平板太陽能不同類型導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)比分析

近幾年，平板太陽能得到了快速發(fā)展。在眾多平板太陽能生產(chǎn)廠家不斷改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和提高系統(tǒng)換熱效率的過程中，保溫、吸熱膜層、金屬材料等方面采取了積極有效的措施以保證產(chǎn)品的市場競爭力，但很多廠家忽視了導(dǎo)熱介質(zhì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，認(rèn)為導(dǎo)熱介質(zhì)只要滿足防凍這一要求就可以了。 　　因此，在市場上采購了汽車防凍液加注到系統(tǒng)中去，或者找到某些汽車防凍液廠家讓其根據(jù)汽車防凍液的配方提供導(dǎo)熱介質(zhì)，更有甚者在化工市場采購乙二醇加水稀釋（并不添加任何助劑）后直接作為導(dǎo)熱介質(zhì)，這些做法存在諸多不足或隱患。本文將從多種視角分析不同類型的導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)平板太陽能熱水器系統(tǒng)的影響，以期給大家提供有益參考。 　　1.抗凍劑對(duì)比 　　抗凍劑的選擇直接決定了導(dǎo)熱介質(zhì)的檔次和質(zhì)量，目前，在市場上采購到的導(dǎo)熱介質(zhì)大部分為諸多類型的（-25℃）汽車防凍液，在這些防凍液中符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的原料主要為乙二醇，但防凍液中一旦含有甲醇有以下隱患：1.甲醇的存在增大了防凍液的腐蝕性；2.防凍液的沸點(diǎn)只有80~90℃，根本不適于太陽能系統(tǒng)使用;3.若傳熱系統(tǒng)為密閉模式，甲醇揮發(fā)后，夾套或者銅管內(nèi)的壓力在高溫下迅速增大，容易使水箱或者銅管變形直至損壞泄漏；4.在系統(tǒng)非密封的情況下，甲醇易揮發(fā)，加注到太陽能系統(tǒng)后，隨著甲醇的揮發(fā)，導(dǎo)熱介質(zhì)的冰點(diǎn)也隨之升高，整個(gè)系統(tǒng)凍裂的風(fēng)險(xiǎn)性非常大。 　　太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)該是無毒或者微毒，常用的原料應(yīng)該是丙二醇或者乙二醇，乙二醇的毒性大于丙二醇，丙二醇屬于安全無毒原料（LD50＞20000mg/kg），從長遠(yuǎn)來講，丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)是無毒環(huán)保的產(chǎn)品，符合今后的發(fā)展方向，但是現(xiàn)在丙二醇市場價(jià)格較高，影響了產(chǎn)品的推廣。乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)在不添加劇毒的亞硝酸鈉和鉻酸鹽的前提下，屬于微毒產(chǎn)品，由于價(jià)位適中，產(chǎn)品有一定的市場占有率。 　　2.冰點(diǎn)對(duì)比 　　如將汽車防凍液作為太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)，目前在市場上能夠采購到的產(chǎn)品規(guī)格基本為-25℃和-35℃兩種。我們?cè)陂L期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出如下觀點(diǎn)：作為太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)不同于汽車防凍液，汽車是可移動(dòng)物體，其活動(dòng)范圍大，具有不確定性，所以要求汽車中加注的防凍液冰點(diǎn)適用區(qū)域必須遼闊，留出的冰點(diǎn)冗余要大；但是分體式太陽能固定好后是不可移動(dòng)的，冰點(diǎn)冗余要根據(jù)太陽能熱水器使用的地區(qū)而確定，因此有必要對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)的使用區(qū)域和冰點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分； 　　1.珠三角地區(qū)使用冰點(diǎn)為-10℃的導(dǎo)熱介質(zhì)； 　　2.長江以南區(qū)域使用冰點(diǎn)為-15℃的導(dǎo)熱介質(zhì)； 　　3.黃河以南區(qū)域使用冰點(diǎn)為-20℃的導(dǎo)熱介質(zhì)； 　　4.北京以北黃河以南區(qū)域使用冰點(diǎn)為-25℃的導(dǎo)熱介質(zhì)； 　　5.東三省根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)使用更低冰點(diǎn)的導(dǎo)熱介質(zhì)。 　　如此劃分的原因是：1.冰點(diǎn)越低，導(dǎo)熱介質(zhì)中水的含量越低；反之，水的含量越高。眾所周知，水的含量越高，導(dǎo)熱介質(zhì)的換熱效率越高，因此使用高冰點(diǎn)的導(dǎo)熱介質(zhì)，太陽能系統(tǒng)的熱效率更高，在市場競爭慘烈的今天，可以使產(chǎn)品在換熱效果方面處于領(lǐng)先地位；2.