怎样判断全玻璃真空太阳集热管的性能好坏.doc

怎样判断全玻璃真空太阳集热管的性能好坏 编写人：宋彩功 全玻璃真空太阳集热管（以下简称真空集热管）是当前我国太阳能光热领域产量最大，使用最广，节能效果最突出的太阳热水系统的核心基础元件。它的性能好坏，直接关系到热水器的热性能。目前，国内生产真空集热管的厂家与品牌众多，技术水平参差不齐，价格高低悬殊，宣传口径也很不一致。那么，怎样判断真空集热管的性能好坏呢？国家质量监督检验检疫总局与国家标准化管理委员在2005年5月25日发布了新的国家标准全玻璃真空太阳集热管（GB/T 170492005）。新标准自2005年11月1日开始实施，从而取代了1997年发布，已经实施达8年之久的旧标准（GB/T 170491997）。因此，我们判断真空集热管的性能优劣，只能以新发布的国家标准为依据。新旧标准相比，主要技术内容变化有：提高了真空集热管及其材料的光热性能指标；增加了罩玻璃管直径为58mm的真空集热管的技术规定； 增加了真空集热管的真空品质检测；增加采用钢球进行机械冲击试验；本文仅以全玻璃真空太阳集热管（GB/T 170492005）为基础，结合自己的学习心得及实践，与同行和广大用户交流。为说明问题，文中列出清华阳光公司生产的真空集热管参数作为参考。一、新国标中有关材料性能的规定（见附表一、附表二）：附表一：新旧国标关于集热管材料性能的几个参数材料性能检测项目（玻璃管材料）太阳透射比（AM1.5）（太阳选择性吸收涂层）太阳吸收比（AM1.5）（太阳选择性吸收涂层）半球发射比(805)GB/T 170491997 0.89 0.86h 0.09GB/T 170492005 0.89 0.86h 0.080例：清华阳光速乐管 = 0.91 = 0.92h = 0.070例：清华阳光晒乐管 = 0.90 = 0.90h = 0.060例：清华阳光紫金管 = 0.91 = 0.95h = 0.050注：本文各附表中举例的清华阳光真空集热管的参数，均采自国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）或国家轻工业产品质量监督检测中心的检测报告。1、 太阳透射比新国标中规定的玻璃管材料的太阳透射比 0.89（AM1.5）。这是针对名为“硼硅玻璃3.3”的一种高硼硅玻璃材料的理化性能指标。“硼硅玻璃3.3”的平均线热膨胀系数（20300）=（3.30.1）106K1。我们习惯把它称为“硼硅玻璃3.3”。用“硼硅玻璃3.3”制作的玻璃管，其太阳透射比 0.89（AM1.5）。“AM1.5”即大气质量为1.5。所有制作真空集热管的厂家，都会说自己使用的原材料是“硼硅玻璃3.3”。但是，如果制作真空集热管的玻璃不是“硼硅玻璃3.3”，或是其含有过多的其他元素（如铁），玻璃颜色就会带有其他颜色（如绿色）。这样的玻璃材料制作出的真空集热管，太阳透射比会大大低于0.89（AM1.5），因而严重影响集热管的热性能。2、 太阳吸收比与半球发射比太阳吸收比与半球发射比是对太阳选择性吸收涂层的技术要求。新国标规定：吸收涂层的太阳吸收比 0.86（AM1.5），与旧国标相同。半球发射比h 0.080 (805)，比旧国标（0.09）降低了0.01；对于真空集热管来说，既要有较高的太阳吸收比，还要有很低的发射比，集热管的热效率才会得以提高。因此，这是两个极为重要的参数。目前，我国制作真空集热管普遍采用的仍然是多层铝氮铝太阳选择性吸收涂层制造技术。这一技术是清华大学殷志强教授于1984年发明，1985年申报国家专利，1987年获得批准的（专利号：851001424）。这一技术的基本原理是在镀膜机内，设置单圆柱铝靶的磁控溅射系统。镀膜机内一次装载数十只作为集热管内管的玻璃管，在“行星”机构传动下，玻璃管做公转与自转。