研究玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器發(fā)展

摘要：玻璃真空管結(jié)構(gòu)如同一個(gè)拉長(zhǎng)的暖瓶膽，內(nèi)外層之間為真空，在內(nèi)玻璃管的表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來(lái)最大限度地吸收太陽(yáng)輻射能，經(jīng)陽(yáng)光照射，光子撞擊涂層，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能；由于兩層玻璃之間真空狀態(tài)、高效的吸收膜和反射膜的存在，致使玻璃真空管的吸熱效率可達(dá)93％以上，自身保溫效果極佳，空曬溫度可達(dá)280℃以上。 　　 0引言 　　太陽(yáng)能玻璃真空管是中國(guó)人在新能源探索與實(shí)踐中的驕傲。它成就了中國(guó)光熱產(chǎn)業(yè)，我們只用了十年時(shí)間就建立起了世界太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)體系，走完了西方發(fā)達(dá)國(guó)家需要30年甚至60年才能走完的工業(yè)化之路。所有這些成功，我們不得不感謝太陽(yáng)能玻璃真空管。 　　1真空管式太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展 　　太陽(yáng)能玻璃真空管大于93％的吸熱效率，低于6％熱損失，以十幾元的成本，換來(lái)的卻是在其整個(gè)生命周期內(nèi)約900kWh的熱能（壽命15 年計(jì)），若用電直接產(chǎn)生1kWh熱能的約需0.6 元錢(qián)的話，這根真空管可帶來(lái)約540元的收益。簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以清楚地說(shuō)明太陽(yáng)能玻璃真空管的技術(shù)商業(yè)價(jià)值，在太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域，及至擴(kuò)大到整個(gè)新能源領(lǐng)域，它的生命力與擴(kuò)張性是無(wú)法阻擋的。 　　當(dāng)然，太陽(yáng)能玻璃真空管的成功不僅僅是因?yàn)樗男詢r(jià)比，十幾年前農(nóng)村與三四線城市對(duì)熱水的需求與滿足需求產(chǎn)品的空缺也是造就太陽(yáng)能玻璃真空管的成功至關(guān)重要的因素，十幾年前的農(nóng)村與三四線城市電力設(shè)施非常脆弱，甚至沒(méi)有，帶壓的自來(lái)水管網(wǎng)相對(duì)較少，燃?xì)夤芫W(wǎng)更是稀少，老百姓在春、秋與冬天一般一年去浴室洗一次或兩次澡，用點(diǎn)熱水是比較困難的事，家里用火燒一點(diǎn)熱水也主要用于飲用，燃?xì)鉄崴?/strong>無(wú)法工作，電熱水器由于沒(méi)有水壓、水質(zhì)差、安全等問(wèn)題也不好應(yīng)用，平板太陽(yáng)能更是無(wú)用武之地，這樣的生活狀態(tài)為太陽(yáng)能玻璃真空管式太陽(yáng)能提供了市場(chǎng)機(jī)會(huì)，整體式太陽(yáng)能玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)水質(zhì)、水壓要求低，對(duì)電力沒(méi)有依賴性，預(yù)貯存一箱水，太陽(yáng)升起，真空管把真空管內(nèi)水加熱，被加熱的水在熱對(duì)流的作用下，使水箱水加熱，熱水靠重力的作用流下來(lái)使用。 　　2真空管式太陽(yáng)能熱水器的瓶頸 　　十幾年過(guò)去了，人們的生活條件整體提高了，大多城市都有了穩(wěn)定的電力供應(yīng)和帶壓的自來(lái)水管網(wǎng)系統(tǒng)，甚至也有相當(dāng)部分的農(nóng)村具有穩(wěn)定的電力供應(yīng)和帶壓的自來(lái)水管網(wǎng)系統(tǒng)，但燃?xì)夤芫W(wǎng)相對(duì)還比較少。高安全性、高品質(zhì)熱水的太陽(yáng)能熱水器已成為人們需求的方向。 　　真空管式太陽(yáng)能熱水器為滿足這種需求也做了很多改變，比如相繼誕生了分體承壓熱管式太陽(yáng)能熱水器、分體承壓U 型管式太陽(yáng)能熱水器及最新的“歐克”同心管式承壓太陽(yáng)能熱水器，承壓已成為太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的方向，這一點(diǎn)和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能熱水器的要求是一致的。從目前來(lái)看，只有承壓系統(tǒng)才比較附合現(xiàn)代生活熱水應(yīng)用習(xí)慣，這種熱水應(yīng)用習(xí)慣與其它種類熱水器（電熱水器、燃?xì)鉄崴鳎┑拇嬖谑怯嘘P(guān)系的。