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天平板太阳能集热器优势

平板集热器的特点

            一、结构简单,灵活精巧、易维护;

            二、形式多变,易与建筑完美融合;

            三、寿命长、性能稳定;

            四、防冻防垢、融霜化雪;

            五、水质清洁、利于健康。

          平板太阳能集热器结构简单,运行可靠,成本低廉,热流密度较低,即工质的温度也较低,安全可靠,与真空管太阳能集热器相比,它具有承压能力强,吸热面积大等特点,是太阳能与建筑一体结合最佳选择的集热器类型之。

         平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置,它是一种特殊的热交换器,集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。平板太阳能集热器是由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。在加接循环管道,保温水箱后,即成为能吸收太阳辐射热,使水温升高。

平板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。平板太阳能集热器主要由平板太阳能集热器吸热板、平板太阳能集热器透明盖板、平板太阳能集热器隔热层和平板太阳能集热器外壳等几部分组成(如图)。

 平板太阳能集热器原理

                  平板太阳能集热器结构示意图

工作原理

    平板太阳能集热器的基本工作原理十分简单。概括地说,阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上,其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收,转变为热能,并传向流体通道中的工质。这样,从集热器底部入口的冷工质,在流体通道中被太阳能所加热,温度逐渐升高,加热后的热工质,带着有用的热能从集热器的上端出口,蓄入贮水箱中待用,即为有用能量收益。与此同时,由于吸热体温度升高,通过透明盖板和外壳向环境散失热量,构成平板太阳集热器的各种热损失。

基本结构

吸热板:

         吸热板是平板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。 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(如图)

 

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   平板太阳能集热器吸热板结构形式

平板太阳能集热器吸热板所用材料

        ⑴平板太阳能集管和支管采用TP2铜是熔解高纯度的铜磷脱氧铜是熔解高纯度的原材料原材料,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。

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⑵平板太阳能集热器条带(整板)采用铜或铝TU1无氧紫铜标准

        TP2铜磷脱氧铜      条带(整板)采用铜或铝TU1无氧紫铜标准GB/T5231-2001,平板太阳能集热器吸热板材料特性及适用范围: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。吸热板结构:按吸热板的结构不同可分类为:管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。

⒈管板式吸热板

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平板太阳能集热器管板式吸热板

         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(如右图所示),然后再与上下集管焊接成平板太阳能集热器吸热板。这是目前国内外使用比较普遍的吸热板结构类型。 

⒉翼管式吸热板

         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(如右图),然后再与上下集管焊接成吸热板。平板太阳能集热器吸热板材料一般采用铝合金。

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平板太阳能集热器翼管式吸热板

        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。

        翼管式吸热板的缺点: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。

⒊蛇管式吸热板

        蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形(如右图),然后再与平板焊接构成吸热板。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。

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平板太阳能集热器蛇管式吸热板:

         蛇管式吸热板缺点: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。

⒋扁盒式吸热板:

         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,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,平板太阳能集热器扁盒式吸热板四周采用滚焊工艺。 平板太阳能集热器扁盒式吸热板优点: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。

扁盒式吸热板缺点:

        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。

涂层:

         为了使平板太阳能集热器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。吸热板的涂层材料对吸收太阳辐射能量起非常重要的作用。因为太阳辐射的波长主要集中在0.3~2.5μm的范围内,而吸热板的热辐射则主要集中在2~20μm的波长范围内,要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力,又要减小热损失,降低吸热板的热辐射,就需要采用选择性涂料。选择性涂料是对太阳短波辐射具有较高吸收率,而对长波热辐射发射率却较低的一种涂料。 

吸收涂层可分为两大类:

          ⑴非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。

          ⑵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。

          一般而言,要单纯达到高的太阳吸收比并不十分困难,难的是要在保持高的太阳吸收比的同时又达到低的发射率。对于选择性吸收涂层来说,随着太阳吸收比的提高,往往发射率也随之升高;对于通常使用的黑板漆来说,其太阳吸收比可高达0.95,但发射率也在0.90左右,所以属于非选择性吸收涂层。