立式圆柱铝靶在中心位置，在氩气中非反应溅射沉积铝底层，再注入流量可控的氮气，制备多层铝氮复合薄膜材料作为吸收层。这一被称为渐变铝氮/铝太阳选择性吸收涂层的制造技术，其太阳吸收比可达0.93，发射比约0.05（80）。这是世界上第一次只采用一种金属材料，既制备金属底层又制备复合薄膜材料的选择性吸收涂层。清华阳光公司利用此项技术生产的晒乐牌紫金系列真空集热管，经国家轻工业玻璃产品质量监督检测中心检测，其太阳吸收比 = 0.95 (AM1.5)；半球发射比h = 0.050 (805)；殷志强教授发明的渐变铝氮/铝太阳选择性吸收涂层的制造技术所需的真空设备比较简单，工艺控制更为方便，容易在大面积上获得均匀一致的选择性吸收涂层，并且撰写了较详细的科技论文。因此，这一研究成果迅速推动了我国太阳能光热利用的发展，同时受到国内外的广泛关注，获得了较高的评价。2005年，殷志强教授在世界太阳能大会上荣获“维克斯实业成就奖”和中国发明协会颁发的“发明创业奖”特等奖，并被授予“当代发明家”荣誉称号。目前，国内还出现了使用铝、不锈钢、铜三靶镀膜的技术。这种镀膜技术生产的选择性吸收涂层被称为干涉型吸收涂层，生产出的选择性吸收涂层具有较高的太阳吸收比和低的发射比，但由于设备结构复杂，阴极材料利用率低，性能与单靶多层膜又无明显差别，且价格较高。因此，其夸大宣传远远大于实际的使用效果。市场上，一些经销商提出的所谓“干涉型膜淘汰渐变型膜工艺”，纯属无稽之谈。实际上，渐变铝氮/铝太阳选择性吸收涂层或其他选择性吸收涂层中的层与层之间，同样存在着干涉这一自然现象，原理上是相同的，只是强调点不一致而已。当选择性吸收涂层中的吸收层是由两个次层组成时，由于干涉效应，该涂层呈现蓝颜色，说是“蓝宝石”色，听起来好听。从物理上看，由于在可见光的短波段，该涂层的反射较大，因而出现了蓝颜色。想不作成蓝颜色，倒是困难的。如果蓝颜色发亮，反射就更大。因此，这种涂层的性能可能不达标。蓝紫或墨绿偏黑的多层铝氮/铝太阳选择性吸收涂层可具有更高的太阳吸收比。太阳能光谱范围在0.303.0mm，这是一个相当宽的波长范围。在这么宽的波长范围内，人们肉眼能看到的可见光谱的波长范围在0.40.7mm，它是太阳能光谱中辐射较强的一段，也是决定选择性吸收涂层颜色的一段光谱。当我们看到世界上著名的生产玻璃金属结构真空集热管的英国Thermomax公司产品时，组成真空管集热器的真空管中的吸热体条带颜色有蓝有紫，色泽发暗，表示可见光范围的平均反射比较低，太阳吸收比较高。人的眼睛对颜色是非常灵敏的。因此我们在选择真空集热管时，不要过多注意它略有的颜色差异，实际上只要发暗，就表示在可见光段的涂层的吸收很好。3、集热管材料性能文字表述部分（参见附表二）附表二：新旧国标关于集热管材料性能的对比(文字表述部分)材料性能检测项目抗机械冲击(文字表述部分)结石、节瘤数量(文字表述部分)GB/T 170491997应在径向尺寸不大于25mm的冰雹袭击下无损坏玻璃管上1mm以下的结石不得密集，即10 mm10mm范围内不得多于1个；整支管子上，1.0mm1.5mm结石不得多于2个。玻璃管上1mm以下的节瘤不得密集，即10 mm10mm范围内不得多于2个；整支管子上，不大于2.5mm的节瘤不得多于5个。GB/T 170492005应承受直径30mm的钢球，于高度450mm处自由落下，垂直撞击集热管中部而无损坏。玻璃管上不大于1mm的结石不得密集，即10 mm10mm范围内不得多于1个，整支管子上不得多于5个，结石周围不得有裂纹，大于1mm的结石不允许存在。玻璃管上不大于1.5mm的节瘤不得密集，即10 mm10mm范围内不得多于两个；整支管子上，不大于2.5mm的节瘤不得多于5个，大于2.5mm的结瘤不允许存在。清华阳光速乐管合格合格清华阳光晒乐管合格合格清华阳光紫金管合格合格 附表二中列出了新旧国标有关玻璃管材料性能的抗机械冲击和结石、节瘤的规定与对比。