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太阳能平板集热器现状和应用前景
时间: 2008年12月04日 来源:本站原创 作者: 佚名 浏览次数:

朱敦智 谢光明

(北京市太阳能研究所有限公司 北京 100083)

0.引言

  目前太阳能低温热利用所使用的集热器主要有平板集热器、真空管集热器和无盖板塑料集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的,但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。[1]

  平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型,其结构简单、运行可靠、成本适宜,还具有承压能力强、吸热面积大等特点,是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。

  根据IEA报告,截止到2004年底,平板型集热器占总市场份额的35%,真空管集热器占41%。世界各国太阳能集热器保有量前10名国家的太阳能集热器数量及类型如图1所示。


  图1 截止到2004年底液体工质太阳能集热器前10国保有量

  如果不统计无盖板的太阳能集热器,欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主,约占市场份额的90%;国内市场以真空管为主,2005年约占市场份额的87%,平板型集热器只占12% [3]。

  国内太阳能市场与世界太阳能市场主流出现如此反差有很多原因。随着太阳能在住宅建筑中的扩大应用,和适应太阳能与建筑结合要求,业界近年来对平板型集热器给予高度关注,充分认识到其固有的优势。很多企业和研究结构积极开展高效平板集热器的研究和产业化,促进平板型集热器从受冷遇迈向新的发展。

1.平板集热器现状

  国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右,有众多因素造成的:1)直接系统的平板热水器在冬季不能防冻,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。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挡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系统、分体式系统和闭式承压系统,这类系统一般初投资高,但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统,平板集热器体现出其自身的技术优势[4][5]: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)最有利用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。因此,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。

  目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出[6]:我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品,热损系数差别较大。这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距,因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能,开展高效平板太阳能集热器研发。尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合,集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。

2.平板集热器高效选择性涂层

  为了提高太阳集热器的效率,唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损。采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径[7]。

  随着太阳能热利用技术的发展,我国对选择性吸收材料的研究工作已有二十年的历史了。太阳集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。期间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、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。

  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,基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差,不适于平板集热器的使用。

  目前,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。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺。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。年生产能力为十几万平米,产品的光学性能及耐候性都很理想。        此外,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和连续生产方式进行吸收涂层生产的。

  真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题,涂层光学性能优良,但连续化生产线投资较大,涂层生产成本较高,有些真空镀膜涂层耐候性能不很理想。湿法镀膜技术采用电化学方法生产,工艺设计或生产控制不当,容易造成一定程度的污染,但涂层(如黑铬涂层)连续化生产线投资较小,涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能,是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

  北京市太阳能研究所有限公司于2003年开始黑铬选择涂层生产工艺的研究,于2004年建成国内第一条黑铬太阳能选择涂层连续化生产线,产品经检测[8]:涂层的吸收率α≥0.93,红外发射率ε≤0.10,性能达到国外平板太阳能集热器涂层先进水平。

  北京市太阳能研究所有限公司也开展耐候性涂层真空镀膜生产技术的研究。研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物的金属陶瓷选择性吸收涂层,为实现该膜层的生产,研制了一台三靶磁控溅射真空镀膜机并成功的进行了中试。通过小批量试生产制备出合格产品用于平板集热器。

  目前,国内多家研究结构和生产厂家均在开展用于平板集热器的高性能太阳能选择性涂层生产工艺和设备研究。因此与国外在太阳能选择性涂层方面的技术差距将会越来越小,这为国内平板集热器技术的提升打下基础。

3.平板集热器性能比较

  关于平板集热器太阳能系统,业界存在一些误解。其一是平板集热器太阳能系统四季全天候运行问题,很多人认为平板集热器太阳能系统不能在冬季运行,实际上这种观点是错误的。目前,平板集热器太阳能系统一般采用回流排空技术,在北方地区可方便地解决集热器过冬防冻问题,无集热器冻坏的后顾之忧,并且可以解决夏季(或热水负荷不匹配时)系统过热问题,这一特点对太阳能采暖系统非常有利。此外,回流排空防过热、防冻技术方案在荷兰等欧洲国家也大量使用,是一种非常成熟的技术方案[9]。

