平板集热器：结构及选材特点分析

平板集热器的结构与选用特点分析平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也是世界太阳能市场的主导产品。 平板型集热器广泛应用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖和空调等多个领域。 平板太阳能热水器，是由平板型太阳能集热器部件构成的热水器。 平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、绝热层和外壳等部分构成(图1 )。图1是平板型集热器结构图平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射通过透明罩后，投射到吸热板上，被吸热板吸收转换成热能，向吸热板内的传热工程传热，使传热工程的温度上升，作为集热器的有用能量输出。一、吸热板吸热板是在平板型太阳能集热器内吸收日照能量，向传热工学传热的部件，基本上是平板形状。1 .吸热板结构形式平板形状的吸热板通常配置有排管和集管。 排水管是指吸热板沿纵向排列而构成流体通路的部件即集管，是指在吸热板的上下两端横向连接多根排水管而构成流体通路的部件。 吸热板的材料种类繁多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。 吸热板有以下主要结构形态(图2 )。(1)管板式。 管板式吸热板通过一定的结合将排水管和平板连接起来构成吸热带(图2a )，焊接在上下集管上作为吸热板。 这是目前国内外使用的比较普遍的吸热板结构类型。(2)翼管式。 翼管式吸热板利用模压拉伸技术，制作金属管两侧带有翼的吸热带(图2b )，焊接在上下集管上制成吸热板。 吸热板材料一般采用铝合金。 翼管式吸热板的优点：热效率高，管与平板一体，无结合热阻，耐压强，铝合金管能承受高压力。 缺点：水质难以保证，铝合金腐蚀材料用量大，工艺要求管壁和叶片厚度大的动态特性差，吸热板热容量大。(3)平板盒。 扁平外壳型吸热板是将2块金属板分别冲压成形后，一体焊接构成吸热板(图2c )，吸热板的材料可以采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。 通常，流体通道之间采用点焊技术，吸热板周围采用辊焊技术。 平壳型吸热板的优点：热效率高，管与平板为一体，无需焊接无结合热阻的集管，流体通路与集管采用了一次冲压成形。 缺点：焊接工艺困难，易产生焊接贯通或焊接不充分的问题，耐压差，焊接点不能承受高压力的动态特性差，流体通路横截面大，吸热板有大热容量，难以保证水质，铝合金或镀锌钢可能会腐蚀。(4)蛇管式。 蛇管式吸热板将金属管弯曲成蛇行状(图2d )，焊接在平板上而构成吸热板. 这种构造型在国外被广泛使用。 吸热板材料一般采用铜，焊接技术可采用高频焊接或超声波焊接。 蛇管式吸热板的优点：无需另行焊接集管，减少泄漏的可能性，热效率高，无结合热阻，水质清洁，保证铜管不被腐蚀的品质，使整个生产过程机械化的耐压强，铜管能承受高压力。 缺点：流动阻力大，流体通道不是并联的，而是串联的，焊接难度高，焊接不是直线，而是曲线。2 .吸热板的涂层为了吸热板能够最大限度地吸收太阳的辐射能量并转换成热能，吸热板上必须复盖浓的涂层，这叫做太阳能吸收涂层。吸热板的涂层材料对于吸收太阳辐射能起着非常重要的作用。 太阳辐射的波长主要集中在0.32.5m的范围，吸热板的热辐射主要集中在220m的波长范围，增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，减小热损失，降低吸热板的热辐射，需要选择涂料。 选择涂料对太阳短波辐射具有高吸收率，但是长波热辐射率低的涂料，目前国内外生产厂多采用磁控溅射方法制备选择涂层，吸收率达到0.930.95，辐射率达到0.120.04，产品热性能大幅提高。太阳能吸收涂层可分为非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层两类。 