真空管集热器的发展史

真空管集热器的发展史（2009/03/01 11:53）目录：业内新闻度阿里网摘浏览字体：大中小真空管太阳集热器发展简介：真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空太阳 集热管，它采用了真空夹层，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收 涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低。玻璃真空太阳集热管分为“全玻璃”与“玻璃和金属结构”两大类。太阳光能转变为热能，可通过联集管内的传热 工质（如水）或先通过热管与传热工质进行热交换将热能输送到贮热水箱。从应 用上分为用于生活热水（低温），空调和海水淡化等（中温）和太阳能热发电（高 温人真空管太阳集热器能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行。玻璃 和金属结构真空太阳集热管承压好，还能工作在中、高温。全玻璃真空太阳集热 管结构简单，制造方便，可靠性强和成本低，适宜在低中温运行。全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶胆，先由美国欧文斯一依利诺伊（OwenS 一 illinoiS ）公司推出商品，其构造如图1所示，由两根同轴圆玻璃管组成，内、罩 玻璃管间抽成高真空，太阳选择性吸收涂层（表面、膜系）沉积在内管的外表面 构成吸热体，将太阳光能转换为热能，加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空 集热管采用单端开口的设计，通过一端内、罩管环形熔封起来，其内管另一端是 密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子，将吸热体玻璃管回头支承在罩玻璃管 的排气内端部。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形成热 膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力。吸气剂蒸散后 吸收真空集热管在存放及工作过程中所释放的微量气体。经历以下几个发展阶 段：1）科研与开发（19791985）,发明了单靶磁控溅射制备铝-氮/铝太阳选择性吸 收涂层。2）科技成果向生产转化中国太阳能产业联盟网a.小生产（19861989），年产能力3万支真空集热管，期间，清华大学完成了国家“七五” 科技攻关专题“玻璃真空管热水器技术开发与应用”和国家自然科学基金项目“选 择性吸收表面光性下降机理的研究”；中生产（19901993）。清华大学组建公 司，年产能力15万支，1992年市场迅速扩大，出现供不应求。 b. 1993年至 今，作为国家产学研工程，清华大学与北京玻璃仪器厂组建了北京清华阳光能源 开发有限责任公司，1994年9月建成年产能力90万支集热管生产线。1996年9 月建成年产能力300万支集热管生产线。1998年建成年产能力400万支集热管 生产线。1998年在北京昌平建成了全玻璃真空管太阳集热器及热水器生产线并 以100%的年增量发展。目前，年产能力30万台全玻璃真空管太阳集热器及热 水器。2全玻璃真空太阳集热管的核心技术2.1太阳选择性吸收涂层 清华 大学电子工程系用“湿法”在玻璃上制备了“(Ni-Zn)SZCu太阳选择性吸收涂层”(1971981)太阳吸收比0. 880. 90,发射比0. 12 (80C)；用真空蒸发 技术在玻璃上制备“Cr2O3ZCr2O3+CrZA1太阳选择性吸收涂层”(19801984)太 阳吸收比约0. 90,发射比0.04 (80C)；磁控溅射技术的工艺控制方便，容易 在大面积上获得均匀一致的选择性吸收涂层。从1980年以来，致力于采用磁控 溅射技术，研究和开发多种选择性吸收涂层。其中发明专利渐变(多层)铝-氮/ 铝(A1-N/A1)选择性吸收涂层是我们研究最深入、应用最广泛的涂层，其太阳 吸收比可达0. 93,发射比约0. 05(80C)在世界上开创了使用一种金属作为磁控溅射的阴极材料制备包括低发射金属薄膜底层、吸收层(复合薄膜)和减 反层(化合物介质薄膜)，在制备原理上改变了以往认为需要两种或两种以上的金 属材料才能制备优质的太阳选择性吸收涂层，与澳大利亚悉尼大学专利一多层不 锈钢一碳/铜涂层(作为低、中温应用于1980年前后处于世界领先地位)相比， 二者光.热性能相近，但后者需用两个阴极(靶)材料一不锈钢和铜，其间需用 大屏障隔开以免交叉沾污，这样造成阴极材料的利用率低，而且设备结构复杂。 