探討密閉呼吸型平板太陽(yáng)能集熱器（上）

摘要 分析現(xiàn)有平板集熱器腔體結(jié)構(gòu)缺陷，提出密閉呼吸型腔體結(jié)構(gòu)技術(shù)理念，給出密閉呼吸型平板太陽(yáng)能集熱器的技術(shù)解決方案。 　　0引言 　　平板太陽(yáng)能集熱器的物理模型可抽象為一個(gè)腔體圍護(hù)著一個(gè)集熱體，該集熱體通過對(duì)太陽(yáng)輻射的透過、吸收、傳熱和絕熱，由液體或氣體介質(zhì)得到其有效熱量。對(duì)于這樣的平板太陽(yáng)能集熱器，其熱工理論十分經(jīng)典和完美，試驗(yàn)方法也很成熟和完善；在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家中，由于透過及吸收材料的高性能和雙回路的應(yīng)用克服了平板集熱器不能抗凍的缺陷，使平板集熱器成為高效可靠的熱利用核心基礎(chǔ)器件而得到廣泛的應(yīng)用，其份額占到90%以上；在我國(guó)，隨著建筑相結(jié)合和工程化應(yīng)用的迅猛需要，平板集熱器也快速發(fā)展，近幾年隨著透過、吸收材料和板芯焊接技術(shù)的進(jìn)步，平板集熱器集熱體的質(zhì)量普遍得到大幅提高。 　　然而與大家共同關(guān)注集熱體材料、結(jié)構(gòu)和性能提高并卓有成效的同時(shí)，平板集熱器的圍護(hù)腔體卻相對(duì)少被關(guān)切，造成目前集熱腔體普遍不密閉的現(xiàn)實(shí)，所以國(guó)內(nèi)外平板集熱器的產(chǎn)品要求與使用方法標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款也不得不按非密閉集熱器作為對(duì)象來進(jìn)行編寫，如淋雨試驗(yàn)、歐標(biāo)特有的負(fù)壓試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)方法等。對(duì)因此而帶來的問題，如水霧，吸收表面白斑等明顯可見的現(xiàn)象，已引起國(guó)內(nèi)外同行的注意，這些與次生效應(yīng)一起會(huì)對(duì)集熱器的集熱體取得的熱性能和可靠性產(chǎn)生不良影響和惡劣后果，已有不少企業(yè)對(duì)此采取對(duì)策以圖改進(jìn)，但只是一些零散的作法，如簡(jiǎn)單地加個(gè)透氣管等，總體還處于迷茫和摸索階段。 　　丹麥學(xué)者10年研究結(jié)果認(rèn)為，如集熱器密封良好，其涂層壽命可達(dá)30～40年，否則只有5～10年?？梢娖桨寮療崞鞯拿荛]是何等的重要。筆者為此進(jìn)行了近三年的工作，對(duì)此有了一些初步系統(tǒng)完整的理念、方法和結(jié)果，認(rèn)識(shí)到要解決好平板集熱器圍護(hù)腔體的問題，總結(jié)起來就是個(gè)八個(gè)字：腔體密閉；可控呼吸。故本文暫不涉及集熱體熱性能提高問題，僅就集熱腔體進(jìn)行闡述，以就教于同行和交流，其中基礎(chǔ)核心技術(shù)已申請(qǐng)和受理了專利。 　　1平板集熱腔體的缺陷與問題 　　1.1平板集熱腔體缺陷的實(shí)質(zhì)性分析 　　平板集熱器腔體缺陷的一個(gè)最普遍最直觀的表象就是水霧，它是水分受熱蒸發(fā)，遇冷凝結(jié)為彌漫的水珠而形成的；這種水分的來源有三個(gè)： 　　1.殘余水分：集熱腔體內(nèi)的材料（特別是絕熱材料）因與環(huán)境濕度平衡后所吸收的平衡水分在其被封裝時(shí)帶入腔體內(nèi)，在潮濕地區(qū)（如我國(guó)的兩廣和江浙）此種殘余水分就會(huì)更多，而在干燥地區(qū)（如我國(guó)的西北和內(nèi)蒙古）相對(duì)就會(huì)好一些； 　　2.滲入水分：因集熱腔體的不密閉而由外部滲入的水分，如雨水； 　　3.返潮水分：在潮濕環(huán)境下（如潮濕地區(qū)或雨季）因內(nèi)外濕度差（外部濕度大，內(nèi)部濕度?。┬纬傻膬?nèi)部材料吸濕而產(chǎn)生的水分增加，實(shí)際也是為平衡濕度而形成的平衡水分。 　　