太阳能集热系统的发展及技术革新

■ 孙学斌

浙江桑乐数字化太阳能有限公司

太阳能集热系统的发展及技术革新

■ 孙学斌

浙江桑乐数字化太阳能有限公司

综述太阳能集热系统的发展现状，介绍太阳能集热系统的国内外市场，分析其技术优势和有待解决的问题，并展望其技术革新及市场前景。

太阳能；集热系统；平板一体机；热管

0　引言

我国拥有全球最大的太阳能热水器(系统)生产能力，也是全球最大的太阳能热水器(系统)应用市场[1]。但由于国内在如何实现太阳能热水系统与系统间有机结合方面的研究力度不够，太阳能集热系统优势仍有待进一步挖掘，才能真正成为高能效、免维护、寿命长的产品。同时，随着人们热水需求的不断提高，节能集热系统在建筑中应用越来越广泛，如何推广太阳能在节能建筑中的应用，成为人们关注的一个焦点[2]。

1　国内外太阳能集热系统的发展概述

我国目前使用的太阳能集热器可大体分为两大类：真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器。近10年来全玻璃真空管型热水器生产成本大幅降低，一度曾占我国太阳能热水器统治地位的平板型太阳能集热器和热水器受到了全玻璃真空管型太阳能热水器的冲击，市场份额有所下降。但近年来，由于平板型集热器技术的进步，以及节能减排指标的要求，国内生产厂家也越来越多，我国平板型太阳能热水器产量已从2004年的150万m2上升到2005年的180万m2，市场份额在不断增加。

1.1真空管型太阳能集热器

目前真空管型太阳能集热器品类繁多，各类集热器特点都有其利弊，市场应用主要以普通全玻璃真空管型太阳能集热器为主[1]。

1)全玻璃真空管型太阳能集热器特点：真空管内直接加热水，吸热效率最高，寿命长，成本低，应用范围广，可在-30 ℃情况下正常运行。目前市场集中供水工程80%以上使用该产品。经实验测定，真空管型太阳能集热器的平均热损系数要比平板型集热器小，其热损系数一般约为0.9 W/(m2·℃)，而平板型的热损系数为1.0 W/(m2·℃)以上。

2)热管式真空管型太阳能集热器特点：炸管无泄漏，系统稳定，热效率较高，寿命较短，成本高，铜材要求严格，铜管内真空度要求高。

3)U形管式真空管型太阳能集热器特点：可实现间接换热，承压运行，无炸管泄漏隐患，系统最稳定，寿命最长，成本最高；主要应用于高档住宅或对热水有一定要求的使用场所。

1.2平板型太阳能集热器

在我国的太阳能光热应用中，平板式太阳能集热器是最早得到应用的产品。平板集热器按结构型式的不同可分为管板式、管翅式、热管翅片式等；按盖板种类可分为普通钢化玻璃、超白低铁钢化玻璃(增强透光率)集热器等。目前，国内普遍使用的平板集热器是全铜集热器和铜铝复合集热器。在日平均效率方面，平板型太阳能集热器要优于真空管型太阳能集热器。目前，平板型太阳能集热器热效率一般为60%，而真空管型太阳能集热器的热效率一般为50%。集热器内的水温处于50 ℃以下时，平板型集热器的瞬时热效率大于真空管型集热器。

目前，全球太阳能市场上平板型和真空管型太阳能热水(器)系统并存，但所占市场份额不同。我国以真空管为主，占86%；欧、美、澳等发达国家截然相反，平板型占90%以上。平板型太阳能集热器和热水系统安全可靠、有效采光面积大、热效率高，国外平板型太阳能热水工程主要用于热水和采暖。此外，在同等输出功率条件下，平板型太阳能集热器占地面积小(真空管之间有空隙，占地面积较大)。

平板型太阳能热水器在国外已有多年的应用历史，主要具备以下优势：1)能承压运行，满足人们热水使用较高需求；2)国外的平板型太阳能集热器采用高吸收率及低发射率的真空磁控溅射涂层，产品的热性能有很大提升；3)以平板型集热器为主体的家用太阳能热水器和公用太阳能热水系统，无论从整体外形、结构强度，还是从安装调试、维护保养等各个角度考虑，平板型集热器都最适合实现太阳能与建筑相结合，因而也是最受建筑设计师欢迎的产品。同时，平板型太阳能集热器还能代替传统建筑物的屋顶和屋面，显著降低成本。

1.3两种太阳能集热器的比较

从实现太阳热水器与建筑一体化的前景上看，全玻璃真空管型太阳能热水器显然无法跟平板型太阳能热水器相抗衡。

平板型太阳能热水器的平均日效率在48%～58%之间，全玻璃真空管型太阳能热水器的平均日效率在45%～55%之间。平板型太阳能热水器的热效率比全玻璃真空管型太阳能热水器高约5%。即使在南方的冬季，相同条件下，平板型太阳能热水器的平均日效率也比全玻璃真空管型太阳能热水器约高4%。所以一年之中，在相同条件下，平板型热水器能提供更多的热水，即使是在寒冷的冬季，使用平板型热水器也能得到不错的效果。

2　平板集热系统的发展前景及技术革新方向

近年来，由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水及热水工程不能承压运行等问题，直插式全玻璃真空管型集热器在实际中的使用受到限制。全玻璃真空管型太阳能热水器使用中存在的问题使人们把目光转向了平板型太阳能集热器，于是，平板型太阳能集热器得到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板型太阳能集热器及热水器的高效涂层、高透光率盖板及密封保温等技术已达到较高水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。我国平板型太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景，其优势是易与建筑有机结合，且十分可靠，并且最利于实现太阳能热水器与建筑相结合[3]。市场常见的平板型太阳能集热系统是集热器和储热水箱分开安装，中间连接管路存在热量损失，且易受安装条件限制。新型平板一体机的问世解决了此类问题，集合了热管集热器与平板太阳能集热两大系统的优点，集成一体安装，效率高，免维护。