值得指出的是旧国标中关于抗机械冲击用“应在径向尺寸不大于25mm的冰雹袭击下无损坏”的描述，被更加科学，更加准确的“应承受直径30mm的钢球，于高度450mm处自由落下，垂直撞击集热管中部而无损坏”所取代。这实际上是对玻璃管的强度提出了更高的要求。一些集热管厂家为了降低成本和售价，以较薄的玻璃原材料制作集热管，虽然每吨集热管能多出几十只集热管，但却是以牺牲集热管强度为代价的。生产厂家应当明确，如果不能“承受直径30mm的钢球，于高度450mm处自由落下，垂直撞击集热管中部而无损坏”。 这样的集热管，实际上是不合格的。二、新国标中有关热性能的参数（见附表三）附表三：真空集热管热性能参数表集热性能参数空晒性能参数太阳辐照度G800W/m2环境温度8ta30闷晒太阳辐照量太阳辐照度G800W/m2环境温度8ta30平均热损系数GB/T 170491997Y 175m2/kWH 3.8MJ/m2。U LT 0.90W/(m2.)GB/T 170492005Y 190m2/kWH 3.7MJ/m2。U LT 0.85W/(m2.)例：清华阳光速乐管Y = 236 m2/kWH = 3.5MJ/m2。U LT = 0.69W/(m2.)例：清华阳光晒乐管Y = 248 m2/kWH = 3.5MJ/m2。U LT = 0.65W/(m2.)例：清华阳光紫金管Y = 259 m2/kWH = 3.4MJ/m2。U LT = 0.63W/(m2.)1、 空晒性能参数定义：空晒温度与环境温度之差与太阳辐照度的比值。本参数表示在特定的日照强度（太阳辐照度G800W/m2，并在15分钟内，太阳辐照度变化不大于30 W/m2）和特定的环境温度（8ta30）下，集热管内不充水空晒，即以空气为传热工质，在规定的时间（每隔5分钟记录一次，共记录4次，取平均值）内，温度的升高与辐照量的比值。公式：空晒性能Y = (tsta)/G ；国标GB/T 170492005规定：Y 190m2/kW。空晒性能参数在一定程度上表示集热性能的高低。空晒性能参数Y值大于或等于190m2/kW，方为合格，Y值越大越好。现在市场上有些品牌的集热管吹嘘自己“空晒温度不低于400”。这种连标称单位都不正确的参数，只能说明这个数值可能没有经过正规检测单位的科学测量，或是根本就不明白空晒性能参数Y的实际含义。因为，即使采用CPC聚光器空晒时，集热管内温度也达不到400。2、闷晒太阳辐照量定义：充满真空集热管的水的温度升高一定温度范围所需的太阳辐照量。新国标规定：罩玻璃管外经为47mm，太阳辐照度G800W/m2,环境温度8ta30,真空集热管以水为传热工质，初始温度不低于环境温度，闷晒至水温升高35所需的太阳辐照量H 3.7MJ/m2。罩玻璃管外经为58mm，太阳辐照度G800W/m2,环境温度8ta30,真空集热管以水为传热工质，初始温度不低于环境温度，闷晒至水温升高35所需的太阳辐照量H 4.7MJ/m2。本参数的測量是在特定的太阳辐照度G 800W/m2，并在15分钟内，太阳辐照度变化不大于30 W/m2下，集热管内充满水，当集热管内水温从低于环境温度的条件下开始逐步升温，并在达到环境温度时开始测量。当集热管内水温升高35时，其所需的太阳辐照量为该测量管的H值。也就是说，H 值所表示的是该真空集热管内水温升高35所需的太阳辐照量。当然，所需的太阳辐照量越少越好。因此，在某种意义上说，H 值表示的就是与真空集热管的集热效能有关的参数，H 值越低，集热效能就越好。我们的研究证明，闷晒太阳辐照量H值的高低，主要由真空集热管内的太阳选择性吸收涂层，即所镀膜系对太阳能的吸收性能决定。不管用单靶，还是三靶，表征集热管集热效率的检测参数，只能是国标规定的闷晒太阳辐照量H 值。目前，国内广泛使用的仍然是Al-N/Al太阳选择性吸收涂层（单靶多层膜）。