| 单词 | 太阳能集热器材料 |
| 释义 | 【太阳能集热器材料】 太阳能热水器的应用与其成本密切相关，因此选择最佳的材料，进行合理的设计，使系统成本降低、寿命延长是极为重要的。 吸热体 常用的金属材料有铜、铝、钢和不锈钢。由于这些导热性能好的金属材料的表面，太阳辐射吸收率不高，常在其表面覆盖涂层，以提高表面吸收率。涂料通常为聚丙烯和丙醛烯塑料，通过加色变黑，吸收太阳辐射能，或制成透明或半透明状，使太阳辐射透过，直接照射在黑色的传热流体上。高热导率材料的吸热体常设计成管－板型、曲板－管型、管－肋型；中热导率材料吸热体常设计成衍缝板型或碾轧板型；低热导率材料吸热体常设计成sandwich型或并排管型。为维持寿命，吸热体必须能抵抗外界或内部的锈蚀。外界的锈蚀可能起因于集热器内的温度、雨水的渗漏、盖板上水珠的凝聚等。钢集热器对外界的锈蚀反应特别灵敏，即使表面涂上涂层，仍有锈蚀时常发生。内部的锈蚀可能由于传热流体的侵蚀或系统中的不同金属等因素造成。当传热流体含有未溶解的氧，特别是当系统为无密封的排干系统时，锈蚀更为显著，这会引起钢一类金属抗蚀能力进一步减退。溶液中的氯离子也能引起钢和某些不锈钢的锈蚀。铝或钢制吸热体与常用的钢管件相连，有可能引起吸热体的电蚀。铜铝复合吸热体可在某种程度上起保护铝的作用，但无论传热流体是水、防冻液或传热汕，仍有锈蚀发生。一般来讲，作为吸热体最可靠的材料是铜和不锈钢，但这些材料昂贵。经济而又有效的方法是利用钢或不锈钢作传热流体通道，而用较便宜的金属(如铝)作吸热板。某些聚合物材料能抗水和其它液体的腐蚀，因而可用作吸热体。聚丙烯目前在游泳池加热系统中得到了广泛的应用。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)和ABS(丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三元共聚物)也可应用于热水系统的管件上。聚丁烯、氯化PVC和尼龙也能用作家用热水系统中的管材。这些材料能否作为太阳能加热系统的吸热体，取决于它们能否承受得住所达到的最高温度。在闷晒情况下，Sandwich型吸热体可达110C的高温。虽然聚合物材料的耐久性未得到检验，但研究表明，它们有希望替代昂贵的金属而作为吸热体材料。吸热体涂层 在低温运行如游泳池应用时，选用非选择性涂层更有效。但在高温运行时，选择性涂层效率较好。对于家庭热水应用，选择性涂层集热器比非选择性涂层集热器具有更好的整体性能。用于非选择性涂层的材料包括附着在聚酯、丙醛酸和环氧树脂上的无光黑涂料，常用的是炭黑、氧化铁、非晶石墨、骨炭粉和沥青等。这些非选择性涂层耐久性好，对不同的运行温度有不同的涂料可供选择。涂在铝上的涂层，其热发射率为0．38，能应用于温度达525℃的聚光集热器中。选择性吸收的特性一般是利用具有高太阳辐射吸收率但对热辐射又透明的涂层来得到。因此，涂了层的吸热体，其发射率由其底层的发射率确定，底层为抛光的金属发热率低。在某些情况下，需将高反射率层(如亮镍)，在涂选择性涂层之前先涂在吸热体表面上，以改善热辐射发射特性。发射率随着温度的升高而增大。一般用导体、多层干涉块或纹理表面(如黑铬)、AMO块和枝状钨来作为选择性涂层。涂层处理包括电镀(如黑铬)、化学转换(如黑铜和有色不锈钢)、真空蒸镀(如“AMO”干涉块)、化学蒸汽分解和溅射。比较经济的涂层处理(如电镀)，具有差的可再制性，而真空蒸镀处理则需要细心的控制且成本高。硅胶剂上的硫化铅类半选择性涂料成本比较低，易于应用，但选择性能差(如高的热发射率)，这是由胶合剂的光学性质决定的。