非选择性吸收涂层是指其光学特性依赖于放射波长吸收涂层.选择性吸收涂层是指光学特性随放射波长显着变化的吸收涂层.一般而言，单纯地实现高太阳吸收比并不困难，在维持高太阳吸收比的同时实现低放射率是困难的。 在选择性吸收涂层中，随着太阳吸收率的增高，放射率也增高的通常使用的黑板涂料中，太阳吸收比高达0.95，但放射率也为0.90左右，因此属于非选择性吸收涂层。选择吸收涂层可以用喷雾法、化学法、电化学法、真空蒸镀法、磁控溅射法等各种方法制造。 用这些方法制成的选择性吸收涂层，大部分的太阳吸收率都在0.90以上，但它们能达到的发射率范围有明显的不同。 从放射率性能的观点出发，上述各方法的优劣顺序为磁控溅射法、真空蒸镀法、电化学法、化学法、喷雾法。 当然，各种方法的发射率值都在一定范围内，某些涂层的实际发射率值取决于涂层制造工艺的优化程度。平板集热器常用的选择性吸收涂层：(1)电镀涂层黑铬涂层：黑铬涂层的吸收比和辐射比分别为0.930.97和0.070.15，/为613，具有优异的光谱选择性。 黑铬涂层的热稳定性和耐高温性能也良好，适合高温条件，在300下可长期稳定工作。 此外，黑色铬涂层具有良好的耐候性和耐腐蚀性。 但目前采用的电镀黑铬工艺电流密度大(15200A/dm2)，溶液导电性差，电镀时产生大量焦耳热，冷却和通风排气维持正常生产是必要的。 另外，在非铜材上镀黑色铬需要预先镀铜，镀光泽镍，最后镀黑色铬，生产成本高。黑镍涂层：黑镍涂层吸收比接近0.930.96，热辐射比接近0.080.15，/接近612，吸收性能良好。 由于黑镍涂层较薄，为了提高涂层与基体的结合力和耐腐蚀性，多采用中间涂层(Ni、Cu、Cd )和双层镍涂层。 由于黑镍涂层的热稳定性、耐腐蚀性差，通常只适合低温太阳能利用。黑钴涂层：黑钴涂层的主要成分为CoS，具有蜂窝型网状结构，吸收比为0.940.96，辐射比为0.120.14，/为6.78。(2)电化学表面转换涂层铝阳极氧化膜：铝及铝合金的阳极氧化可在硫酸介质中进行，但太阳能利用主要使用磷酸介质。 氧化铝涂层的着色有很多种技术，其中用电解着色技术得到的涂层具有坚固、稳定、耐晒的特性，可大规模生产。铝阳极氧化膜为多孔质膜，气孔率达22%，电解着色时金属容易堆积在细孔中。 用于电解着色的金属盐类有镍盐、锡盐、钴盐、铜盐等。铝阳极氧化膜的耐腐蚀性、耐磨损性、耐光性等性能也非常好，广泛应用于太阳能热水器。CuO转化涂层：采用阳极氧化法制备的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5057。 涂层吸收比为0.880.95，法线放射比为0.150.30。 该CuO涂层有黑色绒毛，保护差，导致吸收率降低。(3)真空涂层采用真空蒸镀和磁控溅射技术可制备选择性吸收性能优异的涂层，但后者的设备比较简单，工艺控制方便，容易在大面积上得到均匀的涂层。 目前国内生产的全玻璃真空集热管和高级平板集热器吸热板采用磁控溅射技术制作吸收涂层。3 .用于吸热板材料(1)集管和支管采用TP2铜- TP 2铜磷脱氧铜可溶解高纯度的原材料，用亲氧性磷(p )脱氧溶解的铜产生的氧，使其氧含量降低到100PPm以下，提高其延性、耐腐蚀性、热传导性、焊接性、拉拔加工性，即使在高温下也不会发生氢脆现象。(2)带(整板)采用铜或铝TU1无氧紫铜规格(GB/T 5231-2001 )特性和适用范围：氧含量极低，纯度高，导电性极高，延展性极高，通气率低，无“氢病”或极少的“氢病”，加工性和焊接耐寒性好。二、透明罩透明罩在平板型集热器中复盖隔热板，是由透明(或半透明)材料构成的板状部件。 它的功能主要有三个。 一是太阳辐射，投射到吸热板上；二是保护吸热板免受灰尘和雨雪的侵害；三是形成温室效应，阻止吸热板在温度上升后通过对流和辐射向周围环境散热。1 .透明罩材料用于透明罩的材料主要有平板玻璃和玻璃钢板两种。 两者，目前国内外广泛应用的是平板玻璃。(1)平板玻璃。 