          选择性吸收涂层可以用多种方法来制备,如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发方法、磁控溅射方法等。采用这些方法制备的选择性吸收涂层,绝大多数的太阳吸收比都可达到0.90以上,但是它们可达到的发射率范围却有明显的区别。从发射率的性能角度出发,上述各种方法优劣的排列顺序应是:磁控溅射方法、真空蒸发方法、电化学方法、化学方法、喷涂方法。当然,每种方法的发射率值都有一定的范围,某种涂层的实际发射率值取决于制备该涂层工艺优化的程度。

按吸热板涂层可分类为:电镀涂层、化学表面转化涂层、真空镀涂层。

平板太阳能热水工程

⒈电镀涂层:

    ⑴黑铬涂层

           黑铬涂层的吸收比α和发射比ε分别为0.93~0.97和0.07~0.15,α/ε为6~13,具有优良的光谱选择性。黑铬涂层的热稳定性和抗高温性能也很好,适用于高温条件,在300℃能长期稳定工作。此外,黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。但是,现在采用的电镀黑铬工艺,电流密度大(15~200A/dm2),溶液导电性差,电镀时会产生大量的焦耳热,需要冷却和通风排气才能维持正常生产。另外,黑铬镀在非铜件上,需要先预镀铜,再镀光亮镍,最后镀黑铬,生产成本较高。

    ⑵黑镍涂层

          黑镍涂层的吸收比α可达0.93~0.96,热发射比ε为0.08~0.15,α/ε接近6~12,其吸收性能较好。黑镍涂层很薄,为了提高涂层与基体的结合力和耐蚀性,常采用中间涂层(如Ni,Cu,Cd)或双层镍涂层。由于黑镍涂层的热稳定性、耐蚀性较差,通常只适用于低温太阳能热利用。

    ⑶黑钴涂层

           黑钴涂层的主要成分是CoS,具有蜂窝型网状结构,其吸收比α可达0.94~0.96,发射比ε为0.12~0.14,α/ε为6.7~8。

⒉电化学表面转化涂层

     ⑴、铝阳极氧化涂层:

           铝及铝合金的阳极氧化可在硫酸介质中进行,但在太阳能热利用中,主要用磷酸介质。铝氧化涂层着色有多种工艺,其中电解着色工艺获得的涂层,具有牢固、稳定、耐晒优良特性,并且可进行大规模生产。

          铝阳极氧化涂层是一种多孔膜,孔隙率达22%,电解着色时金属易沉积在微孔中。用于电解着色的金属盐类有:镍盐、锡盐、钴盐和铜盐等。

          铝阳极氧化涂层,耐蚀、耐磨和耐光照等性能也相当好,在平板太阳能热水器中已得到广泛应用。

    ⑵、CuO转化涂层

          以阳极氧化法制取的CuO转化涂层,NaOH电解液的浓度为1mol/L,电流密度为2mA/cm2,温度为50~57℃。涂层的吸收比可达0.88~0.95,法向发射比为0.15~0.30。这种CuO涂层有一层黑色绒面,保护不好,会导致吸收比的降低。

  (⒊)、真空镀涂层

           可以采用真空蒸发和磁控溅射技术制备选择吸收性能优良的涂层,但后者的设备比较简单,工艺控制方便,容易在大面积上获得均匀一致的涂层。目前,国内生产的全玻璃真空集热管和高档平板集热器吸热板都采用磁控溅射技术制备吸收涂层。

太阳能热水工程

透明盖板

            透明盖板是平板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。

平板太阳能集热器透明盖板的层数及间距

            平板太阳能集热器透明盖板的层数取决于平板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,平板太阳能集热器都采用单层透明盖板,当平板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,譬如在中国南方进行太阳能空调或者在中国北方进行太阳能采暖,平板太阳能集热器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。

            对于平板太阳能集热器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,即透明盖板与平板太阳能集热器吸热板之间的距离应大于20mm。

透明盖板的材料选择:用于透明盖板的材料主要有两大类:

