太陽能集熱器

效率比較高的集熱器由收集和吸收裝置組成。陽光由不同波長的可見光和不可見光組成，不同物質和不同顏色對不同波長的光的吸收和反射能力是不一樣的。黑顏色吸收陽光的能力最強，因此棉衣一般用深色或黑色布。白色反射陽光的能力最強，因而夏季的襯衫多是淡色或白色的。因此利用黑顏色可以聚熱。讓平行的陽光通過聚焦透鏡聚集在一點、一條線或一個小的面積上，也可以達到集熱的目的。紙在陽光照射下，不管陽光多麼強，哪怕是在炎熱的夏天，也不會被陽光點燃。但是，若利用集光器，把陽光聚集在紙上，就能將紙點燃。集熱器一般可分為平板集熱器、聚光集熱器和平面反射鏡等幾種類型。

平板集熱器一般用於太陽能熱水器等。聚光集熱器可使陽光聚焦獲得高溫，焦點可以是點狀或線狀，用於太陽能電站、房屋的採暖（暖氣）和空調（冷氣）、太陽爐等。按聚光鏡構造有“菲涅爾”透鏡、拋物面 鏡和定日鏡。

平面反射鏡用於太陽能塔式發電，有跟蹤設備，一般和拋物面鏡聯合使用。平面鏡把陽光集中反射在拋物面鏡上，拋物面鏡使其聚焦。

太陽能集熱器的定義是：吸收太陽輻射並將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。這短短的定義卻包含了豐富的含義：第一：太陽能集熱器是一種裝置；第二：太陽能集熱器可以吸收太陽輻射；第三：太陽能能集熱器可以產生熱能；第四：太陽能集熱器可以將熱能傳遞到傳熱介質。

太陽能集熱器雖然不是直接面向消費者的終端產品，但是太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統的關鍵部件。無論是太陽能熱水器、太陽灶、主動式太陽房、太陽能溫室還是太陽能幹燥、太陽能工業加熱、太陽能熱發電等都離不開太陽能集熱器，都是以太陽能集熱器作為系統的動力或者核心部件的。

太陽能集熱器的分類

1.按集熱器的傳熱工質類型分：液體集熱器、空氣集熱器

2.按進入採光口的太陽輻射是否改變方向分：聚光型集熱器、非聚光型集熱器

3.按集熱器是否跟蹤太陽分為：跟蹤集熱器、非跟蹤集熱器

4.按集熱器內是否有真空空間分為：平板型集熱器、真空管集熱器

5.按集熱器的工作溫度範圍分為：低溫集熱器、中溫集熱器、高溫集熱器

6.按集熱板使用材料分別為：純銅集熱板、銅鋁複合集熱板、純鋁集熱板

平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。用平板型太陽能集熱器組成的熱水器即平板太陽能熱水器。

當平板型太陽能集熱器工作時，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收並轉化成熱能，然後傳遞給吸熱板內的傳熱工質，使傳熱工質的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出；與此同時，溫度升高后的吸熱板不可避免的要通過傳導、對流和輻射等方式向四周散熱，成為集熱器的熱量損失。

平板型太陽集熱器是太陽集熱器中一種最基本的類型，其結構簡單、運行可靠、成本適宜，還具有承壓 能力強、吸熱面積大等特點，是太陽能與建築結合最佳選擇的集熱器類型之一。

根據IEA報告，截止到2004年底，平板型集熱器佔總市場份額的35%，真空管集熱器佔41%。如果不統計無蓋板的太陽能集熱器，歐洲、日本和以色列等國家均是以平板型集熱器為主，約佔市場份額的90%；國內市場以真空管為主，2005年約佔市場份額的87%，平板型集熱器只佔12%。

國內平板集熱器從上世紀80年代的市場統治地位逐步下滑到12%左右，有眾多因素造成的：1）直接系統的平板熱水器在冬季不能防凍，須排空，因此冬季不能使用並維護複雜；2）全玻璃真空管熱水器在大部分地區可全年使用；3）全玻璃真空管由於技術創新，成本大幅度降低，生產企業迅速增加，促進太陽能熱水器市場迅速擴大。因此，目前家用熱水器國內市場格局是由於產品的特點和價格等因素形成的，可以預見在家用熱水器中低擋市場中仍將是全玻璃真空管熱水器為主。