到目前为止尚未对非选择性涂层的耐久性情况进行研究。涂层的吸收率随时间的衰退而减小，这是由于相互扩散、表面组织的变化及氧化造成的。表面之间的锈蚀和相互作用会使表面之间的附着性减退。通过对黑铬涂的研究发现，在高温情况下经历很长时间后，其光学性质改变很小；在经历多次温度循环和太阳辐射照射后，其光学性质改变也很少。黑镍涂层稳定性较差，铜、钴和锌等的氧化物性能衰退厉害，而多层块(AMO涂层)和不锈钢转换涂层吸收率减小很少。盖层的主要功能是通过限制空气的流动来减少对流热损失，但也起保护吸热体的作用，使其不受外界环境的侵蚀，并减少吸热体热辐射损失。盖层材料最重要的性质要求是高的太阳辐射透过率和低的热辐射透过率。玻璃、丙醛酸、聚碳酸酯和玻璃钢都具有良好的光学性能，聚氟乙烯和氟化乙丙烯薄膜即具有相当高的热辐射透过率，又具有相当好的太阳辐射透过率。这些薄膜可和有选择性涂层的吸热体联合使用，也可作为双层集热层盖板的内盖板(假如能经受得住所达到的温度)。绝大部分太阳辐射透过损失是由表面反射造成的，可在盖层表面涂上折射率介于空气和盖板材料折射率之间的薄膜来减少折射，同时可使玻璃的透过率提高6%。实现的方法是蚀刻表面或加氟化锰涂层、氟化乙丙烯或多孔硅薄膜。盖板表面暴露于大气中易受磨损、灰尘堆积等的影响，故不值得在盖层表面上加减反涂层。聚合物表面比玻璃上更容易积尘，透过损失也会由于表面积尘而增大。在盖层内表面加IR(红外线)反射涂层可增强反射。诸如氧化锡和氧化铜等金属氧化物半导体膜，可通过溅射和喷涂热解法应用于玻璃上，增加热辐射反射率至75%～80%。利用离子沉积和化学蒸汽等离子体分解，将此种涂层应用于塑料的工艺正在开发之中。IR反射涂层会减少太阳辐射的透过率，因而一般来说无反射涂层盖板的总性能比有IR反射膜盖板的总性能要好。集热器盖板材料必须具有足够的强度和韧性，以便能承受得住自身的压力和其它外界可能造成的附加压力，同时必须能经受得住运行期间的温度，对安装质量要求高。玻璃具有足够的强度和良好的抗温性能，但易脆。聚合物盖板具有低密度的优点，抗压比玻璃好。但许多塑料在高温时失去强度，在中温时发生垂驰。此外，聚合物热胀系数高，可能导致密封困难或者变形。在通常运行条件下，单层盖板集热器温度可达40℃，而在闷晒时可超过100℃。双层盖板集热器的外盖板和内盖板所达到的温度分别低于和高于这些温度。GRP和丙醛酸板在温度高于90℃后有垂驰的倾向。而聚碳酸酯直到130℃仍能维持其强度，但在中温时有变型。FEP膜可维持其强度直至200℃。有变型倾向的聚合物盖板应适当地加以支撑，防止板垂驰而与吸热体接触。垂驰板在风的作用下易产生拍打现象，可能损坏和撕裂，且易积水，导致蒸发后灰尘的堆积。为确保盖板多年良好的性能，盖板的耐候性要好。玻璃抗候性很好，而许多聚合物易受太阳辐射(尤其是紫外成分)、热、湿度和磨损等影响而性能减退。丙醛酸具有良好的耐候性和抗紫外辐射特性，在阳光下暴露多年后光学性质改变很小。氟化聚合物PVF和FEP也能耐候和抗摩擦，能用于保护持久性较差的盖板。其它聚合物(如GRP和聚碳酸酯)在紫外辐射下性能衰退，加入填充剂(对紫外辐射是不透明的或完全吸收的)可使其稳定。GRP可能出现微孔，导致性能减退；而聚碳酸酯脱色，长期暴露后有微裂缝产生。GRP和聚碳酸酯都可用PVF膜来保护。硅聚合物具有杰出的抗候性，作为太阳能集热器盖板材料的应用目前还在研究之中。集热器应用单层盖板还是双层盖板，取决于运行的温度范围和吸热板类型。选择性吸热体采用双层盖板，效率增加很小。而采用非选择性涂层时，在绝大多数运行范围内，双层盖板的效率则比单层盖板高得多。实验表明，由玻璃板(外层)和聚合物膜(内层)组成的双层盖板，在成本上比双层玻璃盖板更经济。