誰才是平板太陽能的領航者?

【專家解說】：1 引言 現(xiàn)階段在國內(nèi)市場太陽能低溫利用越來越普及，也越來越被消費者、政府認可和重視。太陽能集熱器主要有平板集熱器和聯(lián)集管集熱器，在技術(shù)上兩種集熱器都已很成熟。其中平板集熱器是在17世紀后期發(fā)明的，1960年以后開始進行深入研究和大規(guī)?；瘧?聯(lián)集管集熱器起源于中國，截至今日大約有十幾個年頭，聯(lián)集管集熱器又分為普通非承壓集熱器、熱管集熱器、U型管集熱器等。 2 普通非承壓聯(lián)集管集熱器及結(jié)垢解決方法 聯(lián)集管集熱器以工藝簡單、價格低廉、真空管冬季保溫好等特點被大面積推廣，但普通聯(lián)集管集熱器也存在一些不足。 一是真空管內(nèi)直接加熱水，升溫快，聯(lián)集箱內(nèi)的水容易被蒸發(fā)(管路系統(tǒng)不合理或控制系統(tǒng)故障時出現(xiàn)真空管內(nèi)的水減少上部內(nèi)管處于空曬。當內(nèi)管上下溫差超過玻璃耐受溫差沖擊極限時，內(nèi)管會炸裂，造成系統(tǒng)漏水，其中原因一般是應力集中、玻璃有微裂紋導致被激炸; 二是真空管內(nèi)長期有水又溫升較快，水中鈣鎂離子濃度大時管內(nèi)壁容易結(jié)垢，管內(nèi)也容易積淀一些絮狀物(特別是豎插管集熱器，污物不能自動排出，橫插管集熱器循環(huán)時被水帶走一大部分)致使集熱效率下降; 三是冬季環(huán)境溫度低于零度時，室外集熱系統(tǒng)內(nèi)的水容易結(jié)冰，使管路凍壞;現(xiàn)常用的解決辦法是除做好保溫外，另在管道下方加電熱帶和進行防凍循環(huán)，也就是冬季不能集熱時為了防凍要耗電耗熱。 前述聯(lián)集管集熱器的真空管存在結(jié)垢問題，目前的解決方法主要有:根據(jù)水質(zhì)情況定期清理真空管;或?qū)ψ詠硭M行凈化軟化、加藥、磁化等。凈化和軟化可用過濾裝置去除泥沙等大顆粒污物，用反滲透膜或樹脂離子置換法去除鈣鎂離子。 現(xiàn)市場上常用的是硅磷晶POWER-PHOS進行防垢和防腐，其機理是硅磷晶在水中有效地抑制和干擾了碳酸鈣晶體的正常生長，控制了晶核形成的速度，使之不能沉積形成水垢;在此作用的同時，對已形成并附著管內(nèi)壁上鈣、鎂、鐵產(chǎn)生絡合或螯合反應，然后借助布朗運動或水流作用，達到最終的分散效力。另外微量的硅磷晶中p-p成分，隔絕了水中溶解氧與金屬離子的化學反應，阻止了氫氧化亞鐵繼續(xù)反應生成氫氧化鐵。即鈍化作用。在水管內(nèi)壁生成一種無定形的能自動修復的保護膜，這層具有強親力的分子膜阻擋了水中溶解氧的腐蝕，從而抑制了整個腐蝕的過程。根據(jù)水質(zhì)不同硅磷晶的濃度一般控制在5-10ppm，也就是要定期在系統(tǒng)內(nèi)加藥。 磁化現(xiàn)階段主要是用電子除垢儀(即電子水處理器)，其抑垢除垢原理是利用電子集成線路產(chǎn)生高頻電磁場，使流經(jīng)除垢儀的水吸收電磁能后，在不改變原有化學成份的情況下，使其物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將原有的大締合體的結(jié)合鍵打斷，變?yōu)榛钚院芨叩膯畏肿踊蛐【喓象w狀態(tài)的水，促進了水分子有序排列，增強了水的偶極距，加強了水對成垢離子及其組份的分解作用。老的水垢逐漸剝落直至清除、新的水垢不易生成，并改變了水中沉積物質(zhì)的沉積狀態(tài)，各種離子的物理性能，細菌和藻類等微生物的生存環(huán)境，從而有效起到除垢、防垢、殺菌、滅藻的作用。經(jīng)過高頻電磁場處理后，水分子的電子被激活，電子能位升高，根據(jù)能量守恒原理，分子電位能損失，電位下降，至使水分子與接觸器壁的電位差減少甚至消失。造成水中離子自由活動能力減小，器壁金屬離解受到抑制，對設備起到防腐作用。 