此種水分侵襲都是外部環(huán)境因素所造成的，是謂外因，外因要通過內(nèi)因才能起作用，這個(gè)內(nèi)因就是集熱腔體的不密閉，正是這種條件產(chǎn)生了外部水分的滲入和返潮；當(dāng)然這個(gè)不密閉也有它的優(yōu)點(diǎn)，就是不密閉所形成的縫隙具有呼吸功能，本來借此可將腔體內(nèi)部的水分經(jīng)受熱蒸發(fā)后變成水汽呼出的，但因此種縫隙的大小是不可預(yù)見和不可控制的，當(dāng)縫隙大時(shí)可將殘余水分排出，反之，則不足以排除水分，就又會(huì)有水霧出現(xiàn)；對(duì)此國(guó)內(nèi)外普遍采用簡(jiǎn)單加裝透氣管的作法，也有能將第一次的殘余水分排出的效果，然而也正是這個(gè)透氣管又人為的開通了后續(xù)的滲水、返潮通道； 　　其實(shí)環(huán)境因素的侵襲，還有粉塵、霧霾、二氧化硫、氮氧化物、酸雨等，它們都會(huì)直接或間接通過水分造成次生危害，國(guó)內(nèi)曾報(bào)道：一場(chǎng)罕見的大范圍霧霾籠罩著我國(guó)，已陸續(xù)有25個(gè)省份、100多座大中城市不同程度出現(xiàn)霧霾天氣，覆蓋了我國(guó)將近一半的國(guó)土?？梢姺敲荛]平板集熱器也難逃其災(zāi)，因而集熱腔體必須是密閉的，只有如此才能拒環(huán)境危害于集熱腔體之外，為集熱器的集熱體創(chuàng)造一個(gè)干燥良好的運(yùn)行環(huán)境，這就是我們對(duì)集熱腔體的第一認(rèn)識(shí)。 　　1.2非密閉腔體帶來的問題 　　因集熱腔體的不密閉而受到環(huán)境影響，會(huì)帶來一系列問題。 　　1.水霧：已如前述，是由內(nèi)部水分所產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象特別的出現(xiàn)在早上，不單影響太陽(yáng)輻射的透過，也加大了頂部空氣夾層的對(duì)流熱損失，而更嚴(yán)重的是水遇到腐蝕性氣體后還會(huì)引起更多的次生危害。 　　水霧情況見圖1所示。 　　2.滲灰：大氣中的粉塵、細(xì)灰、霧霾等顆粒物通過腔體上的縫隙會(huì)無孔不入地滲入腔體以內(nèi)并沉積覆蓋在特別是吸熱板的表面，影響其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收。 　　積灰情況如圖2所示。 　　3.絕熱受潮：絕熱材料多為多孔物質(zhì)，容易吸濕。水的導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的25倍，冰的導(dǎo)熱系數(shù)更大。材料吸濕后濕分占居了原被空氣充滿的部分氣孔空間，引起其有效導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高。研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/（m·K）的絕熱材料，吸取1%的水分后導(dǎo)熱系數(shù)增加25%，以后并按倍數(shù)增加。 　　4.吸收表面衰退：專業(yè)的研究實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為吸收表面在鹽霧實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生程度不同的腐蝕，不同吸收表面的耐鹽霧試驗(yàn)的能力也有差別，有試驗(yàn)介紹高質(zhì)量的黑鉻涂層能耐到120h，而輻射特性特別好的藍(lán)鈦涂層甚至只有6h；作為非專業(yè)的用戶也有自已直接使用的觀察和經(jīng)驗(yàn)，有企業(yè)的藍(lán)膜陽(yáng)臺(tái)集熱器在內(nèi)蒙古庫(kù)存一個(gè)冬季后，即發(fā)現(xiàn)吸收表面出現(xiàn)白斑。 　　見圖3所示，摘貼幾個(gè)代表性圖片。 圖3平板太陽(yáng)能集熱器吸收表面的腐蝕 　　對(duì)于其中的藍(lán)鈦膜的鹽霧試驗(yàn)結(jié)果和評(píng)價(jià)都有差別，但不爭(zhēng)的事實(shí)是藍(lán)鈦膜的輻射特性優(yōu)越，特別是其低發(fā)射比暫時(shí)還無可替代，而這又是中溫平板不可或缺的，但同時(shí)它的抗腐蝕能力確實(shí)又是薄弱的。 　　