高分子材料在太陽能熱水器上應(yīng)用

　　本文綜述了高分子材料在太陽能熱水器的外殼材料、水箱內(nèi)膽、集熱器、集熱器蓋板、太陽能轉(zhuǎn)換材料和透光材料、防老化涂料等領(lǐng)域的應(yīng)用，展望了新型高分子功能材料在解決太陽能熱水器的現(xiàn)有問題、降低成本、提高性能等方面的應(yīng)用前景。

　　前言

　　太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能利用技術(shù)中商業(yè)化程度最高、推廣普及應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。以色列80%的家庭、日本20%的家庭使用太陽能熱水器。據(jù)了解，2000年我國太陽能熱水器總銷量在600萬m2以上，年產(chǎn)值超過50億元人民幣，全國太陽能熱水器保有量約2500m2，成為全世界太陽能熱水器年產(chǎn)銷量及保有量最大的國家，但目前我國家庭太陽能熱水器的普及率僅為4%。

　　在最簡單的太陽能熱水器中，它的吸收層材料、封閉式熱水器的透明蓋板材料、絕熱材料以及其他許多方面，多已采用了高分子材料。

　　1、外殼材料

　　目前，我國使用的太陽能熱水器外殼多為金屬材料，殼體結(jié)構(gòu)同保溫材料相分離，既存在容易腐蝕、壽命短、造價高、工藝繁雜等問題，又常使保溫材料脫落，失去保溫性能，影響熱水器整體性能的提高。

　　為此，有人研發(fā)了新型非金屬的復(fù)合材料外殼，外殼的表層以鎂質(zhì)凝膠物為主，并加入玻璃纖維等增強(qiáng)材料。據(jù)太陽能熱水器外殼不同溫區(qū)、不同部位的結(jié)構(gòu)要求，選取了高分子材料聚苯泡沫板（或顆粒）為保溫材料，同鎂質(zhì)凝膠物復(fù)合制成不同性能的保溫層。

　　2、內(nèi)膽

　　太陽能熱水器儲水箱內(nèi)膽普通采用不銹鋼薄板（厚度約為0.3mm～0.6mm）焊接加工而成。在制造過程中，材料經(jīng)沖壓、拉伸、焊接等工序，導(dǎo)致水箱表面存在缺陷和焊縫處材質(zhì)發(fā)生變化，長期使用中，缺陷處、焊縫部位及其周圍易被腐蝕，尤其是在水質(zhì)較差的地區(qū)腐蝕更加明顯，造成穿孔漏水，從而導(dǎo)致整個熱水器水箱損壞。

　　為了解決不銹鋼內(nèi)膽存在的缺點，根據(jù)太陽能熱水器內(nèi)膽的工作條件，有人選擇了PPR、PEX、ABS三種材料作為內(nèi)膽的原材料進(jìn)行實驗。通過對該三種材料制成的內(nèi)膽進(jìn)行一系列的性能測試，發(fā)現(xiàn)PPR作為太陽能熱水器水箱材料更有優(yōu)勢。

　　3、太陽能集熱器

　　用高分子板材和染料制成的集熱器，當(dāng)太陽光穿過大面積的板材并為底下的染料吸收時，染料會發(fā)出相應(yīng)的光輻射，并通過內(nèi)部反射被收集在板材內(nèi)，然后再聚集到吸熱器上。

　　巴斯夫Basotect三聚氰胺泡沫目前應(yīng)用在太陽能集熱器制造商Heliodyne生產(chǎn)的產(chǎn)品中。Heliodyne選擇了高分子復(fù)合材料制造商瓦克來完成Basotect絕緣部件的合成。將巴斯夫Basotect泡沫材料應(yīng)用于太陽能集熱器，該泡沫具有優(yōu)良的絕緣能力以及長期耐高溫能力。Basotect泡沫可以承受超過350°F的溫度，有別于其他聚合物絕緣材料。

　　4、高分子太陽能集熱器蓋板

　　對于雙層蓋板的集熱器，要求外層蓋板能抗沖擊，內(nèi)層蓋板能耐高溫?？箾_擊是高分子材料的主要優(yōu)點之一，所以可用透明的高分子材料來代替玻璃蓋板。

　　用輕質(zhì)塑料取代玻璃和銅制造有關(guān)零部件，可以降低太陽能熱水器的成本，在太陽能加熱游泳池水的太陽能集熱器上已取得了商業(yè)化成功。有關(guān)專家已試驗過許多種太陽能熱水系統(tǒng)高分子蓋板材料：聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，一種聚酯）薄膜的透光度很高、成本低、機(jī)械性能亦較好，但連續(xù)使用溫度只有90℃左右，抗紫外線能力也比較差。近年加入紫外線吸收劑以后，抗紫外線能力有所提高，但毒性問題有待解決。