同種品質(zhì)的導(dǎo)熱介質(zhì)，冰點(diǎn)越高，其乙二醇或者丙二醇的含量越低，采購成本降低，這是所有太陽能生產(chǎn)廠家都希望看到和得到的皆大歡喜之結(jié)果。 　　3.材質(zhì)對(duì)比 　　我們知道，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)等部件材質(zhì)為壓鑄鋁合金、鑄鐵、鋼、黃銅、紫銅、焊錫等，其中鑄鋁合金是系統(tǒng)中的大部分零件的材質(zhì)，也是最易受腐蝕和損壞的環(huán)節(jié)，因此，汽車防凍液的緩蝕和pH值設(shè)計(jì)主要針對(duì)鑄鋁。而分體式太陽能系統(tǒng)中金屬材質(zhì)為碳鋼、黃銅、紫銅和不銹鋼，因此，太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的緩蝕和pH值設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)其系統(tǒng)本身使用的金屬材質(zhì)進(jìn)行專業(yè)預(yù)防，而不能以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)的金屬材質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。 　　鑒于以上情況，可能大家以為汽車防凍液或者基于汽車防凍液配方所做的太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)金屬材質(zhì)的緩蝕要比太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)更加全面，但事實(shí)并非如此： 　　一是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)和太陽能換熱系統(tǒng)所用金屬材料不同，對(duì)防凍液的緩蝕和pH值（具體差異見隨后內(nèi)容）的要求也不同，選用合適的專用產(chǎn)品才是王道； 　　二是在防凍液中添加各種助劑的總量是有限的，在太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)中添加各種專用助劑就應(yīng)該僅限于系統(tǒng)中的金屬材質(zhì)，而不能加入與系統(tǒng)金屬無關(guān)的助劑，這樣有利于增大專用助劑的添加量，也就是說集中優(yōu)勢力量解決關(guān)鍵問題，使導(dǎo)熱介質(zhì)的緩蝕效率和使用時(shí)限得到更大的提高。 　　4.緩蝕助劑對(duì)比 　　緩蝕助劑是導(dǎo)熱介質(zhì)的重要組分，對(duì)產(chǎn)品的緩蝕性能起著決定性作用。據(jù)前述內(nèi)容，汽車防凍液或基于汽車防凍液配方所做的太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)，其緩蝕助劑選擇上主要針對(duì)鑄鋁和黑色金屬，根據(jù)NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液》的要求可知，配方中添加的緩蝕助劑主要是偏硅酸鈉和亞硝酸鈉，這兩種是最便宜和最容易得到無機(jī)緩蝕劑，偏硅酸鈉雖然是有效的鋁緩蝕劑，但受熱很容易形成絮狀膠體并且沉淀下來，造成如下后果：1.防凍液中的緩蝕助劑已形成沉淀析出無法起到緩蝕作用；2.太陽能系統(tǒng)因?yàn)槲酃父街趭A套或者管道內(nèi)降低了導(dǎo)熱介質(zhì)的流速，降低換熱效率，并增加了銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。 　　亞硝酸鈉是有效的黑色金屬緩蝕劑，劇毒，在汽車防凍液中應(yīng)用沒有太多限制，但是作為民用的太陽能產(chǎn)品，應(yīng)該限制其使用。目前，很多太陽能廠家就是用汽車防凍液作為導(dǎo)熱介質(zhì)加注到系統(tǒng)中，結(jié)果就是緩蝕助劑不對(duì)路，出現(xiàn)了前述現(xiàn)象，非但起不到緩蝕效果，反而加劇了腐蝕，損壞了太陽能換熱系統(tǒng)。對(duì)比圖如下： 　　左圖：劣質(zhì)防凍液加熱后出現(xiàn)絮狀膠體懸浮物（偏硅酸鈉膠體）  右圖：我司產(chǎn)品無論低溫還是高溫溶液始終澄清透明 　　太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)該有針對(duì)性的對(duì)系統(tǒng)中的金屬材質(zhì)進(jìn)行專業(yè)緩蝕，配方中必須添加如下助劑：紫銅專用緩蝕劑、黃銅專用緩蝕劑、碳鋼專用緩蝕劑和不銹鋼專用緩蝕劑，這些助劑必須做到如下幾點(diǎn)：1.助劑毒性低毒或者無毒；2.助劑與溶液有良好的相溶性，無論在低溫、常溫或者高溫下，都不得析出；3.助劑具有高效緩蝕性能，并且具有長久的緩蝕效果；4.盡量避免使用穩(wěn)定性差的無機(jī)緩蝕助劑。另外針對(duì)目前有個(gè)別太陽能廠家選用鋁壓鑄集熱板的情況，配方中應(yīng)該添加高效的國外進(jìn)口有機(jī)鋁專用緩蝕劑，但不能添加穩(wěn)定性差的偏硅酸鈉，以便起到良好的緩蝕效果。 　　5.毒性對(duì)比 　　在討論導(dǎo)熱介質(zhì)的毒性之前，讓我們先了解一下毒性衡量標(biāo)準(zhǔn)以及分級(jí)。