5.電化學(xué)腐蝕：只要有電位不同物質(zhì)且存在于電解質(zhì)溶液中，就是一個(gè)原電池，在有水有腐蝕氣體或顆粒物時(shí)，就能產(chǎn)生電解質(zhì)溶液，而集熱器內(nèi)的材料和物質(zhì)遠(yuǎn)不是單一的，特別是銅管鋁翅的吸熱體，他們之間電位差較大，銅是+0.521V，而鋁是-1.662V，而只要有酸性介質(zhì)，就會(huì)有析氫腐蝕，如有氧存在則不論酸性，甚至中性介質(zhì)，也都會(huì)有吸氧腐蝕；即使是單一金屬，他們之間的或者他們與沉積的灰層、垢層之間的縫隙都會(huì)因介質(zhì)的閉塞或濃差產(chǎn)生縫隙腐蝕，從而造成特別是吸熱體的損壞和失效；所以只要集熱腔體不密閉，就會(huì)有產(chǎn)生這些腐蝕介質(zhì)的條件，電化學(xué)腐蝕就是不可避免的。 　　1.3非密閉腔體帶來的最終不良后果 　　1.平板集熱器熱性能衰退惡化； 　　2.可靠性耐久性降低； 　　3.壽命縮短。 　　1.4現(xiàn)有平板集熱器標(biāo)準(zhǔn)的無奈 　　1.4.1現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平板集熱器的相關(guān)要求 　　1.中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：在GB/T6424-2007的6.1.9中要求：“淋雨后應(yīng)無滲水和破壞”； 　　2.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：在“Testmethodsforsolarcollectors-Part2：Qualificationtestprocedures”IS09806-2(太陽(yáng)能集熱器試驗(yàn)方法之二：質(zhì)量檢測(cè)過程)中提出需對(duì)集熱器的雨水滲透程度進(jìn)行實(shí)質(zhì)的評(píng)價(jià)，一般的不允許大雨和暴雨的進(jìn)入，集熱器上有氣孔和排水孔，但是不允許暴雨進(jìn)入的； 　　3.美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：在SRCCSTANDAD100中要求“腔體應(yīng)保證集熱器部件和保護(hù)內(nèi)部部件不受環(huán)境的損害”； 　　4.歐洲標(biāo)準(zhǔn)： 　　1）在歐標(biāo)EN12975-1-2006&EN12975-2-2006中的EN12975-1/A1要求“集熱器腔體應(yīng)是水密封的，以防雨水的滲透”； 　　2）EN12975-1/A1要求“集熱器腔體的結(jié)構(gòu)應(yīng)能排出冷凝水的積聚”； 　　3）EN12975-1/A1要求“集熱器蓋板在最大的滯止溫度下，也不會(huì)產(chǎn)生過分的應(yīng)力”； 　　4）EN12975-1/5.3.7要求“雨水滲透試驗(yàn)后水不應(yīng)有任何肉眼可見的水跡”； 　　5）EN12975-2/5.7.1要求“此測(cè)試僅僅適用于玻璃集熱器，以用來測(cè)定玻璃集熱器充分防止雨穿透的能力。通常它們不允許無論是小雨或是大風(fēng)雨的進(jìn)入。集熱器可有透氣孔或者排水孔，但它們都不允許雨的進(jìn)入”； 　　6）EN12975-2/5.9.2要求“集熱器負(fù)壓測(cè)試目的是為了評(píng)估集熱器蓋板和集熱器腔之間結(jié)合的抗強(qiáng)風(fēng)穩(wěn)固程度…此值至少為1kPa，不能有損壞和永久變形”。 　　1.4.2現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非平板集熱器的讓步 　　由于技術(shù)和成本上的原因，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)平板集熱器還 做不到密閉，出于無奈，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方法和相關(guān)要求作了讓步。 　　1.