表1　不同类型平板型集热器对比

2.1平板型太阳能集热器关键技术革新方向

国内的普通平板型集热器采用的是阳极氧化或镀黑铬的涂层，吸收率约为92%，发射率约为15%；吸收层易老化脱落，寿命短，一般在5年之内；由于发射比高，在冬天环境温度低时，热性能效率低下，极大影响了集热效果，不能满足客户及市场发展的需要。热性能不高、生产效率低下、产品成本高等因素制约了平板型集热器和热水器的快速发展。

本新型平板太阳能系统平板型集热器吸取国内外先进经验与产品优势，具备如下创新：

1)系统采用的是超级蓝膜磁控溅射技术，其原理为：电子在电场作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片；氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜；二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。板芯吸收率高达97%，红外发射率仅有5%，具有高吸收率低发射率的特点。

2)成功引进了欧洲具有顶尖国际水平的制造技术和经验，打造出一条具有自主知识产权的平板型太阳能热水器自动化生产线，较国内生产线，自动化程度及生产效率更高。采用先进的加工设备并不断创新生产工艺，在保证提供高性能集热器的前提下减少生产成本。

图1　铜管自动加工图

3)采用高透过率低反射率的新型玻璃盖板，使采光效率更高。采用高效低铁玻璃，可见光直透率高达94%，太阳光直透率高达91.5%。

图2　集热器剖面示意图

2.2平板型太阳能集热系统关键技术革新方向

1)集热器与水箱集成一体化，热管集热器与平板系统一体化。热管型平板集热器吸热芯片由光面条带改为带有压制波纹的吸热翅片，有利于提高吸热效率。吹胀式吸热翅片中间的吹胀孔方便热管的现场安装，同时也增加了吸热翅片与热管的接触面积，有利于提高传热效率。热管与水箱间的密封组件下端通过热管端密封件和密封金属环与热管形成密封，水箱端密封件与热管安装管座螺纹连接，在保证密封效果的前提下，方便现场安装，减少了产品成本。

热管型平板集热器出厂时，为平板型集热器箱体与热管结构是完全分离的。可现场装配的热管型平板集热器箱体为带有透光性良好玻璃盖板的金属材质或木质的密闭箱体，箱体内装有吹胀式吸热翅片制作成的吸热板芯，并被内部固定装置固定；集热器箱体内除透光玻璃盖板面外，其于各面内壁均覆敷有保温材料，以减少热量损失；在集热器箱体的一端与吹胀式吸热翅片中间吹胀孔中心轴线对正的位置开有供热管现场插装的安装孔，安装孔上装有孔密封件。

图3　热管型平板集热系统图

现场安装时，将支架及水箱装配完毕后，将热管通过平板型集热器箱体一端已装上孔密封件的安装孔，准确插入平板型集热器内的吹胀式吸热翅片中间的吹胀孔内；将密封组件的热管端密封件、金属密封环、水箱端密封件依次套装于平板型集热器箱体外侧的热管上；将已装于平板型集热器箱体上的热管露在外部的一端对正水箱上的热管安装管座孔，准确将露在外部的热管插入水箱斜下部的安装管座内；将水箱端密封件与水箱上的热管安装管座旋紧，将金属密封环拉上与水箱端密封件良好接触，将热管端密封件与水箱端密封件旋紧即可。

2)储热水箱双腔内胆结构是由内外两个内胆的双循环承压系统构成，通过外层介质内胆和外部集热器连接，由介质吸收集热器收集的热量后，与内层内胆里的自来水进行热交换，从而达到加热用水的目的。双腔内胆设计特殊，换热面积大，加速热交换，让热水迅速升温；全封闭循环换热，安全高效；同时，外层介质内胆上部留有一个膨胀空腔，用来平衡因导热介质膨胀产生的压力，取代了分体强制循环系统的膨胀罐。

图4　储热水箱剖面示意图

2.3平板型和真空管型集热器的效率对比

平板集热器的瞬时效率方程为：

真空管型集热器的瞬时效率方程为：

式中，Tm为集热器平均温度，℃；Ta为环境温度，℃；I为太阳辐射，m2/W。

对于相同的温差，平板型和真空管型集热器的效率不同，如图5所示。

图5　集热器效率对比图

3　结论

新型平板一体集热系统是热管型集热器和平板型系统的有机结合：利用热管成熟稳定的集热优势，集合平板型太阳能集热器、热水器的系统运行特点，一体化设计，提升了系统热性能，实现了太阳能热水系统免维护。该系统是太阳能集热系统市场应用的又一创新，对接下来国内外太阳能集热系统的研发和推广有着深远意义。

[1] 刘亚柯. 平板太阳能集热器空气夹层对流换热数字模拟与实测分析[D]. 西安：西安建筑科技大学, 2011.

[2] 管斌. 让太阳能和建筑融合起来[N]. 经济日报, 第16版, 2010-09-07.

[3] 郭晓洁. 太阳能热水系统与建筑一体化应用技术研究[D].上海: 同济大学, 2006.

2015-07-01

孙学斌(1976—)，男，工程师，主要从事太阳能热利用方向的研究。476267077@qq.com