平板型太阳能热水器

太阳能热水器 （Solar water heater）是指以太阳能作为能源进行加热的热水器。是与燃气热水器、电热水器相并列的三大热水器之一。

简介

太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由集热器、储水箱及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热器受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

组成及制作材料

（一）平板集热器

平板集热器是平板型太阳能热水器的核心，包括吸热器、盖板、保温层、外壳四大部分。

1、吸热器：也叫集热器或集热芯子，其作用是吸收太阳的辐射能量并向水传递热量。

当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。

1）吸热器的结构：吸热器由吸热板（也叫肋片）和水管组成，水管有排管和集管之分。排管夹在肋片之间，用来传递热量使水温升高；集管与 所有排管相接相通，并且通过水管与水箱连通，使排管中水进入水箱，水箱中的冷水进入排管被加热。吸热器在结构上有管板槽式和翼片式等多种形式。

（A）管板式。管板式吸热板是将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带，然后再与上下集管焊接成吸热板。这是目前国内外使用比较普遍的吸热板结构类型。
近年来，全铜吸热板正在我国逐步兴起，它是将铜管和铜板通过高频焊接或超声焊接工艺而连接在一起。全铜吸热板具有铜铝复合太阳条的所有优点：热效率高，无结合热阻；水质清洁，铜管不会被腐蚀；保证质量，整个生产过程实现机械化；耐压能力强，铜管可以承受较高的压力。
（B）翼管式。翼管式吸热板是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带，然后再与上下集管焊接成吸热板。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，管子和平板是一体，无结合热阻；耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。缺点：水质不易保证，铝合金会被腐蚀；材料用量大，工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度；动态特性差，吸热板有较大的热容量。
（C）扁盒式。扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板，吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。通常，流体通道之间采用点焊工艺，吸热板四周采用滚焊工艺。扁盒式吸热板的优点：热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻；不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。缺点：焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢的问题；耐压能力差，焊点不能承受较高的压力；动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大的热容量；有时水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀。
（D）蛇管式。蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形，然后再与平板焊接构成吸热板。这种结构类型在国外使用较多。吸热板材料一般采用铜，焊接工艺可采用高频焊接或超声焊接。蛇管式吸热板的优点：不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性；热效率高，无结合热阻；水质清洁，铜管不会被腐蚀；保证质量，整个生产过程实现机械化；耐压能力强，铜管可以承受较高的压力。缺点：流动阻力大，流体通道不是并联而是串联；焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。

2）吸热器的材料：国外基本上都用铜和不锈钢，国内已大量采用铜材、铝合金、钢材、镀锌板，沿海水质较差的地区，则可用塑料或玻璃来替代。

3）吸热板上的涂层：为了使吸热板可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热板上应覆盖有深色的涂层，这称为太阳能吸收涂层。
太阳能吸收涂层可分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。
一般而言，要单纯达到高的太阳吸收比并不十分困难，难的是要在保持高的太阳吸收比的同时又达到低的发射率。对于选择性吸收涂层来说，随着太阳吸收比的提高，往往发射率也随之升高；对于通常使用的黑板漆来说，其太阳吸收比可高达0.95，但发射率也在0.90左右，所以属于非选择性吸收涂层。
选择性吸收涂层可以用多种方法来制备，如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发方法、磁控溅射方法等。采用这些方法制备的选择性吸收涂层，绝大多数的太阳吸收比都可达到0.90以上，但是它们可达到的发射率范围却有明显的区别。从发射率的性能角度出发，上述各种方法优劣的排列顺序应是：磁控溅射方法、真空蒸发方法、电化学方法、化学方法、喷涂方法。当然，每种方法的发射率值都有一定的范围，某种涂层的实际发射率值取决于制备该涂层工艺优化的程度。