在GB/T6424-2007中所涉及淋雨試驗(yàn)是在集熱器傾角40毅，噴水量200kg/（m2·h），噴淋水與集熱器采光面之間的角度≥20°情況下進(jìn)行的，就是說噴淋方向只在采光面一側(cè)，而且是在140°的范圍，沒有要求任一方向，否則其平板集熱器幾乎會(huì)100%的滲水，甚至嚴(yán)重進(jìn)水。 　　2.歐洲標(biāo)準(zhǔn)： 　　1）在EN12975-2-2006中的試驗(yàn)方法（5.7.2）中提出的4h噴淋試驗(yàn)是在集熱器的暴露的一側(cè)進(jìn)行的，在這一實(shí)質(zhì)要點(diǎn)上和ISO標(biāo)準(zhǔn)截然不同，顯示對(duì)集熱器不密閉防水的現(xiàn)實(shí)作了讓步； 　　2）在EN12975-1－2006第一部分;試驗(yàn)方法的5.3.7中有表述，摘錄如下： 　　（1）按集熱器稱重確定的水量應(yīng)＜30g/m2； 　?。?）測(cè)量集熱器內(nèi)部濕度，出現(xiàn)以下任何一種情況即認(rèn)為試驗(yàn)失敗，即集熱器內(nèi)部肉眼可見水跡，或在測(cè)量過程中的任一時(shí)刻濕度潮過20g/kg,或濕度變?yōu)闇y(cè)試前的兩倍； 　?。?）被觀測(cè)的結(jié)霧程度應(yīng)小于透過蓋層面積的10%，且傾倒出的水不超過30g/m2。 　　2非密閉集熱腔體的結(jié)構(gòu) 　　2.1國(guó)內(nèi)代表性平板腔體 　　2.1.1組合式平板腔體 　　國(guó)內(nèi)的平板太陽(yáng)能集熱器，組合式占居絕大多數(shù)，且多以模仿再稍加變換而成，其代表性結(jié)構(gòu)基本是鋁型材組框，上部采用大斷面的橡膠密封條將透明蓋層玻璃與邊框之間的大縫隙堵住，底部則是背板插入邊框底部的插槽，以鉚接或壓合的方式使其結(jié)合，見圖4所示。 圖4國(guó)內(nèi)組合邊框代表結(jié)構(gòu) 　　2.1.2整體背板腔體（兩種邊緣結(jié)構(gòu)） 　　出于對(duì)背部密閉的考慮，人們自然想到以整體背板來代替原來的組合背筐方式，雖然要付出大型模具和高噸位壓力機(jī)的較高資金投入，但確實(shí)也能起到部分提高背筐密閉性的好處，其上口與玻璃的結(jié)合有凸緣和直邊兩種方式，見圖5所示。 圖5國(guó)內(nèi)整體背筐代表結(jié)構(gòu) 　　2.2國(guó)外典型組合式腔體（德國(guó)平板的分析與評(píng)價(jià)） 　　圖6給出幾個(gè)國(guó)外的平板集熱器代表結(jié)構(gòu)。 圖6國(guó)外組合邊框代表結(jié)構(gòu) 　　圖6-a所示RMsolar的結(jié)構(gòu)從概念上看基本與國(guó)內(nèi)的圖4-b類似，圖6-b即是前文所說的“國(guó)內(nèi)外普遍采用簡(jiǎn)單加裝透氣管的作法”，且稱為優(yōu)化的通氣開孔，可免除潮濕空氣在集熱器內(nèi)積聚；由此可見，國(guó)內(nèi)外平板同行都有相同的體驗(yàn)和經(jīng)歷，也就會(huì)有相同的結(jié)構(gòu)和對(duì)問題的處理方法。 　　圖6-c、圖-d所顯示的結(jié)構(gòu)表明對(duì)平板集熱器的結(jié)構(gòu)和問題有深入的思考，在該結(jié)構(gòu)中采用了封閉吸熱板與玻璃之間頂隙并充填惰性氣體氬氣的作法，這確實(shí)可以在頂隙中隔絕水汽并保護(hù)吸收表面不受腐蝕，是歐洲的藍(lán)膜使用壽面長(zhǎng)達(dá)30年以上的原因。 　　2.3對(duì)非密閉腔體結(jié)構(gòu)缺陷的分析 　　2.3.1對(duì)一個(gè)代表結(jié)構(gòu)滲水的分析 　　上述圖4、圖5、圖6的實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)其實(shí)類似，通過圖7的滲水路徑分析可見水分是如何進(jìn)入集熱器內(nèi)部的。 圖7代表腔體的滲水路徑分析 　　上述這些傳統(tǒng)腔體結(jié)構(gòu)，從腔體基本原理上進(jìn)入同一個(gè)誤區(qū)，就是上下兩個(gè)蓋層的外廓尺寸都小于腔體的外圍護(hù)邊界，這就留下了與外界連通的縫隙和通道，容易進(jìn)水，為此就需要用堵的辦法將其封閉。 　　