平板太阳能集热器技术问题简述

上海哲能赫太阳能设备有限公司 ■ 范介清 周雄峰 周淑军 秦学军

一 引言

平板太阳能集热器从最早期的“黑漆涂层+自然循环”发展到现在的“高效选择性吸收涂层+强制循环”，产品的集热性能有了很大的提高。辅助加热、防冻介质二次换热及智能控制系统等新技术的引入使得平板太阳能热水器的性能更加稳定，使用舒适度得到了有效的改善，使用范围也越来越广泛。

平板太阳能集热器是太阳能热利用的重要形式之一。与真空管集热器相比，平板太阳能集热器具有外形美观、可承压、易与建筑结合等固有特点，被广泛应用于太阳能集中供热系统和户式阳台壁挂系统，市场前景广阔，由此大量厂家纷纷跨行进入平板集热器行业。虽然生产平板太阳能集热器的技术要求不高，但由于生产技术和经验的限制，所生产的平板太阳能集热器质量也是参差不齐。目前，高效平板太阳能集热器已经解决了产品集热性能的问题(在60℃以下，其单位集热器面积得热量略大于真空管集热器)，但在细节上还存在诸多不足，使用效果不够理想，不利于市场推广。高效的集热性能、出色的密封和呼吸，以及长期稳定的使用效果既是消费者的需求，也是平板太阳能集热器行业的发展方向。

二 平板集热器技术

目前市场上在售的平板集热器主要存在以下5个方面的技术问题。

1 产品安全技术

主要为产品在强风、暴雨、冰雹等极端天气条件下的安全使用问题。平板太阳能集热器安装在室外，不可避免在极端天气条件下运行，必须保证集热器的安装牢固和自身抗冲击性能。相比真空管集热器，同等面积的平板集热器对强风的承载面积更大，且自重又小于装满水的真空管集热器，因此其支架必须加厚加固，同时表面应做防锈处理。平板集热器所采用的低铁钢化玻璃可抵御直径30mm钢球0.5m的自由落体撞击，一般都可经受暴雨和冰雹等较大负载；另一方面，由于钢化玻璃中硫化镍(NiS)的存在会引起自爆现象(图1)，一般要求选用钢化玻璃的自爆率要小于1ä 。

图1 钢化玻璃盖板自爆

2 集热技术

平板太阳能集热器的集热技术主要体现在太阳能选择性吸收涂层。由于技术工艺的不同，不同涂层的吸收率、发射率及使用寿命也不同。黑铬涂层是由金属铬和氧化铬组成的金属陶瓷型涂层，特殊结构材料的表面效应使其具有高稳定的结构状态，该涂层吸收率为0.97，发射率约为0.12，中性盐雾试验大于120h。

阳极氧化是指对金属衬底进行阳极氧化处理，制备具有梯度分布的多孔表面，然后通过在孔洞中掺入金属来获得高的太阳能吸收率，与衬底的低红外发射特性配合可获得选择性吸收效果，涂层与金属结合较为稳定，吸收率在0.85～0.91之间，发射率0.15，中性盐雾测试约24h。蓝钛涂层技术采用电子束蒸发的方法将钛和石英在电子射线枪的作用下被汽化，汽化物在加入氮和氧后发生化学反应生成氮氧化钛，最后在金属(铜)带上沉积冷凝成涂层，该涂层厚度较薄，且涂层与金属底板的附着力不强，涂层吸收率约为0.96，发射率最低只有0.05，不过中性盐雾测试不到6h。当然，产品的集热性能不仅与吸收涂层有关，集热器的密封性能、用料、制造的技术及后期的保养等对产品寿命都有很大的影响。

图2 不同吸收涂层盐雾试验24h后的效果

3 集热器密封和呼吸技术

集热器的密封可减小热量的对外损失，同时避免外界水汽、腐蚀性气体和粉尘等因素对集热性能的影响。集热器吸收太阳辐射后温度升高，集热器内部空气受热膨胀，必须通过呼吸口向外排出；到了傍晚，集热器降温，外部空气回流到集热器内部。在这个循环中，环境空气中的腐蚀性气体会影响选择性吸收涂层的吸收效率和使用寿命，而带入集热器的水汽会加大集热板芯与玻璃盖板间的对流换热，并且集热器玻璃棉或岩棉保温材料吸收水分后保温性能将大大降低。另一方面，集热器内铜管与吸热铝板焊点（特别是激光焊接）在潮湿空气中极易发生电化学腐蚀现象。因此，集热器的设计应遵循整体密封的原则，呼吸口在起到呼吸作用的同时，要提高防水防尘性能，并选用非亲水的保温材料。

4 焊接技术

图3 集热器内部存在水汽现象

图4 密封较差的集热器吸热涂层腐蚀现象

平板太阳能集热器内部存在大量焊接工艺，包括氧焊、超声波焊接和激光焊接。焊接处最易发生腐蚀、脱漏和泄露。由于焊接处都在集热器内部，一旦出现问题，难以维修，整个集热器都将报废。在平板太阳能集热器生产过程中，对于氧焊，要求焊接牢固、不泄露，铜管无变形；对于超声波焊接和激光焊接要求焊点均匀、牢固，对吸热板破坏小。最常见的问题是焊接铜管铝板时由于工艺参数设置不当而造成的假焊现象，即焊接处看似焊接在一起，实际上两者依然独立分开，铜管和铝板间的热阻巨大，严重影响集热器的集热性能。

表1 超声波焊接、激光焊接技术对比

超声波焊接与激光焊接各有优缺点。激光焊接引起的吸热板上凸会增加集热器通过玻璃盖板的对外散热，上凸严重时吸热板将直接与玻璃面板接触，大大影响集热保温性能；超声波焊接引起的吸热板下凹则会破坏集热器背保温材料，同样影响集热保温性能。因此，需要在集热器内部设置固定吸热板的装置，以保证集热器性能。

5 与建筑一体化技术

平板太阳能集热器与建筑一体化是平板太阳能热水器的发展方向。集热器与建筑一体化要求在建筑设计施工时就考虑到太阳能集热器的安装和预留位置，另一方面要求集热器自身能够与建筑结合，满足建筑的强度、承压、保温、防水等要求。

平板太阳能集热器与建筑一体化最重要的技术是集热器的建筑构件化，即将平板太阳能集热器做成建筑的阳台护栏、屋顶、遮阳棚、幕墙等构件，通过特定的方式集成到建筑上。要求集热器从选材到工艺，从结构形式到安装方式都必须全面考虑与建筑一体化的要求，即需要重新设计一种全新形式的集热器，使其在使用寿命、产品安全、保温防水和安装形式上都能与建筑要求相匹配。阳台壁挂式太阳能热水系统和屋顶别墅式太阳能热水系统可很好地与建筑结合，但其集热器仍然是建筑的附属。一旦平板太阳能集热器成为建筑的某一部件，集热器与建筑、集热器与集热器之间的密封安装问题将显得尤为重要。

三 结论

近年来，平板太阳能集热器技术不断进步，产品的性能显著提高，但是在长期集热性能、使用寿命及与建筑一体化方面仍有较大改善空间。通过研究平板太阳能集热器的技术发展过程，并对现有产品存在的技术问题进行归类总结和深入分析，指出了高效的集热性能、出色的密封、呼吸系统及长期稳定的使用效果是未来平板太阳能集热器的发展方向。