2、盖板

1）盖板的作用：阳光与吸热板之间的辐射传热是远距离进行的，即集热器周围是空气，所以当集热器的吸热板在将接收到的太阳辐射能量转变为水的热能时，也向周围环境散失热量，这就使太阳辐射能量不能全部转化成水的热量。尤其是平板型集热器，其吸收面积等于透光面积，也等于散热面积，故热量的散失更为突出。为了减轻这部分能量的损失，在吸热板上面安装透明盖板，使盖板透过可见光而不透过远红外线，即阳光能透过它而照射在吸热板上，但是吸热板由于温度升高而辐射 的远红外线却是通不过它，这就减少了散失的能量，从而更有效地提高吸热板和水的温度，我们称盖板的这种作用为温度效应。

2）对集热器盖板材料的几点要求：

（A）高全光透过率：阳光透过盖板后射到吸热板上并转变为热能。盖板材料对太阳光光谱的全光透过率越高，辐射到吸热板的光线越强，得到的热量越大，集热器效率越高。
（B）冲击强度高：盖板材料需要具有高的冲击强度，能经受住在使用中受到冰雹、风沙等的冲击。
（C）良好的耐候性能：集热器通常安装在室外朝阳处，长期遭受冷、热、光、风、雨、雪等的侵蚀。如果盖板材料不具有良好的耐候性能，则其透光性能急速下降，最后导致整个集热器无法工作，寿命缩短。
（D）绝热性能好：集热器工作时，其排管和集管内的水温可达80~90摄氏度，而吸热板与盖板之间的空气温度可达50~70摄氏度，远高于户外空气的温度， 因此必然有一部分热量通过盖板向外散失，其散失热量的大小于盖板导热系数成正比。盖板材料导热系数越大，即绝热性能越差，散失的热量越大，集热器效率越差。
（E）加工性能好：要求裁剪性能好，以便于制造厂家按产品需要加工成型。

3）国内外常用盖板材料

用于透明盖板的材料主要有两大类：平板玻璃和玻璃钢板。但两者相比，目前国内外使用更广泛的还是平板玻璃。
（A）平板玻璃。平板玻璃具有红外透射比低、导热系数小、耐候性能好等特点，在这些方面无疑是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板的要求。然而，对于平板玻璃来说，太阳透射比和冲击强度是两个需要重视的问题。
我国目前常用的透明盖板材料是普通平板玻璃，据了解，国内3mm厚普通平板玻璃的太阳透射比一般都在0.83以下，有的甚至低于0.76。根据国家标准 GB／T6424-1997的规定，透明盖板的太阳透射比应不低于0.78。相比之下，发达国家的市场上已有专门用于太阳能集热器的低铁平板玻璃，其太阳透射比高达0.90～0.91。因此，我国太阳能行业面临的一项任务是：在条件成熟时，联合玻璃行业，专门生产适用于太阳能集热器的低铁平板玻璃。尽可能选用钢化玻璃作为透明盖板，确保集热器可以经受防冰雹试验的考验。
（B）玻璃钢板。玻璃钢板(即玻璃纤维增强塑料板)具有太阳透射比高、导热系数小、冲击强度高等特点，在这些方面无疑也是可以很好地满足太阳能集热器透明盖板的要求。然而，对于玻璃钢板来说，红外透射比和耐候性能是两个需要重视的问题。玻璃钢板的单色透射比与波长关系曲线表明，单色透射比不仅在2pm以内有很高的数值，而且在2.5pm以上仍有较高的数值。因此，玻璃钢板的太阳透射比一般都在0.88以上，但它的红外透射比也比平板玻璃高得多。
玻璃钢板通过使用高键能树脂和胶衣，可以减少受紫外线破坏的程度。但是，玻璃钢板的使用寿命是无论如何不能跟作为无机材料的平板玻璃相比拟的。当然，玻璃钢板具有一些平板玻璃所没有的特点。例如：玻璃钢板的质量轻，便于太阳能集热器的运输及安装；玻璃钢板的加工性能好，便于根据太阳能集热器产品的需要进行加工成型。