如在圖4和圖6的a）中玻璃的外緣明顯的小于集熱器邊框外邊界，其造成的寬大縫隙采用加橡膠密封條的辦法予以填堵，背板插入邊框在背部設(shè)置的插口，當(dāng)間距又較大的鉚釘將其均布固定，結(jié)合面處存在裂開的大縫，而且該插口的外邊寬于內(nèi)邊，當(dāng)集熱器以一定的傾角工作時(shí)，流淌在背板上的水就會(huì)被引導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)腔，采用壓合的方法如不能保證壓合緊密，也仍會(huì)有類似問題。 　　同時(shí)橡膠密封條、壓條和邊框的45°長(zhǎng)切口的縫隙處的滲水會(huì)直接進(jìn)入腔體內(nèi)，而邊框邊界角部的切口更會(huì)使水很容易的進(jìn)入。圖7給出國(guó)內(nèi)代表性平板集熱器滲水分析。在RMsolar中，其蓋層和背板的外緣也是明顯的小于腔體邊界，雖在蓋層的結(jié)合面處和背板的加壓咬口處涂膠，但水仍會(huì)通過結(jié)合面上未覆蓋的45°線和邊框外界面上的切口繞道進(jìn)入。 　　2.3.2對(duì)現(xiàn)狀腔體結(jié)構(gòu)缺陷的分析總結(jié) 　　1.除整體背板外，一般的透明蓋板和背板的外沿總是小于集熱器邊框最外的圍護(hù)邊界； 　　2.蓋板與邊框形成的縫隙一般較大，總是用大斷面的橡膠密封條去堵住縫隙； 　　3.背板插入與邊框結(jié)合處的插槽，一般總是外槽邊比內(nèi)槽邊長(zhǎng)，滲水時(shí)易于將水向內(nèi)導(dǎo)入； 　　4.上述背板與插槽一般是用鉚釘固定連接，必然留下可滲透的縫隙； 　　5.若背板與插槽之間壓合，則必須使其緊密貼合，否則也會(huì)滲水，而且還不能保證45°角處的密封； 　　6.其邊框的45°角處的斷面結(jié)構(gòu)一般比較異型和復(fù)雜，需密封時(shí)甚為不便； 　　7.對(duì)于盒槽式整體背板，其蓋板與盒槽的外緣或立口之間的密封仍是不便的，用膠量較多和密封條斷面較大； 　　8.任何型式的集熱器如其集管密封圈不能防水，也不能成為全密閉的； 　　9.為防止水霧和保護(hù)吸收表面作成的熱保護(hù)玻璃會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本提高，而且由于頂隙的封合并不是真空意義上密閉，長(zhǎng)時(shí)間工作，有可能通過擴(kuò)散使氬氣被空氣所逐漸置換，同時(shí)在工作中，頂隙還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外壓不平衡而產(chǎn)生凸凹變化，從根本上講，如此也不能使吸熱板背部密閉； 　　10.一旦做成密閉的，又使其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，且失去原有非密閉集熱器可呼吸以自動(dòng)平衡內(nèi)外壓力的優(yōu)點(diǎn)，所以其解決方案也是不完善的。 　　3腔體密閉結(jié)構(gòu)的技術(shù)解決方案 　　3.1對(duì)密閉集熱腔體的技術(shù)要求 　　1.要具有標(biāo)準(zhǔn)所要求的剛度和強(qiáng)度； 　　2.至少應(yīng)能防止PM2.5微塵顆粒的進(jìn)入； 　　3.整機(jī)能承受水面下100mm的浸水抗?jié)B； 　　4.整機(jī)能承受1500Pa的正壓力； 　　5.整機(jī)能承受IP66所要求的強(qiáng)射水而不滲水。 　　3.2腔體密閉的理念、理論與方法 　　1.吸取大禹治水智慧，盡可能采用“疏”而不是“堵”的理念； 　　2.采用屋檐理論的生活常識(shí)，把水疏到集熱器圍護(hù)腔體邊界以外； 　　3.充分利用平面密封技術(shù)的方法。 　　3.3腔體密閉的技術(shù)解決方案 　　有了正確的理念、理論和方法后，技術(shù)就很簡(jiǎn)單明了，分?jǐn)⑷缦拢? 　　1.讓透明蓋板與背板的外廓均大于腔體圍護(hù)邊框的最外邊界； 　　2.使透明蓋板和背板與邊框的結(jié)合面均為平面密封面，從而可用膠接的方法將上下兩個(gè)結(jié)合面密閉； 　　3.