通常物質(zhì)的毒性通過急性毒性來測定，以大鼠經(jīng)口LD50值為指標(biāo)判定毒性大小，大鼠經(jīng)口LD50值是指把不同劑量的被試驗(yàn)物質(zhì)經(jīng)口注入大鼠體內(nèi)，在14天內(nèi)足以使占全體數(shù)量50%的個(gè)體在試驗(yàn)條件下致死的劑量稱為LD50（致死量50%），一般用每kg體重所使用的毒物mg數(shù)表示（即mg/kg）。根據(jù)我國《工業(yè)化學(xué)品毒性鑒定規(guī)范及實(shí)驗(yàn)方法》并參考美國科學(xué)院對(duì)毒性物質(zhì)的劃分，可將毒性分級(jí)如表1。 　　太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)不同于汽車防凍液，與老百姓的日常生活密切相關(guān)，一旦發(fā)生泄露，就易發(fā)生生命危險(xiǎn)，因此要求產(chǎn)品必須無毒或微毒。最常用的防凍劑是乙二醇和丙二醇，乙二醇的毒性是微毒（大鼠經(jīng)口LD50為5900～3400mg/kg），丙二醇的毒性是無毒（大鼠經(jīng)口LD50為20000mg/kg），不添加有毒的助劑前提下，兩者與水混合制備成導(dǎo)熱介質(zhì)后在均能達(dá)到微毒或無毒的要求。 　　但是，用汽車防凍液直接作為太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)或者基于汽車防凍液配方所做的太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)，根據(jù)NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液》的要求，配方中加入了大量的劇毒物質(zhì)亞硝酸鈉，有的還加入另一種劇毒物質(zhì)重鉻酸鹽，最終產(chǎn)品的LD50（大鼠經(jīng)口）在10～15mg/kg，屬于高毒物質(zhì)，用在太陽能換熱系統(tǒng)中存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，是不應(yīng)該使用的。而丙三醇的毒性是無毒，LD50（大鼠經(jīng)口）為26000mg/kg，其水溶液也是安全無毒的。 　　6.密度差異 　　導(dǎo)熱介質(zhì)或者防凍液的密度雖然不能直接反映產(chǎn)品的各種性能，但是通過密度我們可以基本判斷出產(chǎn)品的類型及組分，通過表2可了解到常用的抗凍劑的原始密度。 　　根據(jù)2009版《美國供暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)手冊(cè)》提供的技術(shù)參數(shù)并結(jié)合我們的實(shí)踐數(shù)據(jù)，我們總結(jié)出不同類型的導(dǎo)熱介質(zhì)在冰點(diǎn)-10～-45℃范圍內(nèi)密度區(qū)間，請(qǐng)參考表3。 　　注：具體冰點(diǎn)下某一類型導(dǎo)熱介質(zhì)密度的詳細(xì)數(shù)據(jù)可向濟(jì)南鼎隆化工科技有限公司的技術(shù)人員咨詢。 　　根據(jù)表2和表3數(shù)據(jù)，我們應(yīng)發(fā)現(xiàn)密度＜1.00g/cm3（20℃）的防凍液或?qū)峤橘|(zhì)，屬于假冒偽劣產(chǎn)品，基本上為甲醇溶液，其作為汽車防凍液不符合NB/SH/T0521-2010的要求，作為太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)更是不可能和不可接受的。 　　左圖：冰點(diǎn)為-25℃的劣質(zhì)防凍液的密度僅有0.957g/cm3（25℃）  右圖：冰點(diǎn)為-25℃的太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的密度為1.085g/cm3（25℃） 　　7.pH值對(duì)比 　　pH值是表示水溶液酸性或堿性程度的數(shù)值，在常溫（25℃）下：1.中性水溶液，pH=7；2.酸性水溶液，pH＜7，pH值越小，表示酸性越強(qiáng)；3.堿性水溶液，pH＞7，pH值越大，表示堿性越強(qiáng)。 　　從基本的化學(xué)常識(shí)我們知道，鋁是兩性金屬，既容易與酸發(fā)生反應(yīng)，又容易與堿發(fā)生反應(yīng)，在中性環(huán)境中較穩(wěn)定；金屬紫銅、黃銅、碳鋼和不銹鋼易在酸性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致銹蝕，而在中性或弱堿性環(huán)境中穩(wěn)定不易發(fā)生反應(yīng)。 　　因此，在僅添加無機(jī)鋁緩蝕劑偏硅酸鈉的汽車防凍液，其pH值僅能做到7.0～7.5，以保證不對(duì)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)發(fā)生銹蝕，雖然說短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生腐蝕，但是經(jīng)過長期高溫運(yùn)行，溶液很容易發(fā)生酸化，pH值轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，增加了發(fā)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)，這是建議廣大車主使用1～2年后就要更換汽車防凍液的主要原因。 　　