國外太陽能市場始終以平板集熱器為主，是因為國外太陽能系統設計理念的不同。國外系統一般採用間接系統、分體式系統和閉式承壓系統，這類系統一般初投資高，但系統可靠、維護成本低、水質不會污染和系統壽命長。針對這類系統，平板集熱器體現出其自身的技術優勢：1）平板集熱器最適合用於承壓系統；2）最適合於雙循環的太陽能熱水器；3）最有利於實現太陽能熱水器與建築結合；4）系統壽命長，維護費用低；5）大多數情況下可以提供更多的生活熱水；6）平板集熱器用於太陽能採暖系統時能較方便解決非採暖季節的系統過熱問題。因此，在太陽能系統工程、分體式太陽能熱水器和對太陽能與建築一體化有要求的場所，平板集熱器比全玻璃真空管集熱器在系統壽命、系統維護等方面具有明顯優勢。

目前國內平板太陽能集熱器和國外先進水平仍存在一定差距。國內廠家送檢測試結果和部分SPF檢測報告對比可以看出：中國太陽能集熱器瞬時效率的截距略低於國外產品，熱損係數差別較大。這表明現有產品在玻璃透過率、高效選擇性塗層和整體結構設計方面仍存在差距，因此國內廠家需要努力提高平板太陽能集熱器產品性能，開展高效平板太陽能集熱器研發。尤其在寒冷地區或太陽能採暖等場合，集熱器熱性能對太陽能系統收益影響特別顯著。

為了提高太陽集熱器的效率，唯一有效的辦法是在保持最大限度地採集太陽能的同時儘可能減小其對流和輻射熱損。採用優質選擇性吸收塗層材料和高透過率蓋板材料是滿足上述要求的重要途徑。

隨著太陽能熱利用技術的發展，中國對選擇性吸收材料的研究工作已有二十年的歷史了。太陽集熱器的發展過程也是塗層技術的發展過程。期間經歷了從非選擇性的普通黑漆到選擇性的硫化鉛、金屬氧化物塗料，從黑鎳、黑鉻到鋁陽極化塗層等一代接一代的更新換代過程。隨著塗層技術的不斷進步塗層性能得到了很大的提高。目前中國平板集熱器吸收表面主要採用鋁條帶上陽極化著色和銅條帶上黑鉻選擇性塗層。

間歇式磁控濺射鋁-氮-鋁材料選擇性吸收塗層的鍍膜生產技術是隨著真空管集熱器的產生而發展起來的，基本上代表了當前中國中低溫選擇性吸收材料的生產水平。由於該塗層耐候性能較差，不適於平板集熱器的使用。

目前，國際上發達國家，尤其是歐洲，選擇性吸收塗層的生產主要有兩個特點，其一是採用真空鍍膜技術，其二是採用卷繞式連續鍍膜方式。即使是濕法鍍膜也採用連續鍍膜工藝。如丹麥的BATEC公司是生產黑鉻吸收塗層的，在銅條帶上採用連續電鍍的方法進行生產。年生產能力為十幾萬平米，產品的光學性能及耐候性都很理想。此外，德國幾個生產選擇性塗層的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是採用真空方法和連續生產方式進行吸收塗層生產的。

真空鍍膜技術生產工藝不存在污染問題，塗層光學性能優良，但連續化生產線投資較大，塗層生產成本較高，有些真空鍍膜塗層耐候性能不很理想。濕法鍍膜技術採用電化學方法生產，工藝設計或生產控制不當，容易造成一定程度的污染，但塗層（如黑鉻塗層）連續化生產線投資較小，塗層具有優良的光學性能而且也具有非常優異的耐熱耐濕耐候性能，是一種性價比較高的太陽能選擇性塗層。

北京市太陽能研究所有限公司於2003年開始黑鉻選擇塗層生產工藝的研究，於2004年建成國內第一條黑鉻太陽能選擇塗層連續化生產線，產品經檢測：塗層的吸收率α≥0.93，紅外發射率ε≤0.10，性能達到國外平板太陽能集熱器塗層先進水平。

北京市太陽能研究所有限公司也開展耐候性塗層真空鍍膜生產技術的研究。研製了不鏽鋼氮化物和不鏽鋼碳化物的金屬陶瓷選擇性吸收塗層，為實現該膜層的生產，研製了一台三靶磁控濺射真空鍍膜機並成功的進行了中試。通過小批量試生產製備出合格產品用於平板集熱器。