3 真空管熱管集熱器和真空管U型管集熱器 其優(yōu)點是真空管內(nèi)不直接走水，炸管幾率降低(即使炸管也不漏液)，現(xiàn)大部分廠家聯(lián)集箱內(nèi)直接走水，長期使用造成聯(lián)集箱內(nèi)結(jié)垢，熱管頭部結(jié)垢導熱效率下降，出現(xiàn)故障后熱管拆卸困難;U型管內(nèi)走水，造成管內(nèi)結(jié)垢降低傳熱效率，甚至U型管內(nèi)堵塞失去集熱效果;解決辦法是進行水的凈化軟化、加藥、磁化處理等，這樣可在一定程度上緩解上述問題，最好的辦法是系統(tǒng)內(nèi)用防凍液作為導熱介質(zhì)。 4 平板集熱器 平板集熱器歷史已經(jīng)很久，技術(shù)應用上也非常成熟。 優(yōu)點是:其承壓能力強，系統(tǒng)做成全封閉系統(tǒng)，避免了空氣中氧氣及雜質(zhì)進入集熱系統(tǒng)，可靠性高;用防凍液做導熱介質(zhì)，冬季徹底防凍，集熱系統(tǒng)不用輔助熱源，避免能量消耗;吸熱面積大，集熱器所占的建筑輪廓面積中吸熱片占據(jù)絕大部分，是實現(xiàn)太陽能與建筑結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一;缺點:制作工藝較復雜、成本較高、和聯(lián)集管集熱器相比集熱效率受環(huán)境溫度影響大，夏季高、冬季低。 平板集熱器的吸熱條帶鍍膜技術(shù)要求高，因其長期暴露于空氣中和空氣中的氧、水分子長期接觸，要求其耐老化性極高(平板集熱器內(nèi)還不能像真空管抽成真空，對膜層要求遠遠高于真空管)。為提高平板集熱器的保溫性能，目前已經(jīng)有真空玻璃用于平板集熱器，但由于真空玻璃工藝不是很成熟以及成本高等原因，此技術(shù)尚未規(guī)模化應用。 我國對選擇性吸收材料的研究應用經(jīng)歷了從非選擇性的普通黑漆到選擇性的硫化鉛、金屬氧化物涂料，從黑鎳、黑鉻到鋁陽極氧化涂層等幾代的更替;目前我國平板集熱器吸收表面主要采用鋁條帶上陽極氧化著色和銅條帶上鍍選擇性涂層。 目前用于真空管間歇式磁控濺射鋁-氮-鋁材料選擇性吸收涂層的鍍膜生產(chǎn)技術(shù)是隨著真空管集熱器的產(chǎn)生而發(fā)展起來的，由于該涂層耐候性能較差，不適于平板集熱器的使用。另外國際上發(fā)達國家，尤其是歐洲，選擇性吸收涂層的生產(chǎn)主要有兩個特點，其一是采用真空鍍膜技術(shù)，其二是采用卷繞式連續(xù)鍍膜方式。如丹麥的BATEC公司是生產(chǎn)黑鉻吸收涂層的，在銅條帶上采用連續(xù)電鍍的方法進行生產(chǎn)，產(chǎn)品的光學性能及耐候性都很理想;德國幾個生產(chǎn)選擇性涂層的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法或者連續(xù)生產(chǎn)方式進行吸收涂層生產(chǎn)的。 海爾幾年來一直致力于平板集熱器的開發(fā)，核心部件吸熱紫銅條帶吸收涂層使用德國TINOX技術(shù)，其在真空環(huán)境中把鈦汽化，在鈦的汽化物中加入氮氣氧氣，使其通過化學反應生成氮氧化鈦冷凝沉積到金屬帶上，此外石英被汽化后形成第二層減反射層并對氮氧化鈦層起保護作用。TINOX涂層是迄今為止唯一利用鈦和石英代替鎳和鉻的涂層，在制作過程中不會污染水源也不會污染空氣，是最具環(huán)保性的涂層;TINOX涂層吸收率高達95%，發(fā)射率約為4%;由于其優(yōu)異的耐環(huán)境、耐老化性，TINOX涂層使用25年后，仍能保持其初始性能的95%以上。 平板集熱器蓋玻璃用的是超白低鐵鋼化玻璃，更耐冰雹、固體沖擊能力強、耐疲勞老化性高、透明度高;邊框用整體外殼、或鋁合金型材組裝，強度高。集熱器無懼空曬，不會出現(xiàn)炸管現(xiàn)象;用防凍液做導熱介質(zhì)，冬季徹底防凍，集熱系統(tǒng)不用輔助熱源，避免能量消耗;平板集熱器夏季不怕空曬、冬季不怕冰凍、適應氣候能力極強。