針對(duì)太陽能換熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值在8～11為宜；對(duì)于使用鋁壓鑄集熱板的平板式太陽能，建議導(dǎo)熱介質(zhì)配方中添加高效的有機(jī)鋁緩蝕劑，這樣也可以做到在堿性環(huán)境中整個(gè)換熱系統(tǒng)不易被銹蝕。 　　8.沸點(diǎn)對(duì)比 　　導(dǎo)熱介質(zhì)沸點(diǎn)的高低直接反映了整個(gè)換熱系統(tǒng)的耐高溫性能，這是保障整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。在此我們有必要對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)的沸點(diǎn)進(jìn)行一下剖析，決定產(chǎn)品沸點(diǎn)高低的是抗凍劑的沸點(diǎn)和助劑的添加情況，常用抗凍劑的沸點(diǎn)請(qǐng)參閱表4。 　　根據(jù)2009版《美國供暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)手冊(cè)》提供的技術(shù)參數(shù)并結(jié)合實(shí)踐數(shù)據(jù)，我們總結(jié)出不同類型的導(dǎo)熱介質(zhì)在冰點(diǎn)-10～-45℃范圍內(nèi)沸點(diǎn)區(qū)間，請(qǐng)參考表5。 　　注：具體冰點(diǎn)下某一類型導(dǎo)熱介質(zhì)沸點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)可向濟(jì)南鼎隆化工科技有限公司的技術(shù)人員咨詢。 　　根據(jù)表4和表5數(shù)據(jù)，我們應(yīng)該能斷定出凡是沸點(diǎn)＜100℃的防凍液或?qū)峤橘|(zhì)，屬于假冒偽劣產(chǎn)品，基本上為甲醇溶液或?yàn)榧状妓芤号c甘油水溶液的混合物（因乙醇的價(jià)位較高，接近于乙二醇的價(jià)格，可以排除乙醇溶液），既不符合NB/SH/T0521-2010的要求，也不能用作太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)，此種類型的導(dǎo)熱介質(zhì)危害如前文所述。乙二醇、丙二醇、丙三醇的水溶液作為導(dǎo)熱介質(zhì)時(shí)，沸點(diǎn)均在100℃以上。對(duì)比圖如下： 　　左圖：冰點(diǎn)為-25℃的劣質(zhì)防凍液的沸點(diǎn)僅有82℃ 右圖：冰點(diǎn)為-25℃的太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的沸點(diǎn)達(dá)到108℃ 　　9.緩沖及長效性能對(duì)比 　　導(dǎo)熱介質(zhì)緩沖性能的高低決定其是否具備長效性，緩沖性能的高低體現(xiàn)在pH值和儲(chǔ)備堿度兩個(gè)方面，pH值和儲(chǔ)備堿度數(shù)值越大，水溶液的緩沖性能越高，反之，水溶液的緩沖性能越低。調(diào)節(jié)導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值和儲(chǔ)備堿度，并不是簡單的在溶液中加入火堿或者純堿，這兩種物質(zhì)加入后，雖然能改善溶液的緩沖性能，但卻增加了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)性。因此，在體系中必須加入既能提高溶液pH值和儲(chǔ)備堿度又能起到緩蝕效果的高效緩沖助劑。 　　汽車防凍液或者基于汽車防凍液配方的導(dǎo)熱介質(zhì)，其pH值在7左右，基本上沒有添加緩沖助劑，容易在高溫下運(yùn)行一段時(shí)間后呈酸性狀態(tài)，有發(fā)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在較短的一到兩年使用期限達(dá)到后就必須進(jìn)行更換。相比較于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)更換防凍液，平板式太陽能換熱系統(tǒng)要是一兩年就更換導(dǎo)熱介質(zhì)，既需要專用工具又要提供繁雜的售后上門服務(wù)，顯然是不合適而且難度比較大的，因此，太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)需要具備長效性能。在太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的配方中，我們添加了高效緩沖助劑，能保證溶液長時(shí)間處于適宜的pH值和儲(chǔ)備堿度，防止導(dǎo)熱介質(zhì)發(fā)生酸化，其長效性能是完全可以做到的。 　　綜上所述，太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)并不是簡單的防凍液，防凍只是最基本的一個(gè)性能要求，其他多方面性能也不可忽視的，因?yàn)槊恳粋€(gè)環(huán)節(jié)的性能對(duì)太陽能換熱系統(tǒng)的影響都是至關(guān)重要的。（山東小鴨新能源科技有限公司/王剛、濟(jì)南鼎隆化工科技有限公司/田勝軍）