目前，國內多家研究結構和生產廠家均在開展用於平板集熱器的高性能太陽能選擇性塗層生產工藝和設備研究。因此與國外在太陽能選擇性塗層方面的技術差距將會越來越小，這為國內平板集熱器技術的提升打下基礎。

關於平板集熱器太陽能系統，業界存在一些誤解。其一是平板集熱器太陽能系統四季全天候運行問題，很多人認為平板集熱器太陽能系統不能在冬季運行，實際上這種觀點是錯誤的。目前，平板集熱器太陽能系統一般採用迴流排空技術及二次循環技術（通過防凍液傳熱），在北方地區可方便地解決集熱器過冬防凍問題，無集熱器凍壞的後顧之憂，並且可以解決夏季（或熱水負荷不匹配時）系統過熱問題，這一特點對太陽能採暖系統非常有利。此外，迴流排空防過熱、防凍技術方案在荷蘭等歐洲國家也大量使用，是一種非常成熟的技術方案。

另一個誤解是平板集熱器得熱量問題，很多人認為平板集熱器太陽能熱水系統的得熱量（或產水量）要低於真空管集熱器熱水系統，實際檢測表明：採用黑鉻選擇塗層平板集熱器熱水系統產水量要高於相同總面積的真空管集熱器熱水系統。測試結果如下：

圖2 黑鉻選擇塗層平板集熱器和真空管集熱器全年單位面積日均產水量比較

從測試結果可以看出，在北京地區，高效平板集熱器太陽能熱水系統的產水量要高於同等面積的真空管集熱器系統。其中一個重要原因是同等面積下真空管集熱器採光面積要低於平板集熱器採光面積。

針對國內平板集熱器與國外的技術和質量的差距，應採取以下措施提高平板集熱器的性能和質量：

1）研究開發適用於平板太陽能集熱器的選擇性塗層，塗層應具有高吸收率、低紅外發射率、優異的耐熱耐濕耐候性能和適宜的加工成本；

2）廣泛採用低鐵高透過率蓋板玻璃。目前已有多個玻璃廠家開始生產適用於太陽能集熱器的低鐵玻璃，國內外玻璃質量差距越來越小；

3）重視集熱器的優化設計，改善製造工藝，保證結構的嚴密性，減小集熱器的散熱損失；

4）選用鋼化玻璃作為集熱器蓋板，提高集熱器部件質量，採用優化結構設計，確保集熱器可以經受防冰雹、淋雨、空曬、耐壓、熱衝擊等性能試驗，提高集熱器壽命，減少系統維護費用；

5）為適應寒冷地區、太陽能採暖和空調以及工業加熱等特殊要求，應開發高效平板集熱器。儘快使雙層蓋板和透明蜂窩等技術產業化，並提高其性價比，使高效平板集熱器有較強市場競爭力；

6）跟蹤國外平板集熱器先進技術和工藝，開發新型平板集熱器太陽能系統，提高平板集熱器市場佔有率。

1）平板集熱器結構簡單、運行可靠、成本適宜，還具有承壓能力強、吸熱面積大等特點，最有利於實現太陽能系統與建築結合；

2）採用迴流排空技術，平板集熱器太陽能系統可以方便地解決防凍和防過熱等技術難點；

3）高效平板集熱器太陽能系統在同等面積前提下與真空管太陽能系統相比，可以提供更多生活熱水；

4）國內平板集熱器性能和質量與國外的產品相比，仍存在一定差距。在選擇性塗層、蓋板玻璃、優化設計和生產工藝等方面有待於進一步提高。

真空管集熱器就是將吸熱體與透明蓋層之間的空間抽成真空的太陽能集熱器。用真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。

真空管按吸熱體材料種類，可分為兩類：一類是玻璃吸熱體真空管（或稱為全玻璃真空管），一類是金屬吸熱體真空管（或稱為玻璃－金屬真空管）。熱管式真空管是金屬吸熱體真空管的一種，它由熱管、吸熱體、玻璃管和金屬端蓋等主要部件組成。