  另一个误解是平板集热器得热量问题,很多人认为平板集热器太阳能热水系统的得热量(或产水量)要低于真空管集热器热水系统,实际检测表明:采用黑铬选择涂层平板集热器热水系统产水量要高于相同总面积的真空管集热器热水系统[5]。测试结果如下:

  图2 黑铬选择涂层平板集热器和真空管集热器全年单位面积日均产水量比较

  从测试结果可以看出,在北京地区,高效平板集热器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的真空管集热器系统。其中一个重要原因是同等面积下真空管集热器采光面积要低于平板集热器采光面积。

4.平板集热器发展方向[4] [5]

  针对国内平板集热器与国外的技术和质量的差距,应采取以下措施提高平板集热器的性能和质量:

1)研究开发适用于平板太阳能集热器的选择性涂层,涂层应具有高吸收率、低红外发射率、优异的耐热耐湿耐候性能和适宜的加工成本;

2)广泛采用低铁高透过率盖板玻璃。目前已有多个玻璃厂家开始生产适用于太阳能集热器的低铁玻璃,国内外玻璃质量差距越来越小;

3)重视集热器的优化设计,改善制造工艺,保证结构的严密性,减小集热器的散热损失;

4)选用钢化玻璃作为集热器盖板,提高集热器部件质量,采用优化结构设计,确保集热器可以经受防冰雹、淋雨、空晒、耐压、热冲击等性能试验,提高集热器寿命,减少系统维护费用;

5)为适应寒冷地区、太阳能采暖和空调以及工业加热等特殊要求,应开发高效平板集热器。尽快使双层盖板和透明蜂窝等技术产业化,并提高其性价比,使高效平板集热器有较强市场竞争力;

6)跟踪国外平板集热器先进技术和工艺,开发新型平板集热器太阳能系统,提高平板集热器市场占有率。

5.结语

1)平板集热器结构简单、运行可靠、成本适宜,还具有承压能力强、吸热面积大等特点,最有利于实现太阳能系统与建筑结合;

2)采用回流排空技术,平板集热器太阳能系统可以方便地解决防冻和防过热等技术难点;

3)高效平板集热器太阳能系统在同等面积前提下与真空管太阳能系统相比,可以提供更多生活热水;

4)国内平板集热器性能和质量与国外的产品相比,仍存在一定差距。在选择性涂层、盖板玻璃、优化设计和生产工艺等方面有待于进一步提高。

6.致谢

  文中引用了何梓年、杨德山等人的观点和数据,在此表示感谢。

 
参考文献:

[1] 李锦堂,20世纪太阳能科技发展的回顾与展望[J].太阳能学报(特刊),1999,10:1-14

[2]IEA, Solar Heating Worldwide, Markets and contribution to the energy supply 2004, IEA Solar Heating & Cooling Programme, March 2006.

[3] 霍志臣,罗振涛,平板太阳能热水器发展概况[J].新能源市场,2006,10

[4] 何梓年,充分发挥平板太阳能热水器的技术优势[J].新能源市场,2006,10

[5] 杨德山,平板型太阳能集热器应用技术发展状况[J].新能源市场,2006,10

[6] 何涛,张磊,太阳能集热器瞬时效率[J].新能源市场,2006,10

[7] 谢光明,平板型太阳集热器上吸收与透过材料的进展

[8] 李鹏,连续化太阳能选择吸收性黑铬涂层的研究与应用,项目验收报告,北京市太阳能研究所有限公司,2005

[9]Jean-Marc Suter,Thomas Ltz,Werner Weiss,Jurg Inabnit,Solar Combisystems, Overview 2000,IEA SHC-TASK26

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