什么是平板太陽能集熱器
平板太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質(zhì)傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，集熱器中的工質(zhì)與遠(yuǎn)距離的太陽進(jìn)行熱交換。平板型太陽能集熱器是太陽能集熱器中的一種類型。是由吸熱板芯、殼體、透明蓋板、保溫材料及有關(guān)零部件組成。在加接循環(huán)管道，保溫水箱后，即成為能吸收太陽輻射熱，使水溫升高。
平板太陽能集熱器工作原理
平板太陽能集熱器的基本工作原理十分簡(jiǎn)單。概括地說，陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽飨蛄黧w通道中的工質(zhì)。這樣，從集熱器底部入口的冷工質(zhì)，在流體通道中被太陽能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質(zhì)，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。與此同時(shí)，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽集熱器工作原理。
吸熱板
吸熱板是平板型太陽能集熱器內(nèi)吸收太陽輻射能并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的部件，其基本上是平板形狀。
1.吸熱板的結(jié)構(gòu)形式
在平板形狀的吸熱板上，通常都布置有排管和集管。排管是指吸熱板縱向排列并構(gòu)成流體通道的部件；集管是指吸熱板上下兩端橫向連接若干根排管并構(gòu)成流體通道的部件。吸熱板的材料種類很多，有銅、鋁合金、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、鍍鋅鋼、塑料、橡膠等。吸熱板有如下主要結(jié)構(gòu)形式
(1)管板式。管板式吸熱板是將排管與平板以一定的結(jié)合方式連接構(gòu)成吸熱條帶，然后再與上下集管焊接成吸熱板。這是目前國(guó)內(nèi)外使用比較普遍的吸熱板結(jié)構(gòu)類型。
武漢市太陽能研究所于1986年從加拿大引進(jìn)一條具有國(guó)際先進(jìn)水平的銅鋁復(fù)合太陽條生產(chǎn)線，使我國(guó)平板型集熱器技術(shù)跨上一個(gè)新的臺(tái)階。該項(xiàng)技術(shù)是將一根銅管置于兩條鋁板之間熱碾壓在一起，然后再用高壓空氣將它吹脹成型。銅鋁復(fù)合太陽條的優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，熱碾壓使銅管和鋁板之間達(dá)到冶金結(jié)合，無結(jié)合熱阻；水質(zhì)清潔，太陽條接觸水的部分是銅材，不會(huì)被腐蝕；保證質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，使產(chǎn)品質(zhì)量得以保證；耐壓能力強(qiáng)，太陽條是用高壓空氣吹脹成型的。
近年來，全銅吸熱板正在我國(guó)逐步興起，它是將銅管和銅板通過高頻焊接或超聲焊接工藝而連接在一起。全銅吸熱板具有銅鋁復(fù)合太陽條的所有優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，無結(jié)合熱阻；水質(zhì)清潔，銅管不會(huì)被腐蝕；保證質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；耐壓能力強(qiáng)，銅管可以承受較高的壓力。
(2)翼管式。翼管式吸熱板是利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側(cè)連有翼片的吸熱條帶，然后再與上下集管焊接成吸熱板。吸熱板材料一般采用鋁合金。翼管式吸熱板的優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻；耐壓能力強(qiáng)，鋁合金管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：水質(zhì)不易保證，鋁合金會(huì)被腐蝕；材料用量大，工藝要求管壁和翼片都有較大的厚度；動(dòng)態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量。
(3)扁盒式。扁盒式吸熱板是將兩塊金屬板分別模壓成型，然后再焊接成一體構(gòu)成吸熱板，吸熱板材料可采用不銹鋼、鋁合金、鍍鋅鋼等。通常，流體通道之間采用點(diǎn)焊工藝，吸熱板四周采用滾焊工藝。扁盒式吸熱板的優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，管子和平板是一體，無結(jié)合熱阻；不需要焊接集管，流體通道和集管采用一次模壓成型。缺點(diǎn)：焊接工藝難度大，容易出現(xiàn)焊接穿透或者焊接不牢的問題；耐壓能力差，焊點(diǎn)不能承受較高的壓力；動(dòng)態(tài)特性差，流體通道的橫截面大，吸熱板有較大的熱容量；有時(shí)水質(zhì)不易保證，鋁合金和鍍鋅鋼都會(huì)被腐蝕。