平板玻璃具有红外透射率低、热传导率小、耐候性好等特点，在这些方面一定能够满足太阳能集热器透明罩的要求。 但是，太阳能透射率和冲击强度对平板玻璃来说是重要的问题。现在常用的透明复盖材料是厚度为35mm的平板玻璃，超白色低铁钢化玻璃和超白色低铁布钢化玻璃，透射率高，抗雹能力强，抵抗，安全可靠。 一般玻璃的厚度有3.2mm和4.0mm两种。超白色玻璃是超透明的低铁玻璃，又称低铁玻璃、高透明玻璃。 高品质、多功能的新型高级玻璃品种，透光率达到91.5%以上，具有透明高雅的特性，被称为玻璃家族“水晶王子”。 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，具有优异的物理、机械和光学性能，能像其他优质浮法玻璃一样进行各种精加工。超白玻璃的独特优势：a、玻璃自爆率低：采用高纯度材料，普通玻璃不含各种起爆杂质，钢化后的自爆率大幅度降低。b、颜色一致性：超白色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，透过性好： 93%以上的可见光透过率，通过集热器得到更多的太阳能。d、紫外线透射率低：减少对其他材料老化的影响。(2)玻璃钢板。玻璃钢板(即玻璃纤维强化塑料板)具有太阳能透过率高、热传导率小、冲击强度高等特点，这些方面一定也能很好地满足太阳能集热器透明罩的要求。 但在玻璃钢板中，红外透射率和耐候性是关键问题。 玻璃钢板的单色透过率和波长的关系曲线，不仅单色透过率在2pm以内，在2.5pm以上也显示出很高的数值。 因此，玻璃钢板的太阳能透射率一般在0.88以上，但其红外透射率也比平板玻璃高得多。玻璃钢板通过使用高结合能树脂和橡胶涂层，可以减少被紫外线破坏的程度。 但是，玻璃钢板的寿命无论如何都无法与无机材料平板玻璃相比。 当然，玻璃钢板有平板玻璃所没有的特点。 例如玻璃钢板质量轻，太阳能集热器的运输和设置容易的玻璃钢板加工性好，根据太阳能集热器产品的需要加工成形容易。玻璃钢板作为集热器罩的应用越来越少，现在只应用于部分低端产品。2 .透明罩层数和间距透明罩的层数取决于太阳能集热器的工作温度和使用地区的气候条件。 大多数情况下，采用单层透明罩。在太阳能集热器的工作温度高或气温低的地区使用时，例如在中国的南方进行太阳能空调，或者在中国的北方进行太阳能暖气时，最好采用双层透明罩。 3层以上的透明罩不太被采用，随着层数的增加，集热器的对流和辐射热损失可以进一步减少，同时大幅度降低实际有效的太阳能透射率。针对透明罩与吸热板之间的距离，国内外文献提出了不同的数值，根据平板夹层内空气的自然对流换热机理提出了最佳间隔。 但是，共同的结论是透明罩与吸热板之间的距离必须大于20mm。三、绝热层绝热层是在集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。1 .绝热层材料用于绝热层的材料有石棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。 现在经常使用的是玻璃棉。 聚苯乙烯虽然热传导率小，但温度超过70时变形收缩，影响集热器的隔热效果。 实际使用时，需要在底部绝热层和吸热板之间放置薄玻璃棉或石棉，在周围绝热层的表面贴上薄铝聚酯膜，使绝热层在低温下工作。 尽管如此，时间一长，会有一定程度的收缩，因此使用聚苯乙烯时，应该充分重视。玻璃棉是熔融玻璃纤维化成棉状的材料，化学成分为玻璃类，无机质纤维，成型好，体积密度小，热传导率低，保温隔热，吸音性能好，耐装，化学性能稳定。酚醛泡沫是新型平板太阳能集热器的高效保温材料。 市场上已经有制造商使用了。酚醛泡沫塑料介绍：酚醛泡沫塑料(Phenolic Foam，简称PF )是酚醛树脂和乳化剂、发泡剂、固化剂及其他多种助剂，以科学配方发泡固化而成的闭孔型硬质泡沫塑料。酚醛泡沫塑料的特性总结如下a、优异的保温绝热性能、热传导率0.03W/mK。 b .较高的工作温度。 酚醛泡沫可在-200160(瞬时250)下长期工作，无收缩。 c，优良的耐候性。 长期暴露于高温下，仍具有良好的保温隔热性