可通过在吸热体和盖板之间加抑制对流的装置来减少集热器的热损。这些装置通常是透明的蜂窝状物质。它对集热器效率的改善与利用选择性涂层代替非选择性涂层的效果相当。初步的成本分析表明，蜂窝装置具有成本有效性。但蜂窝与吸热体直接接触，在闷晒时可能会达到200℃的高温，对在此条件下聚合物蜂窝(如聚碳酸酯、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚氟乙烯)的耐久性了解得还很少。尽管沿壁面的导热减小了玻璃蜂窝的有效性，但玻璃是唯一能耐温的材料。由于玻璃蜂窝制作困难且成本较高，可采用横向放置玻璃条来改善成本有效性。实验表明，在温度高于40℃时，此法可改善集热器性能。总之，只要能合适地安装，玻璃是近乎理想的盖板材料，其缺陷在于高密度和易脆性。此外，诸如两醛酸、涂了层的GPR和聚碳酸酯，以及PVF和FEP膜等聚合物材料，也可作为盖板材料。它们光学性能好，适当支撑后机械性能适中，虽然不稳定但耐抗性良好。膜材具有高的热辐射透过率，最好和选择性涂层配合使用，或用于双层盖板系统中。除了FEP膜以外，绝大多数聚合物由于集热器高温而不适宜作双层盖板的内盖板。玻璃、PVF和涂了层的GRP以及自撑PVF膜较其它盖板材料的成本低得多。箱体 主要材料有铝、镀锌板、GRP、低碳软钢、不锈钢等，偶尔也有聚丙烯、PVC等。具有适当性质的许多材料都可利用，其选择主要取决于成本。在金属材料中，不锈钢和铝板适合于作为集热器箱体材料，因为它们具有足够好的机械特性和抗候性。涂了层的软钢也具有良好的机械特性且相当便宜，但抗候性不太好。即使采用了高质量的涂层(如热浸镀锌)，也不会维持20年的寿命。箱体性能的减退对其它部件(如吸热体)有不利的影响，因而必须避免。考虑到集热器安装的位置(通常在屋顶上)不宜经常调换和维修，因而涂了层的钢不适宜作集热器的箱体。用于箱体的铝必须是精致的可热处理的铝合金，需进行阳极氧化处理，以避免角边腐蚀。不锈钢箱体的制造成本大约和铝的差不多。较便宜的箱体材料可选择聚合物材料，但在选择时必须注意有足够的机械强度、抗温和抗候性。GRP成本接近于不锈钢和铝，它在户外条件下具有可接受的性质，因而也适宜作为箱体材料。其它适宜的材料有挤压的聚丙烯或PVC模制热塑料，以及诸如聚丙烯或ABS等真空形成的热塑料，加填充剂的聚丙烯成本最低。聚合物箱体材料存在的问题是：UV衰减、高热膨胀系数和可能引起火灾。木材比塑料更便宜，但在户外条件下需要经常维修和更换。总之，铝、不锈钢和GRP是集热器箱体较适宜的材料，具体选择取决于成本和性能。涂了层的软钢和木制品需要维修和更换，因而不适合作为箱体。聚合物材料是低成本的很有前途的替代物，但在应用之前需要获得更多的有关数据。密封材料 主要是合成橡胶一类的塑料物质，应用最多的是EPDM和硅胶，有时也采用氯丁橡胶和丁基橡胶。密封材料可以是固态的密封体，或是油灰状的密封胶或封泥。重要的性能是抗温性、机械性能和抗候性。密封件必须能经受得住环境温度的影响。在恶劣的气候条件下，环境温度可低至－30℃。尿脘人造橡胶在低温下变硬，抗水性也差，不适宜作集热器密封件。丁基橡胶和氯磺边化聚乙烯的抗温性和抗屈变性较差，也不适用。丙醛酸、EPDM和氯丁橡胶的最高运行温度比氟橡胶和硅橡胶低，但其温度性能似乎比较合适，这些材料都能在零下使用。总之，EPDM、氟橡胶、氯丁橡胶和硅橡胶可作为集热器盖板和箱体之间的密封件。性能测试和成本分析表明，EPDM是最理想的材料。对抗温性要求较高的密封(如在双层盖板集热器中内盖板的密封或聚焦集热器的密封)，可采用硅橡胶或氟橡胶作为密封材料。