并把邊框45°角的拼接部位簡(jiǎn)化取直，內(nèi)插角碼連接，并加外包角，在其均為平面的結(jié)合部位涂膠，使四角密閉； 　　圖8示出密閉結(jié)構(gòu)的總體概念。 　　4.用可防水集管密封圈解決集管與邊框之間的密閉見圖9； 　　5.為保證薄料背板的密閉效果，通過加強(qiáng)筋及其與邊框的結(jié)合，使其加強(qiáng)見圖10； 　　6.為進(jìn)一步強(qiáng)化背板，也為控制吸熱板芯，用可剖分管卡固定排管，并與加強(qiáng)筋連接見圖11； 　　4密閉平板集熱腔體的可控呼吸 　　4.1腔體單純密閉后的問題 　　密閉型平板集熱器雖因密閉而防水，卻會(huì)因此出現(xiàn)新的特有問題，這就是集熱器溫度升高時(shí)腔體壓力增加過大，正常運(yùn)行會(huì)在±20kPa，極端滯止溫度時(shí)，甚至?xí)_(dá)到60kPa，這將引起腔體的變形甚至破壞，故在EN12975-1/A1中要求“集熱器蓋板在最大的滯止溫度下，也不會(huì)產(chǎn)生過分的應(yīng)力”；當(dāng)其腔體溫度下降產(chǎn)生過大負(fù)壓（真空），在運(yùn)行范圍內(nèi)大約也是±20kPa左右，也會(huì)引起腔體的變形甚至破壞，對(duì)于這些正負(fù)壓帶來的產(chǎn)品安全問題需采取措施加以保護(hù)，即仍需要有呼吸來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓自動(dòng)平衡的目的，仍要有一個(gè)可呼吸的通道。 　　4.2可控呼吸的功能與作用 　　這個(gè)呼吸通道是可以防水的，但這一防水呼吸通道并不意味著它也能阻止灰塵和潮氣的進(jìn)入，這仍是個(gè)需要解決的問題，以防止吸塵、水霧和吸潮的發(fā)生，所以其呼吸應(yīng)是可控的，有一定功能要求的。 　　1.平板集熱器為了防滲水，必須是密閉的； 　　2.密閉后的平板集熱器，為了平衡運(yùn)行中產(chǎn)生的正負(fù)壓力，又還需要有可呼吸的通道，這個(gè)呼吸通道當(dāng)然仍應(yīng)該是防水的，繼續(xù)保持對(duì)水的密閉，也能透氣的； 　　3.有了防水透氣通道后，為了防止灰塵，它還需是可防塵的； 　　4.對(duì)于透氣通道，為了防止潮氣進(jìn)入，還要對(duì)其可抗潮的措施； 　　5.用吸濕性材料可阻止使其水分進(jìn)入內(nèi)部，但其再生溫度必須很低，應(yīng)是可； 　　6.因而密閉后的集熱器，再加入呼吸器，具有防滲水、可呼吸、防塵和抗潮的有序的可控呼吸器。 　　綜上所述，可見要達(dá)到需要的功能，具體要解決的是兩個(gè)問題： 　　1.防塵防水透氣問題； 　　2.抗潮問題，即能透氣呼出就可解決排濕，但同時(shí)，吸氣也會(huì)產(chǎn)生返潮，這一問題比較困難。而這又各種對(duì)應(yīng)著相關(guān)自已的材料。 　　4.3防塵防水透氣技術(shù)解決方案 　　4.3.1水分子（H2O）和水（（H2O）n） 　　為了說明概念，我們簡(jiǎn)單不完全準(zhǔn)確地認(rèn)為不可見水汽，已是單個(gè)的水分子，而可見的水汽，水霧都是液態(tài)水，可說是水分子的聚集態(tài)，我們就說是水。水分子的書寫：H2O，是由2個(gè)氫原子一個(gè)氧原子構(gòu)成的，是又小又簡(jiǎn)單的分子。它由兩個(gè)氫原子分別和一個(gè)氧原子鍵合成。 　　見圖12示出水分子（H2O和水（（H2O）n）的模型。 　　水分子的三個(gè)原子形成104.5度角。每個(gè)氫原子和氧原子之間的鍵，叫共價(jià)鍵，通過分享一對(duì)電子形成。應(yīng)當(dāng)指出，一對(duì)電子的共享程度并不均衡。氧比氫更需要電子（這種特性稱為負(fù)電性）。換言之，氫原子和氧原子鍵合時(shí)，在這個(gè)過程中共價(jià)電子主要在負(fù)電的氧原子周圍運(yùn)動(dòng)。因此，共價(jià)鍵氧的一側(cè)帶負(fù)電（-），氫的一側(cè)帶正電（+）。 　　因?yàn)槌式欠植?，因而分子不?duì)稱。在負(fù)電荷周圍，正電荷不均勻分布。作用不能相互抵消，兩者都有自己的電荷中心。分子有正負(fù)極。