(4)蛇管式。蛇管式吸熱板是將金屬管彎曲成蛇形，然后再與平板焊接構(gòu)成吸熱板。這種結(jié)構(gòu)類型在國(guó)外使用較多。吸熱板材料一般采用銅，焊接工藝可采用高頻焊接或超聲焊接。蛇管式吸熱板的優(yōu)點(diǎn)：不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性；熱效率高，無結(jié)合熱阻；水質(zhì)清潔，銅管不會(huì)被腐蝕；保證質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；耐壓能力強(qiáng)，銅管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：流動(dòng)阻力大，流體通道不是并聯(lián)而是串聯(lián)；焊接難度大，焊縫不是直線而是曲線。
2.吸熱板上的涂層
為了使吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，在吸熱板上應(yīng)覆蓋有深色的涂層，這稱為太陽能吸收涂層。
太陽能吸收涂層可分為兩大類：非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。非選擇性吸收涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長(zhǎng)無關(guān)的吸收涂層；選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長(zhǎng)不同有顯著變化的吸收涂層。
一般而言，要單純達(dá)到高的太陽吸收比并不十分困難，難的是要在保持高的太陽吸收比的同時(shí)又達(dá)到低的發(fā)射率。對(duì)于選擇性吸收涂層來說，隨著太陽吸收比的提高，往往發(fā)射率也隨之升高；對(duì)于通常使用的黑板漆來說，其太陽吸收比可高達(dá)0.95，但發(fā)射率也在0.90左右，所以屬于非選擇性吸收涂層。
選擇性吸收涂層可以用多種方法來制備，如噴涂方法、化學(xué)方法、電化學(xué)方法、真空蒸發(fā)方法、磁控濺射方法等。采用這些方法制備的選擇性吸收涂層，絕大多數(shù)的太陽吸收比都可達(dá)到0.90以上，但是它們可達(dá)到的發(fā)射率范圍卻有明顯的區(qū)別。從發(fā)射率的性能角度出發(fā)，上述各種方法優(yōu)劣的排列順序應(yīng)是：磁控濺射方法、真空蒸發(fā)方法、電化學(xué)方法、化學(xué)方法、噴涂方法。當(dāng)然，每種方法的發(fā)射率值都有一定的范圍，某種涂層的實(shí)際發(fā)射率值取決于制備該涂層工藝優(yōu)化的程度。
透明蓋板
透明蓋板是平板型集熱器中覆蓋吸熱板、并由透明(或半透明)材料組成的板狀部件。它的功能主要有3個(gè)：一是透過太陽輻射，使其投射在吸熱板上；二是保護(hù)吸熱板，使其不受灰塵及雨雪的侵蝕；三是形成溫室效應(yīng)，阻止吸熱板在溫度升高后通過對(duì)流和輻射向周圍環(huán)境散熱。
1.透明蓋板的材料
用于透明蓋板的材料主要有兩大類：平板玻璃和玻璃鋼板。但兩者相比，目前國(guó)內(nèi)外使用更廣泛的還是平板玻璃。
(1)平板玻璃。平板玻璃具有紅外透射比低、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐候性能好等特點(diǎn)，在這些方面無疑是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而，對(duì)于平板玻璃來說，太陽透射比和沖擊強(qiáng)度是兩個(gè)需要重視的問題。
我國(guó)目前常用的透明蓋板材料是普通平板玻璃，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)3mm厚普通平板玻璃的太陽透射比一般都在0.83以下，有的甚至低于0.76。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T6424-1997的規(guī)定，透明蓋板的太陽透射比應(yīng)不低于0.78。相比之下，發(fā)達(dá)國(guó)家的市場(chǎng)上已有專門用于太陽能集熱器的低鐵平板玻璃，其太陽透射比高達(dá)0.90～0.91。因此，我國(guó)太陽能行業(yè)面臨的一項(xiàng)任務(wù)是：在條件成熟時(shí)，聯(lián)合玻璃行業(yè)，專門生產(chǎn)適用于太陽能集熱器的低鐵平板玻璃。盡可能選用鋼化玻璃作為透明蓋板，確保集熱器可以經(jīng)受防冰雹試驗(yàn)的考驗(yàn)。
