是要定期在系统内加药。 磁化现阶段主要是用电子除垢仪(即电子水处理器)，其抑垢除垢原理是利用电子集成线路产生高频电磁场，使流经除垢仪的水吸收电磁能后，在不改变原有化学成份的情况下，使其物理结构发生变化，将原有的大缔合体的结合键打断，变为活性很高的单分子或小缔合体状态的水，促进了水分子有序排列，增强了水的偶极距，加强了水对成垢离子及其组份的分解作用。老的水垢逐渐剥落直至清除、新的水垢不易生成，并改变了水中沉积物质的沉积状态，各种离子的物理性能，细菌和藻类等微生物的生存环境，从而有效起到除垢、防垢、杀菌、灭藻的作用。经过高频电磁场处理后，水分子的电子被激活，电子能位升高，根据能量守恒原理，分子电位能损失，电位下降，至使水分子与接触器壁的电位差减少甚至消失。造成水中离子自由活动能力减小，器壁金属离解受到抑制，对设备起到防腐作用。 3 真空管热管集热器和真空管U型管集热器 其优点是真空管内不直接走水，炸管几率降低(即使炸管也不漏液)，现大部分厂家联集箱内直接走水，长期使用造成联集箱内结垢，热管头部结垢导热效率下降，出现故障后热管拆卸困难;U型管内走水，造成管内结垢降低传热效率，甚至U型管内堵塞失去集热效果;解决办法是进行水的净化软化、加药、磁化处理等，这样可在一定程度上缓解上述问题，最好的办法是系统内用防冻液作为导热介质。 4 平板集热器 平板集热器历史已经很久，技术应用上也非常成熟。 优点是:其承压能力强，系统做成全封闭系统，避免了空气中氧气及杂质进入集热系统，可靠性高;用防冻液做导热介质，冬季彻底防冻，集热系统不用辅助热源，避免能量消耗;吸热面积大，集热器所占的建筑轮廓面积中吸热片占据绝大部分，是实现太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一;缺点:制作工艺较复杂、成本较高、和联集管集热器相比集热效率受环境温度影响大，夏季高、冬季低。 平板集热器的吸热条带镀膜技术要求高，因其长期暴露于空气中和空气中的氧、水分子长期接触，要求其耐老化性极高(平板集热器内还不能像真空管抽成真空，对膜层要求远远高于真空管)。为提高平板集热器的保温性能，目前已经有真空玻璃用于平板集热器，但由于真空玻璃工艺不是很成熟以及成本高等原因，此技术尚未规模化应用。 我国对选择性吸收材料的研究应用经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬到铝阳极氧化涂层等几代的更替;目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极氧化着色和铜条带上镀选择性涂层。 目前用于真空管间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的，由于该涂层耐候性能较差，不适于平板集热器的使用。另外国际上发达国家，尤其是欧洲，选择性吸收涂层的生产主要有两个特点，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的，在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产，产品的光学性能及耐候性都很理想;德国几个生产选择性涂层的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法或者连续生产方式进行吸收涂层生产的。 海尔几年来一直致力于平板集热器的开发，核心部件吸热紫铜条带吸收涂层使用德国TINOX技术，其在真空环境中把钛汽化，在钛的汽化物中加入氮气氧气，使其通过化学反应生成氮氧化钛冷凝沉积到金属带上，此外石英被汽化后形成第二层减反射层并对氮氧化钛层起保护作用。TINOX涂层是迄今为止唯一利用钛和石英代替镍和铬的涂层，在制作过程中不会污染水源也不会污染空气，是最具环保性的涂层;TINOX涂层吸收率高达95%，发射率约为4%;由于其优异的耐环境、耐老化性，TINOX涂层使用25年后，仍能保持其初始性能的95%以上。 平板集热器盖玻璃用的是超白低铁钢化玻璃，更耐冰雹、固体冲击能力强、耐疲劳老化性高、透明度高;边框用整体外壳、或铝合金型材组装，强度高。集热器无惧空晒，不会出现炸管现象;用防冻液做导热介质，冬季彻底防冻，集热系统不用辅助热源，避免能量消耗;平板集热器夏季不怕空晒、冬季不怕冰冻、适应气候能力极强。集热器模块化设计，可任意组合成各种大小集热面积的集热阵列，使用更灵活。 5 各种集热器集热效率的分析 无论是平板集热器还是联集管集热器，其对集热效率影响最大的是吸热体、即吸热膜层。较好的真空管膜层和较好的平板吸热片膜层吸收率都在0.95左右;平板集热器整个轮廓面积几乎都被吸热片占据，但真空管集热器受结构的影响必须有一定的间距，一般Φ47管间距为70㎜，Φ58管间距为80㎜，Φ47管的产品内管直径为Φ37，Φ58管的产品内管直径为Φ47。 假如不考虑光线的反射、折射等，不带反射板的集热器瞬时效率极限，Φ47管为:0.95×0.9×37/70=0.452，Φ58管为:0.95×0.9×47/80=0.502;如不考虑真空管之间的空隙，集热器瞬时效率极限，Φ47管为:0.95×0.9×37/47=0.673，Φ58管为:0.95×0.9×47/58=0.693;平板集热器瞬时效率极限为:0.95×0.9=0.855。 国标规定:平板集热器瞬时效率截距≥0.72;真空管集热器(无反射板)瞬时效率截距≥0.62;真空管集热器(有反射板)瞬时效率截距≥0.52。 注:有反射板真空管集热器集热面积计算时包括真空管之间的空隙，无反射板真空管集热器集热面积计算时不包括真空管之间的空隙。 平板集热器整机效率受环境温度影响大于真空管集热器，笼统地说春、夏、秋季节其集热效率高于真空管集热器，冬季低于真空管集热器;其瞬时效率如下图: 其交点位置横坐标值为0.076，试验是在太阳辐照强度为800W/㎡时测试得数据，则: ti-ta=0.076×800=60.8℃;也就是说当集热器内的介质温度和环境温度之差为60.8℃时联集管集热器和平板集热器瞬时效率相同，温差小于60.8℃时平板集热器效率高，温差大于60.8℃时联集管集热器效率高，如下图所示。 6 结语 近几年国内平板集热器占不到市场份额的15%，是有很多原因造成的:(1)一些厂家用平板集热器做直接系统在冬季不能防冻，须排空，因此冬季不能使用并维护复杂;(2)全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用;(3)全玻璃真空管由于技术创新，成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进太阳能热水器市场迅速扩大;(4)国内的消费者对全玻璃真空管热水器的认知度远高于平板式太阳能热水器。 因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低档市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主。 国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接、分体式系统，承压运行;这类系统一般初投资高，但系统可靠性高、维护成本低、水质不会被污染、整个系统寿命长。 针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势: (1)平板集热器最适合用于承压系统; (2)最适合于双循环的太阳能热水器; (3)最有利于实现太阳能热水器与建筑结合; (4)系统寿命长，维护费用低; (5)大多数情况下可以提供更多的生活热水; (6)平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。 结论:在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。