電力與水力設(shè)施的逐步完善，使電熱水器、燃?xì)鉄崴鲬?yīng)用更加方便，應(yīng)用人群更加廣泛，太陽(yáng)能熱水器已不再是用戶的必需的選擇（在拋開(kāi)政府強(qiáng)制與環(huán)保的考慮下），也就是說(shuō)，今后太陽(yáng)能熱水器生存的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該為：至少能提供如電熱水器、燃?xì)鉄崴魍瑯拥臒崴焚|(zhì)，綜合熱水成本低的產(chǎn)品。再加之太陽(yáng)能需要和建筑結(jié)合這一問(wèn)題，事實(shí)上，現(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)熱水器提出了更高的要求。 　　當(dāng)然，我們很多以真空管熱水器為主企業(yè)還有一些農(nóng)村或三四線城市的市場(chǎng)，再加之政府的支持及環(huán)保理念的推廣，大多企業(yè)還在發(fā)展，但我們也應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到，市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始有很大的變化。平板太陽(yáng)能的銷售在急劇上升，行業(yè)已經(jīng)開(kāi)紿出現(xiàn)清理整頓的跡象。 　　平板太陽(yáng)能銷售的增長(zhǎng)，其實(shí)正說(shuō)明消費(fèi)者對(duì)環(huán)保、安全、高品質(zhì)熱水的需求，在此要再特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，環(huán)保是我們這個(gè)行業(yè)沉淀下來(lái)最珍貴的東西，我們無(wú)論如何不能因其它的問(wèn)題而毀了它。 　　玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器我們發(fā)展了十幾年，但我們可以提供安全、高品質(zhì)熱水的熱水系統(tǒng)卻不多，尤其是針對(duì)現(xiàn)代家庭，玻璃真空管式太陽(yáng)能承壓熱水系統(tǒng)在整個(gè)行業(yè)占3％都不到，即使在大品牌公司內(nèi)，也基本不超過(guò)10％，玻璃真空管式太陽(yáng)能承壓熱水系統(tǒng)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)低于平板太陽(yáng)能承壓熱水系統(tǒng)的增長(zhǎng)速度。 　　3 克服“過(guò)熱”將為太陽(yáng)能真空管提供發(fā)展機(jī)會(huì) 　　3.1 真空玻璃管存在的問(wèn)題 　　1、太陽(yáng)能真空玻璃管式太陽(yáng)能熱水器必須實(shí)現(xiàn)安全、舒適、性價(jià)比高的承壓熱水系統(tǒng)。 　　只有安全、舒適、高性價(jià)比的熱水系統(tǒng)才是打動(dòng)消費(fèi)者的主牌，節(jié)能、環(huán)保將是它打動(dòng)消費(fèi)者的一手好的副牌。 　　2、當(dāng)前的真空玻璃管式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)大多還存在可能的“過(guò)熱”、較高的成本、系統(tǒng)的復(fù)雜等問(wèn)題。 　　3.2 太陽(yáng)能熱水器“過(guò)熱問(wèn)題” 　　真空玻璃管吸熱率高、散熱率低，致使其自身溫度可高達(dá)280℃以上。太陽(yáng)能熱水器最大不同于電熱水器或燃?xì)鉄崴鞯牡胤剑簝?yōu)點(diǎn)是太陽(yáng)能熱水器利用的能源是清潔的、免費(fèi)的；缺點(diǎn)為太陽(yáng)能具有不連續(xù)性和不可控性，你需要時(shí)它可能沒(méi)有，你不需要時(shí)，它可能給你很多。只要太陽(yáng)升起，太陽(yáng)能真空管就會(huì)自動(dòng)收集熱量，但這些熱量如果你沒(méi)有及時(shí)用掉（也許是因你離家旅游、也許是因你換房空置等），這些熱量若沒(méi)有辦法及時(shí)的散失掉，熱量就會(huì)累積，溫度就會(huì)上升。如果溫度上升超過(guò)100度，非承壓的太陽(yáng)能熱水器就會(huì)“開(kāi)鍋”，產(chǎn)生水蒸汽排掉散熱；承壓系統(tǒng)的水壓就會(huì)隨溫度升高而逐漸增大，常規(guī)的承壓系統(tǒng)一般通過(guò)排水泄壓降溫散熱。但系統(tǒng)因各種原因沒(méi)有了水的存在（比如因系統(tǒng)泄漏，比如我們離家時(shí)為了家里水系統(tǒng)的安全而關(guān)閉了水閥等），真空管式太陽(yáng)能熱水器溫度會(huì)升高至系統(tǒng)無(wú)法承受的狀態(tài)而至使系統(tǒng)損壞，尤其是承壓分體系統(tǒng)，系統(tǒng)也可能因控制、傳感器、循環(huán)泵等故障而不能及時(shí)把熱量傳入水箱，集熱器部分溫度會(huì)短時(shí)間內(nèi)就可升至系統(tǒng)無(wú)法承受的程度。 　　