太阳能集热管加速老化性能分析

江苏省产品质量监督检验研究院 ■ 操恺 薛怀生

太阳能集热管加速老化性能分析

江苏省产品质量监督检验研究院 ■ 操恺 薛怀生*

全玻璃真空太阳能集热管在升高温度和增加老化时间下进行加速试验处理，对其光学性能、成分及热性能进行测试和分析。结果表明，真空管老化后，光学及成分没有发生变化。罩管和吸气剂这一不同于平板集热器的特殊结构使得其具有不同的老化机理，因此，其寿命阈值的构建只能基于热性能而非光学性能参数。

全玻璃真空太阳能集热管；加速老化；热性能；光学性能；热水器；性能阈值

0　引言

太阳能集热器在长期运行过程中将因外部条件的影响而出现性能下降，对其长期性能的研究有利于长期性能的预估、测试标准和系统的优化设计。然而，传统方式的研究方法耗时耗力，长期的性能研究少则数月，长者可达数十年[1-5]。因此，快速试验成为研究集热器长期性能的首选方法。

对于平板式集热器，罩板和吸热板的间隔空间为非密封结构，涂层受温度、湿度及气氛条件影响，涂层材料的氧化和水合反应降低了涂层的光学性能，导致集热器热性能的降低[6-8]。改善夹层空间的密封性能将有利于集热器的长期性能[1]。

真空太阳能集热管是杜瓦瓶式结构，真空夹层抑制导热和对流损失，同时夹层的真空状态对内玻璃外壁上的选择性涂层有保护作用，集热管性能受外部影响较低。快速试验结果表明，膜层在温度低于350 ℃老化后，膜层性质变化甚微[9-11]。因此，难以通过建立阈值的方法实现对其寿命的预测[6,12,13]。

本文以快速试验的方法对全玻璃真空太阳能集热管的光学性能、成分及热性能进行测试，在此基础上分析外部工作条件对性能变化的影响，寻找能够表征真空管长期性能变化的参数。

1　试验及测定

选用罩玻璃管外径φf58-1800的Cu-Al不锈钢(SS-AlNx/Cu)全玻璃真空太阳能集热管作为试验样品。集热管在经加速试验处理后，对其吸收率、半球发射比、空晒、闷晒、热损，以及组成的热水器进行试验表征。

1.1集热管加速试验

自制加热系统，对集热管内管空间进行恒定温度和时间的加热处理。加热温度范围为80～350 ℃，选择5个温度点，每个温度点设定10个不同的保温时间。处理温度低，则加热时间长；处理温度高，则其加热时间相应缩短。处理时间最长为半年，最短则依照国家标准为48 h。

1.2热性能参数测定

集热管的热性能参数包括空晒性能参数、太阳辐照量和平均热损系数。依照GB /T 17049-2005[14]，集热管的空晒性能参数和平均热损系数按照式(1)和式(2)计算：

式中，Y为空晒性能参数，(m2•℃)/kW；ts为空晒温度，℃；ta为平均环境温度，℃；G为太阳辐照度，kW/m2。

式中，ULT为平均热损系数，W/(m2•℃)；Δτ为从水温t1～t3总的测试时间，s；M为全玻璃真空太阳能集热管内水的质量，kg；cpw为水的比热容，J/(kg•℃)；AA为吸热体外表面积，m2；tm为在测试时间内，全玻璃真空太阳能集热管内水的平均温度，tm=(t1+t2+t3)/3，其中，t1、t2、t3分别为3次时间的全玻璃真空太阳能集热管内水的平均温度，℃；ta为平均环境温度，ta=(ta1+ta2+ta3)/3，其中，ta1、ta2、ta3分别为在相同时刻分别记录3次环境温度，℃；下角标1、2和3分别表示在测试时间内的3次数据点。