吸热体隔热材料 吸热体背部的热损可用一层隔热材料来减少。此隔热材料必须是低热导体，不变形，且能承受工作温度和压力。常用的隔热材料是赛璐珞、纤维或晶粒状物质，后两者常与粘合剂一起使用。常用的隔热材料如玻璃纤维、矿质纤维、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等的热导率相差很小。通过背部的热损只占总热损的一小部分(15%～20%)，因此不必采用更低热导率的材料或加厚隔热层。通常隔热层厚度为75～125mm．某些隔热材料的热性能会随时间而衰减，在确定隔热层厚度时需加以考虑。集热器中的隔热材料常与吸热体接触或紧接，必须能承受高温。如玻璃纤维、矿质纤维、硅酸钙和珍珠岩能承受得住高达200℃的高温。其中，玻璃纤维和矿质腈纶最易生产。采用聚合物泡沫时，可在吸热体和隔热材料之间再加一层无机隔热材料或反射金属箔来避免高温。在高温下可能发生的另一个问题是漏气，即隔热材料中某一化学成分蒸发。漏出的气体会凝结在盖板上，减小光的透过率，或凝结在吸热体上引起材料性能的衰退，因而必须使用那些能抗高温的粘合剂来粘接玻璃或矿质纤维。聚合物泡沫在环境温度下也会发生漏气现象，若用密封隔热材料使其不与吸热体——盖板接触，如用箔片绕隔热材料，即可消除漏气的有害影响。在运行期间隔热材料应不变形。半固板近似于松驰材料的填料，可能导致材料向下的堆积。聚合物泡沫在温度和压力的循环作用下会收缩，而聚氨酯泡沫在高温下会膨胀。隔热材料通常是作为表面材料，需注意防火。玻璃或矿质纤维隔热体不存在这一问题，聚氨酯泡沫在闷晒几个月后，会在集热器中燃烧，而其它聚合物泡沫也会有发生火灾的危险。目前正在进行不会燃烧、不会冒烟的聚酰亚胺泡沫在集热器中应用的研究。玻璃纤维、矿质纤维、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫价格相同，但前两者具有更好的抗温性、耐抗性和防火性，因而极可能成为集热器较好的隔热材料。固件装置 固件材料必须具有足够高的强度，而密度越低越好。此外，材料的抗蚀性和抗候性要好。软钢是价廉且强度大的材料，易做成各种形状的固件。经涂层或镀锌可以防止腐蚀，但涂层一般不易在集热器寿命期内维持稳定，因而需要维修。不锈钢抗蚀性强但价格比较昂贵，不易加工。钢材的缺点是密度太高。铝的密度较低，强度和抗蚀性适当，但易受空气侵蚀。GRP强度大、重量轻，可被压制成高强度的管件，尽管目前的价格还比较昂贵。固定固件的螺丝、螺母、螺杆材料必须也是防蚀的，并需根据母材来选择。不锈钢固件比较合适。对太阳能热水系统所用材料的综述表明，只要经过精心设计，采用合适的材料，就可能得到高效率和耐久性很好的系统。这种系统应采用铜或不锈钢作为所有传输流体部件(吸热体、管道和贮热管)的材料。吸热体应置于铝、不锈钢或GRP箱体之中，加装玻璃盖，采用EPDM橡胶密封，用铝或不锈钢作支架。集热器的保温采用玻璃纤维或矿质纤维，传热管和贮热管所用的保温材料有多种，常规的管道和控制材料一般足以满足控制系统的要求。如果仅具有很好耐抗性的系统，但制造成本高，从成本上考虑这个系统是不可取的。将来的发展趋势，是在不增加成本的前提下提高集热器的效率，或是在不降低性能的前提下减少成本。后一种方法较有前景。成本的减少，可通过简化制作和安装程序来实现，而这又要通过改进设计或采用低成本的材料来获得。通过进一步研究利用聚合物获得低成本、高耐久性的加热系统具有广阔的发展前景。(云南师范大学太阳能研究所林文贤撰) |
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