集熱器模塊化設計，可任意組合成各種大小集熱面積的集熱陣列，使用更靈活。 5 各種集熱器集熱效率的分析 無論是平板集熱器還是聯(lián)集管集熱器，其對集熱效率影響最大的是吸熱體、即吸熱膜層。較好的真空管膜層和較好的平板吸熱片膜層吸收率都在0.95左右;平板集熱器整個輪廓面積幾乎都被吸熱片占據(jù)，但真空管集熱器受結(jié)構(gòu)的影響必須有一定的間距，一般Φ47管間距為70㎜，Φ58管間距為80㎜，Φ47管的產(chǎn)品內(nèi)管直徑為Φ37，Φ58管的產(chǎn)品內(nèi)管直徑為Φ47。 假如不考慮光線的反射、折射等，不帶反射板的集熱器瞬時效率極限，Φ47管為:0.95×0.9×37/70=0.452，Φ58管為:0.95×0.9×47/80=0.502;如不考慮真空管之間的空隙，集熱器瞬時效率極限，Φ47管為:0.95×0.9×37/47=0.673，Φ58管為:0.95×0.9×47/58=0.693;平板集熱器瞬時效率極限為:0.95×0.9=0.855。 國標規(guī)定:平板集熱器瞬時效率截距≥0.72;真空管集熱器(無反射板)瞬時效率截距≥0.62;真空管集熱器(有反射板)瞬時效率截距≥0.52。 注:有反射板真空管集熱器集熱面積計算時包括真空管之間的空隙，無反射板真空管集熱器集熱面積計算時不包括真空管之間的空隙。 平板集熱器整機效率受環(huán)境溫度影響大于真空管集熱器，籠統(tǒng)地說春、夏、秋季節(jié)其集熱效率高于真空管集熱器，冬季低于真空管集熱器;其瞬時效率如下圖: 其交點位置橫坐標值為0.076，試驗是在太陽輻照強度為800W/㎡時測試得數(shù)據(jù)，則: ti-ta=0.076×800=60.8℃;也就是說當集熱器內(nèi)的介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度之差為60.8℃時聯(lián)集管集熱器和平板集熱器瞬時效率相同，溫差小于60.8℃時平板集熱器效率高，溫差大于60.8℃時聯(lián)集管集熱器效率高，如下圖所示。 6 結(jié)語 近幾年國內(nèi)平板集熱器占不到市場份額的15%，是有很多原因造成的:(1)一些廠家用平板集熱器做直接系統(tǒng)在冬季不能防凍，須排空，因此冬季不能使用并維護復雜;(2)全玻璃真空管熱水器在大部分地區(qū)可全年使用;(3)全玻璃真空管由于技術(shù)創(chuàng)新，成本大幅度降低，生產(chǎn)企業(yè)迅速增加，促進太陽能熱水器市場迅速擴大;(4)國內(nèi)的消費者對全玻璃真空管熱水器的認知度遠高于平板式太陽能熱水器。 因此，目前家用熱水器國內(nèi)市場格局是由于產(chǎn)品的特點和價格等因素形成的，可以預見在家用熱水器中低檔市場中仍將是全玻璃真空管熱水器為主。 國外太陽能市場始終以平板集熱器為主，是因為國外太陽能系統(tǒng)設計理念的不同。國外系統(tǒng)一般采用間接、分體式系統(tǒng)，承壓運行;這類系統(tǒng)一般初投資高，但系統(tǒng)可靠性高、維護成本低、水質(zhì)不會被污染、整個系統(tǒng)壽命長。 針對這類系統(tǒng)，平板集熱器體現(xiàn)出其自身的技術(shù)優(yōu)勢: (1)平板集熱器最適合用于承壓系統(tǒng); (2)最適合于雙循環(huán)的太陽能熱水器; (3)最有利于實現(xiàn)太陽能熱水器與建筑結(jié)合; (4)系統(tǒng)壽命長，維護費用低; (5)大多數(shù)情況下可以提供更多的生活熱水; (6)平板集熱器用于太陽能采暖系統(tǒng)時能較方便解決非采暖季節(jié)的系統(tǒng)過熱問題。 結(jié)論:在太陽能系統(tǒng)工程、分體式太陽能熱水器和對太陽能與建筑一體化有要求的場所，平板集熱器比全玻璃真空管集熱器在系統(tǒng)壽命、系統(tǒng)維護等方面具有明顯優(yōu)勢。