如果有一個(gè)辦法能讓太陽(yáng)能真空管在任何情況下最高溫度都不超過(guò)200℃，那這個(gè)辦法就是太陽(yáng)能真空管獲得新生的關(guān)鍵技術(shù)。但這個(gè)技術(shù)不能以降低太陽(yáng)能真空管的熱性能、降低太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的舒適性、增加過(guò)多的成本、減少熱水器的適用范圍為代價(jià)。 　　為什么會(huì)定義最高溫度不超過(guò)200℃。我們知道：1、太陽(yáng)能熱水器密封件大多用的硅橡膠，硅橡膠使用溫度最好不要超過(guò)200℃；2、分體太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)一般用乙二醇、丙三醇水溶液或?qū)嵊妥鰹檠h(huán)傳熱介質(zhì)，乙二醇、丙三醇或油在200℃會(huì)發(fā)生碳化反應(yīng)。 　　4為解決“過(guò)熱問(wèn)題”用過(guò)的方法 　　試看一下，我們現(xiàn)在都用了什么辦法試圖去解決因太陽(yáng)能真空管的高溫而產(chǎn)生的過(guò)熱問(wèn)題。 　　辦法1：系統(tǒng)非承壓： 　　開(kāi)口系統(tǒng)，這是我們大多傳統(tǒng)真空管式太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)，有一根直通大氣，當(dāng)太陽(yáng)能過(guò)多時(shí)，也就是太陽(yáng)能超過(guò)100℃，水箱里的水“開(kāi)鍋”，排出蒸汽散熱。 　　但這種系統(tǒng)存在的問(wèn)題為： 　　A.降低了系統(tǒng)的舒適性。非承壓的系統(tǒng)會(huì)給用戶帶來(lái)因水壓不均衡而造成的水溫波動(dòng)問(wèn)題； 　　B. 降低了熱水器的適用范圍：這種熱水器只能安裝于更高處； 　　C.沒(méi)有徹底解決“過(guò)熱”問(wèn)題，當(dāng)熱水器斷水時(shí)，系統(tǒng)仍會(huì)出過(guò)熱問(wèn)題。 　　辦法2：承壓系統(tǒng)采用T/P閥： 　　T/P閥，即溫度/ 壓力安全閥，該閥的功能是當(dāng)溫度超過(guò)或壓力超過(guò)設(shè)定的域值時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，一般域值溫度為99℃，壓力0.6MPa。 　　當(dāng)前，絕大多數(shù)承壓太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)將該閥安裝在水箱上，做為真空管式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)防“過(guò)熱”的主要手段。 　　T/P閥是實(shí)現(xiàn)真空管式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)防“過(guò)熱”的成本較低的可行手段，但這種可行性是有兩個(gè)前提條件的：一是該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不能斷水，顯然這一點(diǎn)是難以做到絕對(duì)的可靠，系統(tǒng)內(nèi)缺水是有可能發(fā)生的（房屋長(zhǎng)時(shí)間空置是要斷開(kāi)水路）；二是該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)要求集熱器的熱量能夠可靠的轉(zhuǎn)移到水箱內(nèi)。 　　當(dāng)前承壓型的真空管式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要為兩類，一類為自然循環(huán)式的，另一類為強(qiáng)制循環(huán)式的。自然循環(huán)式系統(tǒng)的可以相對(duì)可靠的將集熱器的熱量轉(zhuǎn)移到水箱內(nèi)，但這種系統(tǒng)安裝與應(yīng)用非常受限，一般只能屋頂或陽(yáng)臺(tái)安裝。強(qiáng)制循環(huán)的真空管式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是很難較好的保證集熱器的熱量可靠的轉(zhuǎn)移到水箱去，傳感器、控制器、循環(huán)泵等故障均會(huì)造成集熱器的熱量無(wú)法轉(zhuǎn)移到水箱。 　　辦法3：遮陽(yáng)措施： 　　在系統(tǒng)可能過(guò)熱時(shí)，去人為遮陽(yáng)或被動(dòng)自動(dòng)遮陽(yáng)。遮陽(yáng)即為在集熱器的表面用一覆蓋物檔住陽(yáng)光，防止真空管繼續(xù)吸熱，以防止太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)“過(guò)熱”一種為人為遮陽(yáng)，在長(zhǎng)期不用時(shí)，人為采取措施將太陽(yáng)能集熱器上面的陽(yáng)光遮擋，這種方式給消費(fèi)者帶來(lái)不安全感與麻煩。 　　