熱管式真空管與其他類型的太陽能熱水器相比，具有以下不可替代的優點：

1.耐冰凍：採用抗凍型熱管，即使在－50℃的嚴寒條件下也不會凍裂。

2.啟動快：熱管的熱容量大，在陽光下幾分鐘后即可輸出熱量；而且在多雲間晴的天氣，比其他熱水器能產生更多的熱水。

3.不結垢：由於水不直接流經真空管內，避免了因結水垢而引起的水道堵塞問題。

4.保溫好：熱管具有單向傳熱的特點，使熱水在夜間不會沿熱管向下散熱到周圍環境。

5.承壓高：由於玻璃管內不盛水，連接成集熱器后可隨自來水和循環泵的壓力，因而在大中型熱水系統應用中獨具優勢。

6.耐熱衝擊性好：即使用戶偶然誤操作，陽光下空曬后的熱水器內立即注入冷水，真空管也不會炸裂。

7.安裝簡便，運行可靠：集熱器內的真空管與集熱器間是“乾性連接”，無熱水泄漏問題，安裝方便；即使有一根熱管出現問題，在維修過程中也不會影響整個系統的正常使用。

正是由於熱管式真空管具有以上諸多優點，才越來越受到各國太陽界的重視。北京市太陽能研究所的熱管式真空管集熱器經過德國和瑞士檢測機構的測試，產品熱性能指標達到了九十年代國際先進水平，成為了繼法國和英國之後世界上第三個可批量生產熱管式真空管集熱器的單位。

中國的住宅設計目前尚未考慮生活熱水供應，而家裡有熱水洗澡是小康生活的一個必要條件。中國能源供應緊張，依靠常規能源不可能全部解決城市住宅生活熱水供應。中國太陽能資源非常豐富，全國有三分之二以上地區年輻照總量大於502萬千焦/米2，年日照時數在2000小時以上；而且近年來太陽能熱水器發展迅速，使得利用太陽能供熱水不僅在技術上和經濟上是可行的，並已具備了與常規能源的競爭力。

太陽能熱水器早在八十年代初就在中國開始推廣，應用範圍包括集體浴室、游游泳池加熱、工農業生產等。現在的市場發展勢頭正逐年向居民住宅用熱水傾斜，在國內的一些地區如昆明已陸續出現太陽能熱水器在住宅中的統一設計和安裝，取得了良好的社會經濟效益。

但是，太陽能熱水器在北京等大中城市的推廣速度極其緩慢。究其原因，主要是太陽能熱水器的安裝問題。由於太陽能熱水器需要安裝在屋頂，而北京的住宅建築在設計時未考慮太陽能熱水器的管線問題，勢必要進行二次施工。要解決這個問題，就要使太陽能熱水器作為住宅的必備設施，在設計時將太陽能熱水器的管線與暖氣管一樣埋在牆內，與主體建築同步完工。其優勢是：

1.有利於節能和環保。每平方米太陽能熱水器每年可節約100～150公斤標準煤，可減少溫室氣體及粉塵的排放。在太陽能熱水器上安裝輔助電加熱設備，在冬天及連陰天可進行補充加熱。這樣就能達到大範圍節約能源和保護環境的作用。

2.有利於建築施工。由於太陽能熱水器與建築在設計和施工上均做到統一，避免了二次施工，還可起到保護屋頂和增加隔熱的效果。

3.有利於城市美觀。太陽能熱水器住宅將形成城市建設的一種新景觀，可美化城市建築。

4.節省資金，經濟實惠。太陽能熱水器的技術現在已基本成熟，以北京市太陽能研究所的熱管式真空管太陽能集熱器為例，使用周期為15年，80%依靠太陽能，20%依靠輔助電加熱，運行費用相對較低。

陶瓷太陽能集熱器主要有陶瓷太陽能板、透明蓋板、保溫層和外殼等幾部分組成。用陶瓷太陽能集熱器組成的熱水器即陶瓷太陽能熱水器。

當陶瓷太陽能集熱器工作時，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在陶瓷太陽能板上，被陶瓷太陽能板吸收並轉化成熱能，然後傳遞給吸熱板內的傳熱工質，使傳熱工質的溫度升高，作為集熱器的有用能量輸出。陶瓷太陽能板是以普通陶瓷為基體，立體網狀釩鈦黑瓷為表面層的中空薄壁扁盒式太陽能集熱體。其整體為瓷質材料，不透水、不滲水、強度高、剛性好，不腐蝕、不老化、不退色，無毒、無害、無放射性，陽光吸收率不會衰減，具有長期較高的光熱轉換效率。