单靶渐变膜工艺，经过20多年的改进与提高，已经臻于成熟。其所制作出的Al-N/Al太阳选择性吸收涂层的闷晒太阳辐照量H值，完全达到并优于新国标规定的H值标准，甚至高于一些假冒伪劣的三靶干涉膜。三靶干涉膜工艺由于制作成本高，目前市场上并未大量推广使用。一些厂家也仅仅是利用来作宣传，真正大量使用的仍然是殷志强教授发明的Al-N/Al太阳选择性吸收涂层（单靶多层膜）。2003年底，殷志强教授团队研发成功单靶紫金涂层，其太阳吸收比高达0.95。在太阳能生活用热领域，采用单铝阴极溅射工艺是性能价格比最好的。单靶可以与三靶有同样的效果，但是成本低的多。用户们可以采用国标规定的作法对不同厂家的产品作闷晒对比试验。将对比管充满水，管内放置温度测试头，看一看相同时间内的温升，便可检验出真空集热管的集热性能。无论是单靶多层膜，三靶干涉膜，还是其他什么管，都将在这样的测试中显露他们的本色。3、平均热损系数定义：在无太阳辐照的条件下，真空集热管充满的热水平均温度与平均环境温度每相差1时，经吸热体单位表面积散失的热流量。新国标规定：真空集热管的平均热损系数ULT 0.85W/(m2.)从附表三中可以看到，新国标比旧国标：“ULT 0.90W/(m2.)”低了0.05 W/(m2.)平均热损系数的测量比较复杂。真空集热管不但是一个吸热元件，在无太阳辐射时，它也是一个放热元件。平均热损系数所表征的是真空集热管的保温特性，越低说明该集热管的热损越小，保温性能越好。新国标规定，不管是哪种规格的真空集热管，其平均热损系数至少应当等于0.85W/(m2.)，越小越好。真空集热管的平均热损系数大小与太阳吸收比无关，与集热管的真空度和涂层的热发射比有关。涂层发射比高，相应集热管的平均热损系数就大。我们知道，真空集热管内外夹层中是抽真空的。内外管之间除环封处相交外，还有一个相交环节，那就是集热管尾部支撑内外管的弹簧卡子。真空集热管内的热量除从这些接触点向外传导热量外，还透过真空夹层向外辐射能量，通过罩玻璃管的外表面的对流换热，散失能量。4、真空品质新国标规定：真空集热管真空夹层内的气体压强p 5.010-2a；真空品质是关系真空集热管性能的又一个重要因素。正是由于它的存在，集热管的热损系数才会大大降低。但是，真空度又是一个看得见，摸不着，用人的肉眼无法判断的参数。真空集热管在工厂里制作完成后，真空度就是一个实实在在的物质了。高真空度及其长久保持，关系到真空集热管的寿命。高真空度一旦丧失，真空集热管的热损就会大大增加，集热效率大大降低。真空集热管内的镜面吸气钡膜会变白与透明，这样的真空集热管也就报废了。我们观察到清华大学成果首次转让的北京真空薄膜器械厂制造的，经使用15年以上的真空集热管，其钡吸收膜的镜面经逐渐收缩，只在罩玻璃管顶部的内壁还有镜面。由于工作过程中玻璃与吸收涂层几乎永久的不断放气，钡膜将一直工作到消失。这时，真空集热管也就寿终正寝了。工厂里一般用火花检漏器判断真空度是否合格。用火花检漏器在暗环境下探测真空集热管的开口端部分的真空夹层，根据放电颜色对真空状况作定性判断。在玻璃壁上呈现微弱荧光为合格品。出现辉光放电、火花穿透玻璃壁或火花发散而玻璃壁上无荧光均为不合格品。实际上，真空集热管制作完成后，夹层内的气体压强是无法检测的。在朱俊生先生（国家新能源和可再生能源标准化委员会主任）的启发下，殷志强教授与周小雯高工提出了集热管“真空品质”的概念。通过大量试验，新国标确定了真空品质的试验方法和检测标准。即：使真空集热管的内玻璃管处于350下，保持48 h,吸气剂镜面长度消失率不得大于50%。应当说，真空品质的试验是一项创新。三、其他判断指标在判断真空集热管的性能中，还有其他一些指标。如外观与尺寸检查；耐热冲击性能；耐压强；产品标志与包装；等等，本文不再一一详述。总之，当我们选用真空集热管作为太阳热水器和太阳热水系统的核心基础元件时，应从以