平板型太阳能集热器全塑化的研究

姜立军 蒋建平 庄长宇

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

1 引言

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，其流道中的工质与太阳进行热量交换。平板太阳能集热器主要是由透明盖板、吸热体、壳体、保温材料等零部件组成。在连接循环管道、保温水箱后，即可以吸收太阳辐射，将光能转换为热能，使水温升高。市场上现有常规平板型集热器的一般配置及特点是：

（1）透明盖板采用钢化玻璃，有自爆隐患，尤其是阳台平板型太阳能集热器危险性较高。

（2）吸热体及流道采用铜或者铝等金属材质，先进行栅格焊接，再以超声波或者激光焊接方式将吸热片焊接在栅格上，形成吸热体。

（3）框架采用≤1mm铝型材及0.3mm的镀锌板，强度低易腐蚀。

（4）金属流道及栅格焊接点有腐蚀泄露隐患。

（5）金属流道无耐冻能力，容易冻裂。

（6）除保温棉和玻璃外，其他均采用金属材料，整机重量大，约40kg/2平米，运输和安装不便。

为了解决这些产品固有的问题点，提升用户的使用体验，研究全塑型的平板型太阳能集热器势在必行。

2 设计方案介绍

针对常规平板集热器的问题点，全塑型平板集热器主要结构的所有零部件全部采用塑料类材质，整体效果图如图1所示。

2.1 优势介绍

全塑型平板集热器的框架使用耐候性PVC改性材料，吸热板芯采用耐候PP改性材料，盖板使用耐UV层聚碳酸酯材料，保温使用耐高温PU材料。从重量、寿命、防冻、防腐、维护、性价比等诸多方面均优于现有常规集热器产品。其优势主要体现在以下几个方面：

（1）重量轻：约18kg/台（2平米），便于运输和安装，常规产品35kg/台（2平米）。

（2）寿命长：塑料盖板不破碎，抗冲击性能是玻璃的200倍，耐候性不低于15年。

（3）无腐蚀：专利技术开发的聚合物材料可避免产生水垢，产品也适用于导热介质有腐蚀性的热水系统。

（4）免维护：吸热板芯，无缝焊接工艺，“一片式”设计，防止漏水，节约能源。

2.2 主要部件框架与板芯的设计方案

2.2.1 热器框架

集热器框架结构效果图如图2所示，边部的型材使用耐候PVC进行改性，通过添加CPE氯化聚乙烯、石蜡、硬脂酸、炭黑等添加剂，大大提高了型材的韧性、强度、材料流动性以及材料的抗紫外能力等。边框设计为中空结构，如图3所示。保温性能较普通集热器铝型材结构更加优异，边框内侧与底板、保温层、阳光板、粘结剂配合，形成整体封闭的集热器框架空腔，使得集热器整体的保温性能大大提升，远超国家标准的规定。

2.2.2 集热器吸热板芯

图1 集热器整体效果图

图2 集热器边框框架效果图

图3 集热器边框效果图

图4 集热器吸热板芯效果图

图5 集热器框架TGA曲线图

集热器的吸热板芯结构如图4所示，使用耐候PP进行改性，通过添加炭黑、紫外线吸收剂、抗氧化剂等等添加剂，提升材料的耐温性能、耐候性能以及热吸收性能等。最重要的是，解决了普通平板集热器的耐冻问题。如图4所示，整个板芯由120个直径为6mm的细管组成，整体通径大，压力降低，为太阳能热水系统减小了循环阻力。

3 设计指标分析

作为平板型太阳能集热器，热性能是其最重要的核心技术参数，本方案全塑型平板集热器，已委托国家专业检测机构进行性能测试。根据国家标准的规定，所有检测项目全部合格，其中热性能超过标准规定两个百分点，详见如表1所示的报告节选。

除了热性能之外，与常规平板型集热器差异最大，也是本设计方案最大特点的就是材料的选择。前面已经提及，本设计方案的主要零部件框架和板芯均采用塑料类材质。与常规产品主要采用铜铝等金属材质不同，塑料类材质的耐候性将决定整个平板集热器的耐候性能，也就是产品的使用寿命。

本设计方案中所使用的主要零部件都依据GB/T 7142-2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》中的规定，以拉伸屈服强度下降至原始值的50%作为失效终点，对零部件原材料老化测试，推算评测产品的寿命。

3.1 集热器框架寿命评测

如图5显示，由TGA曲线可知该样品的起始分解温度为 174.46℃，根据该温度点和预老化试验得出四个温度点（80℃、100℃、110℃、120℃）进行试验。

如图6显示，由该曲线，参考GB/T 7142-2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》规定测定失效时间，以拉伸屈服强度下降50%为临界值，可以得出不同试验温度所对应的老化时间，结论如表2所示。

根据测试结果，依据GB/T 7142-2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》规定的方法得出温度-时间曲线，如图7所示。可以推导出该样品在40℃时寿命约为25年，45℃时寿命约为16年。

表1 全塑型平板集热器的热性能指标

表2 集热器框架材料试验温度相应的老化时间

图6 集热器框架拉伸屈服强度保留率-时间曲线图

图7 集热器框架老化温度-时间曲线图

图8 集热器吸热板芯老化温度-时间曲线图

检测结论及说明：根据 GB/T 7142-2002规定，以拉伸屈服强度下降至原始值的50%作为失效终点时，试样在（起始分解温度为 174.46℃）80℃、100℃、110℃、120℃下的平均失效时间分别为6148h、1735h、1235h、317h。产品实际使用温度假设为40℃或50℃，根据GB/T 7142-2002规定的方法进行推测，样品评测寿命约为25年。

3.2 集热器吸热板芯的寿命分析

运用相同的测试及分析方法，根据GB/T 7142-2002规定的方法，以拉伸屈服强度下降至原始值的50%作为失效终点时，试样（始分解温度为312.81℃）在135℃、160℃、170℃、180℃下的平均失效时间分别为5789h、2559h、1082h、117h。最终得出集热器吸热板芯的温度-时间曲线，如图8所示。产品实际使用温度假设为100℃，根据GB/T 7142-2002中规定的方法进行推测，样品评测寿命约为27年。

4 结束语

本文介绍了一种平板型太阳能集热器的全塑方案，详细介绍了集热器的两个主要部件“集热器框架”和“集热器板芯”的设计方案及材料选配方案，以及在结构设计和材料选配中，需要考虑到集热器保温，材料耐候、耐温等主要的性能要求。

针对塑料类材料在平板型集热器中应用的寿命问题，本文进行了详细的试验检测结果分析讨论，并给出了准确的分析结论。本设计方案所选择材料，在相关的环境条件下，设计寿命可以达到15年以上，可以与目前行业内常规的平板型集热器相媲美。

[1] 国家节能产品质量监督检验中心, 平板型太阳能集热器检测报告.

[2] TUV检测机构, 塑料集热器材料寿命检测报告.

[3] 国家标准GB/T 7142-2002塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定.

[4] 国家标准GB/T 6424-2007平板型太阳能集热器.