     ⒈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。

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平板太阳能集热器平板玻璃透明盖板

           平板太阳能集热器超超白玻璃盖板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。

平板太阳能集热器超白玻璃盖板的独特优势:

          A、玻璃的自爆率低:采用高纯度原材料,相对普通玻璃不含各种引爆杂质,从而大大降低了钢化后的自爆率。

          B、颜色一致性:超白玻璃采用先进的色度分析仪和分析软件,确保了玻璃颜色的一致性。

          C、可见光透过率高,通透性好:大于93%的可见光透过率,使集热器得到更多太阳能量。

          D、紫外线透过率低:降低对其他材料的老化影响。

⒉玻璃钢板。

          平板太阳能集热器玻璃钢板(即玻璃纤维增强塑料板)具有太阳透射比高、导热系数小、冲击强度高等特点,在这些方面无疑也是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板的要求。然而,对于玻璃钢板来说,红外透射比和耐候性能是两个需要重视的问题。玻璃钢板的单色透射比与波长关系曲线表明,单色透射比不仅在2pm以内有很高的数值,而且在2.5pm以上仍有较高的数值。

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平板太阳能集热器玻璃钢板透明盖板

           因此,平板太阳能集热器玻璃钢板的太阳透射比一般都在0.88以上,但它的红外透射比也比平板玻璃高得多。平板太阳能集热器玻璃钢板通过使用高键能树脂和胶衣,可以减少受紫外线破坏的程度。但是,玻璃钢板的使用寿命是无论如何不能跟作为无机材料的平板玻璃相比拟的。当然,平板太阳能集热器玻璃钢板具有一些平板玻璃所没有的特点。例如:玻璃钢板的质量轻,便于太阳能集热器的运输及安装;玻璃钢板的加工性能好,便于根据太阳能集热器产品的需要进行加工成型。平板太阳能集热器玻璃钢板作为集热器的盖板应用已经越来越少了,目前只在部分低端产品有应用。两者相比,目前国内外使用更广泛的还是平板玻璃。

隔热层

   一、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

   二、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。

            隔热层的厚度应当遵循这样一条原则:

            材料的导热系数越大、平板太阳能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。

三、平板太阳能集热器隔热层材料

           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,

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    岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯隔热层材料

           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。

酚醛泡沫是一种新型的可以提高平板太阳能集热器的高效保温材料。市场上已逐渐有厂家在使用。

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聚氨酯、酚醛泡沫隔热层材料

         酚醛泡沫介绍:酚醛泡沫(PhenolicFoam,简称PF),是以酚醛树脂和乳化剂、发泡剂、固化剂及其他助剂等多种物质,经科学配方发泡固化而成的闭孔型硬质泡沫塑料。

         酚醛泡沫材料的特性总结如下:

         A、出色的保温隔热性能,导热系数<0.03W/m·K。

         B、较高的工作温度。酚醛泡沫能在-200℃~160℃(允许瞬时250℃)长期工作,无收缩。

         C、出色的耐候性。长期暴露在高温之下,仍然有较好的保温隔热性能,不会释放任何可能阻隔太阳能辐射的挥发性物质。

         D、不燃性。酚醛泡沫(100mm厚)抗火焰能力可达1小时以上不被穿透,且无烟,无有害气体散发。酚醛泡沫见明火时,表面形成结构碳,无滴落物、无卷曲、无融化现象。过火后,表面形成结构碳的石墨层,有效地保护了泡沫的内结构。

         E、环保。采用无氟发泡技术,无纤维,符合国家、国际的环保要求。

酚醛泡沫与聚氨酯相比:相近的保温性能,却具有更高的工作温度,且不燃。

          酚醛泡沫与岩棉相比:更好的保温性能,更干净,对人体无害。

   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。

   外壳的技术要求

         根据平板太阳能集热器外壳的功能,要求平板太阳能集热器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。

   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。为了提高平板太阳能集热器外壳的密封性,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。

         铝合金:一般应用的为6063T5的铝合金型材。6063系列铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙的框架,为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能,对平板太阳能集热器铝合金型材综合性能的要求远远高于工业型材标准。

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