平板太阳能集热器结构及选材特点分析

平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。平板型集热器已广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。用平板型太阳能集热器部件组成的热水器即平板太阳能热水器。平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。
 
当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。
 

一
吸热板



吸热板是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件，其基本上是平板形状。

1.吸热板的结构形式

在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管和集管。排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件;集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。吸热板的材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。吸热板有如下主要结构形式

(1)管板式。管板式吸热板是将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带(如图2a)，然后再与上下集管焊接成吸热板。这是目前国内外使用比较普遍的吸热板结构类型。

(2)翼管式。翼管式吸热板是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带(如图2b)，然后再与上下集管焊接成吸热板。吸热板材料一般采用铝合金。翼管式吸热板的优点：热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻;耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。缺点：水质不易保证，铝合金会被腐蚀;材料用量大，工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度;动态特性差，吸热板有较大的热容量。

(3)扁盒式。扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板(如图2c)，吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。通常，流体通道之间采用点焊工艺，吸热板四周采用滚焊工艺。扁盒式吸热板的优点：热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻;不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。缺点：焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢的问题;耐压能力差，焊点不能承受较高的压力;动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大的热容量;有时水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀。
 
(4)蛇管式。蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形(如图2d)，然后再与平板焊接构成吸热板。这种结构类型在国外使用较多。吸热板材料一般采用铜，焊接工艺可采用高频焊接或超声焊接。蛇管式吸热板的优点：不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性;热效率高，无结合热阻;水质清洁，铜管不会被腐蚀;保证质量，整个生产过程实现机械化;耐压能力强，铜管可以承受较高的压力。缺点：流动阻力大，流体通道不是并联而是串联;焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。
 
2.吸热板上的涂层

为了使吸热板可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热板上应覆盖有深色的涂层，这称为太阳能吸收涂层。

太阳能吸收涂层可分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。


嘉普通太阳能新推出的宽幅太阳能吸热涂层不仅性能好，性价比之高也将远在其他宽幅涂层之上，价格约为同性能进口蓝膜的1/3、国产黑铬的2/3，经济贡献值突出。


3.吸热板所用材料

(1)集管和支管采用TP2铜TP2铜磷脱氧铜是熔解高纯度的原材料，把熔化铜中产生的氧气用亲氧性的磷(P)脱氧，使其氧含量降低到100PPm以下，从而提高其延展性、耐蚀性、热传导性、焊接性、抽拉加工性，在高温中也不发生氢脆现象。

(2)条带(整板)采用铜或铝TU1无氧紫铜标准(GB/T5231-2001)
特性及适用范围：氧的含量极低，纯度高，导电导热性极好，延展性极好，透气率低，无“氢病”或极少“氢病”;加工性能和焊接、耐蚀耐寒性均好。


二
透明盖板


透明盖板是平板型集热器中覆盖吸热板、并由透明(或半透明)材料组成的板状部件。它的功能主要有3个：一是透过太阳辐射，使其投射在吸热板上;二是保护吸热板，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀;三是形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。

1.透明盖板的材料

用于透明盖板的材料主要有两大类：平板玻璃和玻璃钢板。两者相比，目前国内外使用更广泛的还是平板玻璃。

(1)平板玻璃。平板玻璃具有红外透射比低、导热系数小、耐候性能好等特点，在这些方面无疑是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板的要求。然而，对于平板玻璃来说，太阳透射比和冲击强度是两个需要重视的问题。

目前常用的透明盖板材料是厚度为3~5mm的平板玻璃，超白低铁钢化玻璃或超白低铁布纹钢化玻璃，透过率高，能够抗冰雹，抗击打，安全可靠。常用玻璃厚度为3.2mm和4.0mm两种。
 
超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃。它是一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种，透光率可达91.5%以上，具有晶莹剔透、高档典雅的特性，有玻璃家族“水晶王子”之称。超白玻璃同时具备优质浮法玻璃所具有的一切可加工性能，具有优越的物理、机械及光学性能，可像其他优质浮法玻璃一样进行各种深加工。
 
2.透明盖板的层数及间距

透明盖板的层数取决于太阳能集热器的工作温度及使用地区的气候条件。绝大多数情况下，都采用单层透明盖板;当太阳能集热器的工作温度较高或者在气温较低的地区使用，譬如在我国南方进行太阳能空调或者在我国北方进行太阳能采暖，宜采用双层透明盖板;一般情况下，很少采用3层或3层以上透明盖板，因为随着层数增多，虽然可以进一步减少集热器的对流和辐射热损失，但同时会大幅度降低实际有效的太阳透射比。

对于透明盖板与吸热板之间的距离，国内外文献提出过各种不同的数值，有的还根据平板夹层内空气自然对流换热机理提出了最佳间距。但有一点结论是共同的，即透明盖板与吸热板之间的距离应大于20mm。


三
隔热层


隔热层是集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。

1.隔热层的材料

用于隔热层的材料有：岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用较多的是玻璃棉。虽然聚苯乙烯的导热系数很小，但在温度高于70℃时就会变形收缩，影响它在集热器中的隔热效果。在实际使用时，往往需要在底部隔热层与吸热板之间放置一层薄薄的玻璃棉或岩棉，在四周隔热层的表面贴一层薄的镀铝聚酯薄膜，使隔热层在较低的温度条件下工作。即便如此，时间长久后，仍会有一定的收缩，所以使用聚苯乙烯时，应给予足够的重视。

玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维，具有成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、吸音性能好、耐腐饰、化学性能稳定。

2.隔热层的厚度
 
隔热层的厚度应根据选用的材料种类、集热器的工作温度、使用地区的气候条件等因素来确定。应当遵循这样一条原则：材料的导热系数越大、集热器的工作温度越高、使用地区的气温越低则隔热层的厚度就要求越大。一般来说，底部隔热层的厚度选用30~50mm，侧面隔热层的厚度与之大致相同。
 

四
外壳


外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。

1.外壳的技术要求

根据外壳的功能，要求外壳有一定的强度和刚度，有较好的密封性及耐腐蚀性，而且有美观的外形。

2.外壳的材料

用于外壳的材料有铝合金、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。为了提高外壳的密封性，有的产品已采用碳钢板一次模压成型工艺。目前平板集热器外壳(边框)应用最多的材料是铝合金和碳钢板一次模压成型。