4）盖板的层数及间距

透明盖板的层数取决于太阳能集热器的工作温度及使用地区的气候条件。绝大多数情况下，都采用单层透明盖板；当太阳能集热器的工作温度较高或者在气温较低的地区使用，譬如在我国南方进行太阳能空调或者在我国北方进行太阳能采暖，宜采用双层透明盖板；一般情况下，很少采用3层或3层以上透明盖板，因为随着层数增多，虽然可以进一步减少集热器的对流和辐射热损失，但同时会大幅度降低实际有效的太阳透射比。
如果在气温较高地区进行太阳能游泳池加热，有时可以不用透明盖板，这种集热器被称为无透明盖板集热器，国际标准ISO9806—3就是专门适用于无透明盖板集热器的热性能试验。
对于透明盖板与吸热板之间的距离，国内外文献提出过各种不同的数值，有的还根据平板夹层内空气自然对流换热机理提出了最佳间距。但有一点结论是共同的，即透明盖板与吸热板之间的距离应大于20mm。

3、保温层

隔热层是集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。
1）隔热层的材料
用于隔热层的材料有：岩棉、矿棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前使用较多的是岩棉。虽然聚苯乙烯的导热系数很小，但在温度高于70℃时就会变形收缩，影响它在集热器中的隔热效果。在实际使用时，往往需要在底部隔热层与吸热板之间放置一层薄薄的岩棉或矿棉，在四周隔热层的表面贴一层薄的镀铝聚酯薄膜，使隔热层在较低的温度条件下工作。即便如此，时间长久后，仍会有一定的收缩，所以使用聚苯乙烯时，应给予足够的重视。

2）隔热层的厚度
隔热层的厚度应根据选用的材料种类、集热器的工作温度、使用地区的气候条件等因素来确定。应当遵循这样一条原则：材料的导热系数越大、集热器的工作温度越高、使用地区的气温越低、则隔热层的厚度就要求越大。一般来说，底部隔热层的厚度选用30～50mm，侧面隔热层的厚度与之大致相同。

4、外壳

外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。
1）外壳的技术要求
根据外壳的功能，要求外壳有一定的强度和刚度，有较好的密封性及耐腐蚀性，而且有美观的外形。

2）外壳的材料
用于外壳的材料有铝合金板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。为了提高外壳的密封性，有的产品已采用铝合金板一次模压成型工艺。

5、平板型集热器质量的外观检查

板芯是平板型太阳能热水器的核心，市场上的板芯主要有铝芯、铜铝复合、铜芯三种。铜芯的价格贵，质量好；铝芯的价格便宜、质量稍差；铜铝复合板芯的价格和质量介于两者之间，目前市场用量最大。质量好的平板型太阳能热水器吸热板黑色涂层均匀、边框四周有保温层、玻璃盖板的密封程度好，正常工作时，即使在夏 天，其玻璃盖板摸上去是凉的。

（二）水箱、支架、管道极其配件

1、水箱

1）水箱的作用：水箱是用来贮存热水的，它由内胆、保温层、外壳三部分组成

2）水箱的种类：水箱的形状有圆柱形、长方体、球形等多种式样，在相同容积的情况下，从用材和散热面积来考虑，球形水箱比方形和圆柱形水箱要好；但从水的温度分层来考虑，“瘦高”的方形水箱比“矮胖“的圆柱形或球形水箱要好；从稳定性和制作工艺的简易程度来考虑，圆柱形水箱比方形和球形水箱要好。究竟采用何种形状的水箱，只能因加工条件、生产成本和用户要求等多方面情况来定，目前一般采用圆柱形水箱。内胆材料有不锈钢、聚丙烯、镀锌钢板等。保温层一般是聚苯乙烯、聚氧脂等材料。外壳一般是铝箔或其他金属箔。

2、支架：

支架是用来支撑集热器的，一般用角钢焊接而成。

3、水管及其配件：

其作用是用来将冷水源、水箱、集热器以及用户连为一体。

参考：
http://www.bokee.net/company/weblog_viewEntry/6108985.html
http://baike.baidu.com/view/30334.htm#2
http://www.zguowx.com/yuanlishuoming/reshuiqi/meiling/2009-02-05/2775.html
http://www.newenergy.org.cn/html/0091/150924522.html