這是有極分子，化學(xué)家稱為偶極子。事實(shí)上，水分子是一種特殊的有極分子，其有極屬性比幾乎其他所有分子都明顯。 　　水分子因其有明顯的偶極子屬件而由穩(wěn)固的氫鍵（遠(yuǎn)比共價(jià)鍵結(jié)合力弱）結(jié)合在一起。它們趨于牢牢地黏在一起。黏在一起的分子形成固體和液體。為了使分子不黏在一起而相互分開，并變成氣體，必須向水中增加大量的能量，通常都通過加熱。就是說，水的沸點(diǎn)高，往往呈液態(tài)。必須將水溫提高到100℃，分子才能有足夠能量克服氫鍵的強(qiáng)作用力而分開，就變?yōu)閱蝹€(gè)水分子的水汽了?？纱致哉J(rèn)為水分子大小是液態(tài)水滴的350萬(wàn)-1400萬(wàn)分之一。 　　eTFE薄膜微孔薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性及寬廣的使用溫度，可在-200℃的低溫至+260℃的高溫下連續(xù)工作，熔點(diǎn)高達(dá)327℃，具有不燃性，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、抗酸、堿性好，能許多高腐蝕性介質(zhì)，摩擦系數(shù)小，疏水性強(qiáng)。 　　圖13-a）給出ePTFE膜的顯微照片。 　　4.3.3ePTFE防塵防水透氣膜的應(yīng)用機(jī)理 　　正是極性水分子與ePTFE膜的奇異美妙特性使我們能將他們?cè)谄桨寮療崞髦邪l(fā)揮即要對(duì)水密閉又要透氣的卓越效能。由于ePTFE膜的孔徑為0.1-0.5滋m，是水滴大小的1/5000-1/20000，因而阻隔了水的進(jìn)入，即對(duì)水是密閉的；當(dāng)集熱器內(nèi)的水分受熱后，水的氫鍵斷裂，成為水汽分子（水的單分子），其大小是ePTFE膜的孔徑的1/700，而恰在此時(shí)集熱器內(nèi)因受熱溫升與外界形成壓差推動(dòng)著水汽從比他大的孔隙中排出。另外微顆粒物（PM2.5）因其尺寸大于ePTFE膜的孔徑，也不能進(jìn)入，起到防塵的作用。直觀的防塵防水透氣原理在圖13-b中示出。 　　4.4抗潮的技術(shù)解決方案 　　4.4.1返潮的產(chǎn)生 　　在上述透氣膜的排濕中，水汽分子可從集熱器內(nèi)部向外排出；那么當(dāng)集熱器處于非日照條件下，內(nèi)部溫度下降，則可能產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓（真空），即外部環(huán)境氣壓大于集熱器腔體內(nèi)的壓力，從而將外部的濕氣水分子通過透氣膜滲入集熱器以內(nèi)，被內(nèi)部材料（特別是隔熱材料）所吸附和吸收，甚至達(dá)到與外界環(huán)境相適應(yīng)的平衡水分，即是返潮了。 　　這是一個(gè)易被忽視的問題，而事實(shí)上又是存在的也被實(shí)際試驗(yàn)所證實(shí)的問題。 　　4.4.2抗潮的困難 　　對(duì)于抗潮，已有一些做法。 　　1.可堵排氣管：在集熱器空曬排濕后，將所用排氣管的出口堵住，則不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)的反潮，也不會(huì)有原來因通過排氣管的呼吸而產(chǎn)生的熱損，但極端高低溫所產(chǎn)生的正、負(fù)壓會(huì)對(duì)腔體造成損壞或變形，也會(huì)給操作帶來麻煩； 　　2.內(nèi)置干燥劑：采用硅膠、分子篩、活性氧化鋁、凹凸棒等物理干燥劑，確實(shí)可以從潮氣中吸收水分，避免不良后果，但定量放置的干燥劑總有飽和的時(shí)候，此時(shí)，因其再生溫度多在110℃以上，是集熱器正常工作所滿足不了的； 　　3.外置氣囊和干燥劑：這首先集熱器必須已經(jīng)是密閉的才有可能，否則，非密閉的其他縫隙仍會(huì)與外界大氣存在無序有害呼吸；當(dāng)集熱器密閉以后，這種方式確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)在封閉系統(tǒng)中呼吸，提高集熱腔體的干燥度，對(duì)集熱器起到正負(fù)壓保護(hù)的作用，需解決可行的應(yīng)用方式和性價(jià)比問題； 　　4.