　　聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）雖然成本高于PET，但熱性能和機(jī)械性能均有提高，不過抗紫外光透過率還有問題。很多含氟高分子材料有優(yōu)良的抗紫外線和抗熱性能，不過成本很高，只能做成薄膜形狀使用。

　　丙烯酸類材料也有優(yōu)良的抗紫外線能力，但做太陽能集熱器蓋板時經(jīng)受不住工作溫度的考驗，并且很脆，即使作成板狀，也經(jīng)不住冰雹打擊。Korad雖有這樣的缺陷，抗紫外性能卻極好，可在層壓型蓋板中做抗紫外層，與基板有很好的結(jié)合效果。Tedlar也是一種含氟聚合物，把它和Korad都同玻璃基板作成層壓結(jié)構(gòu)，做加速暴露試驗，結(jié)果表明Korad的紫外線過濾性能優(yōu)于Tedlar，做成Korad/玻璃層壓蓋板有很好的抗紫外線特性。

　　聚碳酸酯類材料的透光性較好，強(qiáng)度亦高，只是在紫外線照射下會變黃、變脆。Bayer公司已開發(fā)出兩種聚碳酸酯材料，名叫APEC5391和APEC5393。APEC5391熱穩(wěn)定性好，連續(xù)使用溫度可高達(dá)180℃，而APEC5393的熱穩(wěn)定性和抗紫外線能力都很好。

　　5、高分子太陽能轉(zhuǎn)換材料

　　日本京都大學(xué)研制出一種高分子太陽能貯能材料，即一種能大量吸收太陽能的有機(jī)高分子物質(zhì)，是一種黃色的晶體，在陽光下可以大量吸收熱量（每公斤可吸收92千卡熱量）。當(dāng)熱量吸足后，它就從黃色變?yōu)榘咨?。需要使用時，只需要添加進(jìn)一些銀做催化劑，就能把熱量釋放出來。熱量釋放完畢，白色的晶體又變?yōu)辄S色的晶體，可重復(fù)使用。

　　在PP中添加炭黑等助劑，共混復(fù)合制成太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料，并制出太陽能塑料熱水器，具有較高的平均日效率（54.3%）和較低的平均熱損失系數(shù)2.34 w/（In ?℃），耐老化性優(yōu)良，可使用9年以上，且不會結(jié)硬水垢。

　　6、高分子太陽能透光材料

　　國內(nèi)常用的太陽能透光材料是普通平板玻璃，其含鐵雜質(zhì)約0.1-0.14%，可見區(qū)域透光率較高，而紫外區(qū)域和近紅外區(qū)域存在較大的吸收。為了獲得性能優(yōu)良的透光材料，有人通過對高分子材料PVA與纖維狀材料的預(yù)處理，復(fù)合得到一種增強(qiáng)透光材料，具有透光率高、重量輕、易運輸和不易破碎、抗拉和抗震強(qiáng)度大等優(yōu)點。

　　確定單體PVA、醋酸纖維的比例后，與交聯(lián)劑在水溶液中混合攪拌一定時間，再加壓過濾，成型后得到PVA透光材料。在相同的測試條件下，盡管有機(jī)玻璃具有較高的透過率，可是它的軟化濕度低（約60-75℃），拉伸強(qiáng)度小，韌性差，使用溫度范圍窄。普通玻璃含鐵量高，吸收率大，其平均透光率只有70-75%，容易破碎，不能使用過薄的平板玻璃。

　　美國杜邦公司的F-46薄膜，是一種集熱器蓋層材料，其太陽透光率達(dá)90%以上，且入射角修正系數(shù)也很小，很適合房屋的采光、保溫。

　　結(jié)語

　　高分子材料以其低成本、易成型、種類多樣，纖維強(qiáng)度高、橡膠彈性好、塑料強(qiáng)又韌，其功能化后可用于許多拓展領(lǐng)域。高分子材料應(yīng)用在太陽能熱水器上，能在一定程度上解決現(xiàn)有太陽能熱水器存在的問題，并能降低成本、提高產(chǎn)品性能。在日益強(qiáng)調(diào)節(jié)能的今天，太陽能作為一種清潔、環(huán)保能源，受到越來越多的重視。通過在材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計上不斷完善和發(fā)展太陽能熱水器，必將使太陽能熱水器走入千家萬戶。