另一種被動(dòng)自動(dòng)遮陽(yáng)，當(dāng)感知太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)溫度過(guò)高進(jìn)，遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)行，遮住陽(yáng)光，這方式的可靠性不高，遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)的故障不能保證不發(fā)生。 　　辦法4：改進(jìn)太陽(yáng)能真空玻璃管，使之具有低溫區(qū)仍具有高效吸熱的性能，高溫區(qū)具有較差的吸熱性能： 　　這種方法在技術(shù)實(shí)現(xiàn)有一定的難度，迄今為止還沒(méi)有成功過(guò)，主要是降低了高溫區(qū)的性能，隨之而來(lái)的高溫區(qū)性能下被下降。 　　研究人員試圖在真空管的內(nèi)表面涂覆可變色的的涂層，低溫時(shí)，該膜具有好的吸熱特性，高溫時(shí)，該膜顏色變淺，吸熱性能變差。但可惜的是這種類型的涂層的壽命無(wú)法保證長(zhǎng)效。 　　另一種方法研究人員試圖在雙玻璃層內(nèi)添加某種物質(zhì)，使之在低溫時(shí)具有極低的蒸氣壓，而在溫度較高時(shí)，具有較高的蒸氣壓，即在高溫區(qū)時(shí)雙玻璃管內(nèi)真空度下降，從而增加真空管在高溫區(qū)的散熱效果，但這種方式難點(diǎn)在于，第一這種物質(zhì)比較難以尋找到，第二真空管在工作時(shí)，內(nèi)表面溫度高，外層管溫度較低，物質(zhì)蒸發(fā)后會(huì)冷凝在外表面上，造成真空管失效。 　　5解決“過(guò)熱”未來(lái)之路 　　換一個(gè)角度思考問(wèn)題。我們都知道有一個(gè)現(xiàn)象：內(nèi)陸地區(qū)，尤其是沙漠地區(qū)，晝夜溫差極大，就象我國(guó)的新疆“早穿皮襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜”；而在沿海地區(qū)，晝夜溫差相對(duì)較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因是地表的“熱容”不同，沙漠地區(qū)地表的“熱容”較小，貯存太陽(yáng)能熱的能力較差，有太陽(yáng)，溫度上升就快，沒(méi)太陽(yáng)，溫度下降也快，造成晝夜溫差較大；而沒(méi)海地區(qū)，地表的“熱容”相對(duì)較大，升降溫均比較慢，晝夜溫差也相對(duì)較小。 　　同樣的道理，如果增加太陽(yáng)能真空管的熱容，也會(huì)降低太陽(yáng)能真空管的最高溫度。 　　太陽(yáng)能雖然不具有連續(xù)性和可控性，但太陽(yáng)會(huì)早上升起，傍晚落下，日復(fù)一日，年復(fù)一年，重復(fù)著這一過(guò)程，這種規(guī)律可為我們實(shí)現(xiàn)降低太陽(yáng)能真空管最高溫度提供了可能。 　　太陽(yáng)能在白天輻照強(qiáng)度接近一個(gè)正態(tài)分布曲線，太陽(yáng)光輻射較強(qiáng)的是從上午9點(diǎn)到下午4點(diǎn)，最強(qiáng)主要出現(xiàn)在正午11點(diǎn)～15點(diǎn)間，太陽(yáng)能真空管的最高溫度也出現(xiàn)在這一時(shí)間段，如果有一個(gè)辦法可以增加太陽(yáng)能真空管內(nèi)的熱容，使太陽(yáng)能真空管能夠熬過(guò)正午11點(diǎn)～15點(diǎn)間，15點(diǎn)以后太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度已經(jīng)不足，太陽(yáng)能真空管內(nèi)的溫度也就不至于上升過(guò)高。 　　所以增加太陽(yáng)能真空管內(nèi)的熱容是可能降低真空管的瞬時(shí)高溫。但以這種方法能夠成功實(shí)現(xiàn)降低真空管的瞬時(shí)高溫還需要兩個(gè)條件：一為太陽(yáng)能真空管內(nèi)的熱容必然足夠大；二為每天早上太陽(yáng)真空管內(nèi)的熱量要處于比較低的水平，也就是說(shuō)晚上太陽(yáng)能真空管要散去足夠多的能量，為第二天接受新的太陽(yáng)能準(zhǔn)備好空間余量。 　　這種方法帶來(lái)的一個(gè)缺點(diǎn)為：晚上太陽(yáng)能真空管需要散去一定的熱量。在這里，我們很有必要討論一下這個(gè)缺點(diǎn)是否可以被接受。換句話說(shuō)，在太陽(yáng)能熱水應(yīng)用領(lǐng)域，我們到底應(yīng)該如何利用太陽(yáng)能，因?yàn)楝F(xiàn)行的行業(yè)內(nèi)的能效標(biāo)準(zhǔn)有可能會(huì)誤導(dǎo)太陽(yáng)能熱水領(lǐng)域的發(fā)展。（上海筑能環(huán)境科技有限公司蘇樹(shù)強(qiáng)）