(2)玻璃鋼板。玻璃鋼板(即玻璃纖維增強(qiáng)塑料板)具有太陽透射比高、導(dǎo)熱系數(shù)小、沖擊強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在這些方面無疑也是可以很好地滿足太陽能集熱器透明蓋板的要求。然而，對(duì)于玻璃鋼板來說，紅外透射比和耐候性能是兩個(gè)需要重視的問題。玻璃鋼板的單色透射比與波長(zhǎng)關(guān)系曲線表明，單色透射比不僅在2pm以內(nèi)有很高的數(shù)值，而且在2.5pm以上仍有較高的數(shù)值。因此，玻璃鋼板的太陽透射比一般都在0.88以上，但它的紅外透射比也比平板玻璃高得多。
玻璃鋼板通過使用高鍵能樹脂和膠衣，可以減少受紫外線破壞的程度。但是，玻璃鋼板的使用壽命是無論如何不能跟作為無機(jī)材料的平板玻璃相比擬的。當(dāng)然，玻璃鋼板具有一些平板玻璃所沒有的特點(diǎn)。例如：玻璃鋼板的質(zhì)量輕，便于太陽能集熱器的運(yùn)輸及安裝；玻璃鋼板的加工性能好，便于根據(jù)太陽能集熱器產(chǎn)品的需要進(jìn)行加工成型。
2.透明蓋板的層數(shù)及間距
透明蓋板的層數(shù)取決于太陽能集熱器的工作溫度及使用地區(qū)的氣候條件。絕大多數(shù)情況下，都采用單層透明蓋板；當(dāng)太陽能集熱器的工作溫度較高或者在氣溫較低的地區(qū)使用，譬如在我國(guó)南方進(jìn)行太陽能空調(diào)或者在我國(guó)北方進(jìn)行太陽能采暖，宜采用雙層透明蓋板；一般情況下，很少采用3層或3層以上透明蓋板，因?yàn)殡S著層數(shù)增多，雖然可以進(jìn)一步減少集熱器的對(duì)流和輻射熱損失，但同時(shí)會(huì)大幅度降低實(shí)際有效的太陽透射比。
如果在氣溫較高地區(qū)進(jìn)行太陽能游泳池加熱，有時(shí)可以不用透明蓋板，這種集熱器被稱為無透明蓋板集熱器，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9806-3就是專門適用于無透明蓋板集熱器的熱性能試驗(yàn)。
對(duì)于透明蓋板與吸熱板之間的距離，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)提出過各種不同的數(shù)值，有的還根據(jù)平板夾層內(nèi)空氣自然對(duì)流換熱機(jī)理提出了最佳間距。但有一點(diǎn)結(jié)論是共同的，即透明蓋板與吸熱板之間的距離應(yīng)大于20mm。
隔熱層
隔熱層是集熱器中抑制吸熱板通過傳導(dǎo)向周圍環(huán)境散熱的部件。
1.隔熱層的材料
用于隔熱層的材料有：巖棉、礦棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用較多的是巖棉。雖然聚苯乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)很小，但在溫度高于70℃時(shí)就會(huì)變形收縮，影響它在集熱器中的隔熱效果。在實(shí)際使用時(shí)，往往需要在底部隔熱層與吸熱板之間放置一層薄薄的巖棉或礦棉，在四周隔熱層的表面貼一層薄的鍍鋁聚酯薄膜，使隔熱層在較低的溫度條件下工作。即便如此，時(shí)間長(zhǎng)久后，仍會(huì)有一定的收縮，所以使用聚苯乙烯時(shí)，應(yīng)給予足夠的重視。
2.隔熱層的厚度
隔熱層的厚度應(yīng)根據(jù)選用的材料種類、集熱器的工作溫度、使用地區(qū)的氣候條件等因素來確定。應(yīng)當(dāng)遵循這樣一條原則：材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、集熱器的工作溫度越高、使用地區(qū)的氣溫越低、則隔熱層的厚度就要求越大。一般來說，底部隔熱層的厚度選用30～50mm，側(cè)面隔熱層的厚度與之大致相同。
外殼
外殼是集熱器中保護(hù)及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。
1.外殼的技術(shù)要求
根據(jù)外殼的功能，要求外殼有一定的強(qiáng)度和剛度，有較好的密封性及耐腐蝕性，而且有美觀的外形。
2.外殼的材料
用于外殼的材料有鋁合金板、不銹鋼板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。為了提高外殼的密封性，有的產(chǎn)品已采用鋁合金板一次模壓成型工藝。
平板太陽能集熱器特點(diǎn)：
平板型太陽能集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，成本低廉，熱流密度較低，即工質(zhì)的溫度也較低，安全可靠，與真空管太陽能集熱器相比，它具有承壓能力強(qiáng)，吸熱面積大等特點(diǎn)，是太陽能與建筑一體結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之。
通過了解什么是平板太陽能集熱器，平板太陽能集熱器工作原理，我們知道平板太陽能熱水器憑借與建筑結(jié)合的先天優(yōu)勢(shì)，在太陽能與建筑一體化中扮演不可替代的作用。目前，平板太陽能集熱器已廣泛運(yùn)用在各種企業(yè)事業(yè)單位、酒店賓館、工廠學(xué)校等，已成為健康生活的新風(fēng)尚，享受來自太陽的免費(fèi)熱水。