2　镀膜分析

全玻璃真空太阳集热管内管外壁的镀膜的吸收率采用Agilent Cary 5000 紫外-可见-近红外分光光度计测试，吸收率用HE型全玻璃真空太阳能集热管半球发射比检测仪进行测试，测定温度设定为100 ℃。样品的Al、Cu、O、C和Cr的元素及价态变化分析在XPS上进行。

3　结果和讨论

真空管在经快速老化处理后热性能的变化见表1。由表1可知，真空管在经快速老化处理后的太阳辐照量和平均热损系数同时增加，分别为2.8%和6.6%；其空晒性能参数下降11.3%。这表明真空管经快速老化处理后热性能下降。

表1　快速老化试验前后热性能参数对比

图1为6支空白样的吸收率的测定值，均值为90.89%，偏差在2%左右。对不同温度和老化时间条件下真空管快速老化后内管外壁的镀膜吸收率进行测试，结果相似，以处理温度350 ℃为例，结果见图2。测试数据散布于均值两侧，在测试温度条件下，镀膜吸收率和加热时间无关联性。

图1　空白样的真空镀膜的吸收率

图2　处理温度350 ℃，不同老化时间-吸收率变化情况

图3和图4分别为空白样和在快速老化处理后镀膜半球发射比的测试结果。类似于其吸收率，变化无规律性，未形成老化温度和时间的明显关系。

图5为真空管原样以及经不同温度和时间老化处理后的XPS图。从图5可知，对选定的元素，老化处理后及原样有相同的特征峰位置，其结合能相同，元素的价态未发生变化，样品无化学反应发生。元素特征峰的强度发生变化，在经开管、放置后元素含量的变化不能反应老化过程的含量的变化。在试验拟定的温度和时间老化处理后，样品无明显的化学反应发生，无法确定元素含量的确切变化。

图3　空白样的真空镀膜的半球发射比变化情况

图4　处理温度350 ℃，不同老化时间-半球发射比的变化情况

图5　样品不同处理方式下的XPS图

全玻璃真空太阳能集热管在经拟定的温度和时长条件老化处理后，镀膜吸收率、半球发射比未呈规律性变化，XPS分析表明膜层未发生化学反应。然而，集热管的热性能发生较明显的改变。原因在于真空夹层及吸气剂的存在对膜层的保护作用，外部因素的影响大为降低，在设定的温度和老化时间条件下，相关物理性质参数无明显规律性变化，这与其他的研究结果相符合[9,11]。

然而，真空集热管在经老化处理后，真空集热管的吸气剂镜面发黑、长度缩短，真空夹层内气体压强发生变化。由于气体通过玻璃管壁向真空夹层的扩散过程非常缓慢[4]，因此，气体在玻璃管内壁的脱附为真空夹层内部压强变化的主因。气体导热的影响得以显现，最终体现为真空集热管热性能参数的变化。

4　结论

在经试验拟定的温度和时间老化后，真空管吸收率、半球发射比未呈规律性变化，镀膜未发生化学变化。然而，可能存在的物理过程包括气体成分的扩散和脱附造成真空夹层的气体成分和含量的变化，从而导致内部压强的变化，气体导热增强，影响到集热管热性能。

全玻璃真空太阳集热管由于真空夹层及吸气剂的存在大幅降低了外部环境的影响，镀膜相关参数在拟定的试验条件下未表现出明显变化，无法参照平板式太阳能集热器寿命预测的方法，将寿命阈值的构建基于镀膜的光学性能(吸收率和发射率)。但经老化处理后，样品热性能变化较为显著，这为进一步的研究提供新的思路。可以考虑将其寿命和热性能相关联，构造相关阈值，最终建立起符合全玻璃真空太阳能集热管这一传热部件特点的快速寿命检测办法。

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[14] GB/T 17049-2005, 全玻璃真空太阳集热管[S].

2016-04-26

薛怀生(1975—)男，高级工程师，主要从事太阳能热利用产品的质量检测及方法研究。h.shengxue@gmail.com