內(nèi)置干燥劑和氣囊：這仍然需要先是密閉后才有可能，而當(dāng)集熱器密閉以后，這種方式仍存在前述2、3的問題。 　　4.4.3吸濕快干竹纖維的選用 　　如上所述，抗潮確實(shí)比較困難；可以設(shè)計(jì)一個(gè)技術(shù)方案：使?jié)駳庠谶M(jìn)入集熱器腔體時(shí)就用一種吸濕材料將其吸收而不能滲入集熱器內(nèi)部，同時(shí)又能利用集熱器產(chǎn)生的的熱氣將其所吸收的水分干燥，即再生，并經(jīng)混合后以濕氣的型式被呼出，達(dá)到抗潮的目的，這就是所希望的一個(gè)抗潮過程。 　　這里關(guān)鍵是要有一種能滿足上述過程要求的材料，顯而易見，這個(gè)材料應(yīng)該是：1.吸濕性要強(qiáng)要快；2.再生溫度要低，具有快干效應(yīng)。經(jīng)過對(duì)紡織行業(yè)排汗透氣織物的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)竹纖維可以為我所用。 　　竹纖維就是從自然生長(zhǎng)的竹子中提取出的一種纖維素纖維，是繼棉、麻、毛、絲之后的第五大天然纖維。竹纖維具有良好的透氣性、瞬間吸水性。經(jīng)在2000倍掃描電子顯微鏡觀察，竹原纖維縱向有橫節(jié)，粗細(xì)分布很不均勻，纖維表面有無數(shù)微細(xì)凹槽。竹纖維的橫截面凹凸變形，布滿了近似于橢圓形的孔隙，呈高度中空，毛細(xì)管效應(yīng)極強(qiáng)，可在瞬間吸收和蒸發(fā)水分，在所有天然纖維中，竹纖維的吸放濕性及透氣性好居五大纖維之首。在溫度為36℃；相對(duì)濕度為100%的條件下，竹纖維的回潮率超過45%，透氣性比棉強(qiáng)3.5倍，被美譽(yù)為“會(huì)呼吸的纖維”，還稱其為“纖維皇后”?？梢娭窭w維奇妙的吸濕快干性能滿足了我們對(duì)抗潮過程的需要。 　　4.5一種可抗潮的呼吸器典型設(shè)計(jì) 　　4.5.1雙位抗潮的呼吸器產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 　　了以上兩種奇妙的“ePTFE防水防塵透氣膜”和“會(huì)呼吸的竹纖維”材料以及所提出的抗潮過程方案，一個(gè)雙位可抗潮的呼吸器就比較容易的設(shè)計(jì)出來了。見圖14所示。 　　4.5.2雙位抗潮的呼吸器的工作過程 　　所論平板集熱器是首先密閉的，而形成它的有序可控呼吸通道，就是可控呼吸器，它的呼吸塞腔體與外界連通界面是由防水透氣膜（圖中呼吸膜）隔離的，而防水透氣膜是可防水的，即因水分子之間氫鍵的存在而形成的液態(tài)的聚集態(tài)的水分子束（（H2O）n）不能透過膜層，所以整個(gè)集熱器腔體對(duì)誰(shuí)可認(rèn)為是密閉的；但液態(tài)水受熱吸收能量后，其氫鍵斷裂，就形成氣態(tài)的水分子，卻可穿過該膜，成為可透汽的；這種透氣帶來了呼吸功能，從而可自動(dòng)將集熱器運(yùn)行中所形成的正負(fù)壓力與外界達(dá)到平衡，也能將集熱器中的殘余水分在其受熱蒸發(fā)成為的水汽呼出，達(dá)到排濕的效果。 　　但上述的呼吸，也會(huì)把外界的濕氣吸入，當(dāng)其含濕量大時(shí)（如雨季時(shí)）情況會(huì)更加嚴(yán)重，累積起來會(huì)增加集熱器腔體內(nèi)的水分含量，這對(duì)腔體內(nèi)的材料和器件是很不利的，必須加以防止，這時(shí)吸濕快干竹纖維（圖中吸濕劑）會(huì)在其吸入時(shí)將其吸收，不至于進(jìn)入腔體內(nèi)部，由于這種材料又是快干的，可對(duì)外自干，更會(huì)在運(yùn)行中熱氣呼出時(shí)將其再生，以備反復(fù)發(fā)揮作用，達(dá)到抗潮的目的。 　　由于有時(shí)集熱器內(nèi)殘余水分大，水霧嚴(yán)重而需快速排出水分，此時(shí)則將呼吸塞拔起，濕氣可不經(jīng)過吸濕劑和呼吸膜而直接連通大氣，達(dá)到快速排出的目的。 　　此后再把呼吸塞壓回原位進(jìn)入正常工作位置。（金川集團(tuán)·甘肅金川太陽(yáng)能有限公司高元運(yùn)　深圳市鵬桑普太陽(yáng)能股份有限公司羅賓）（未完待續(xù)）