使用单阴极磁控溅射制备太阳选择性吸收涂层大大减化了磁控溅射镀膜机的构 造，使材料利用率增加约一倍，溅射过程中不需要切换阴极引起的辉光放电中止， 提高了生产效率。图2中描述渐变铝-氮/铝”吸收涂层的结构及其反射比谱。获 1988年国家发明三等奖。“渐变铝-氮/铝”太阳选择性吸收涂层为规模生产全玻璃 真空太阳集热管的产业化准备了技术条件。进一步研究制备了 “AI-N- F/A1-NZA1”太阳选择性吸收涂层，涂层的太阳吸收比0. 954,红外发射比0. 060(100C)；还深入研究了干涉一吸收型A1-N/A1太阳选择性吸收涂层，膜系为 A2O3/AIN/ (LMVF) A1-N/ (HMVF) A1-N/A1，其中 HMVF 是金属粒子体积 比(填充因子)较高的吸收次层，而LMVF是金属粒子体积比较低的吸收次层， 具有更高的太阳吸收比与更低的热发射比。在规模化生产中，选用了工艺参数稳 定性好和生产效率高的A1-N/A1太阳选择性吸收涂层膜系，对于获得生活热水， 至今该吸收涂层有着最好的性能价格比。2. 2开发三代制备太阳设择性吸收涂 层的磁控溅射镀膜机和国住面上太阳选择性吸收涂层太阳吸收比的测定方 法第一代：19851986年，设计与制造了我国第一台制备太阳选择性吸收涂层的磁控溅射镀膜机，采用了电磁卧式结构。第一代：后来又开发了第一代立式前开门生产1. Zm长全玻璃真空太阳集热管的选择性吸收涂层使用的磁控溅射镀膜机，一次装载30支内玻璃管，磁场为永久周期磁场。第三代：开发创新了大回路闭合溅射轨迹柱状磁控靶，俗称旋转磁场，具有旋转磁场的阴 极，真空室圆柱面曲率半径约350nun，高约2000mm生产1.5m长全玻璃真空太 阳集热管的选择性吸收涂层使用的磁控溅射镀膜机，使阴极材料利用率提高到约 5倍以上，降低了成本，而且溅射的吸收涂层的质量更为稳定。过去采用陪片方法，不利于对真空集热管产品内的选择性吸收涂层进行抽检。利用常规的紫 外.可见.近红外分光光度计与大积分球配合，开发创新了圆柱面上太阳选择性 吸收涂层的太阳吸收比的准确测定方法。1996年经专家评议指出：“使用具有直 径为9150mm的积分球的分光光度计对水平放置玻璃圆柱面与平面玻璃片上太 阳吸收比不小于0. 84 (AM2)的选择性吸收涂层进行测试，测试结果的绝对偏 差不大于土 0. 005。结果表明：可以对圆柱面上的太阳选择性吸收涂层进行直 接测量，这样能更真实反应真空太阳集热管内吸收涂层的太阳吸收比，在制定有 关标准时可以采纳这种测试方法”。2. 3真空技术与真空排气监测系统1)自行设计与制造了全玻璃真空太阳集热管的高效、节能的真空排气系统，由卧式 排气台发展太阳能产业联盟成立式排气台，电加热元件布局合理，配以热反射屏，烘箱内温度比较均匀，使每根全玻璃真空太阳集热管烘烤所需电能大 为降低。2)研究开发了优良的真空排气工艺，使全玻璃真空太阳集热管具有长的真空寿命。3)开发了优良的蒸散式吸气剂的去气与优化的蒸散工艺，以取得近于最大的得钡量。4)开发了全玻璃真空太阳集热管真空排气监测系统。该系统有一台主机，10台分机，一台计算机及其通讯接口。-各分机同时和四台真空排气系统通讯，由通讯接口在真空计与分机间交换真空度的 数字信号。-同时各分机采集烘箱的温度，在不符合工艺及真空破坏时有显示报警。 -各分机贮存及向主机传送数据，主机与计算机之间采用 电流环通讯，主机与分机之间用巡检方式联络，主机与计算机之间采用电流环方式和光纤隔离，克服了高频大功率的强干扰。-单片机软件和计算机软件系统全部自行编写；24小时自动采集，用表格显示数据，绘制所 有工作台各自的真空排气工艺曲线。全玻璃真空集热管生产是四班三运转，确保了整日的集热管的真空排气质量。2. 4硼硅玻璃3.3玻璃管 全玻璃 真空管集热器是在曝晒、风吹、雨淋、降雪和冰雹袭击等环境条件下工作的。全 玻璃真空集热管宜采用“硼硅玻璃3.3”一 ISo3585： 1991 (E)国际标准化组织制 定的标准。其耐热冲击性好、化学稳定性好和机械强度高的硼硅玻璃。北京玻璃 仪器厂进行了不断的开发创新工作。1) ISO3585： 1991(E)标准内未注明玻璃的太阳透射比。北京玻璃仪器厂生产的厚1.6mm硼硅玻璃3.3 (代号BJ-TY8032)玻璃管，太阳透射比约为0. 904 (AM1.5)。2)生产出硼硅玻璃管的抗酸和抗水一级，化学稳定性优良，适合内玻璃管中的热水和环境对罩玻 璃管的侵蚀作用；硼硅玻璃管的热膨胀系数低(3.3X100.000001/C)人具有优良的 耐热冲击性能，以及高的机械强度3)解决硼硅玻璃3.3玻璃管生产中的技术难点：熔化温度高带来窑炉的耐火材料问题；窑炉内下层玻璃流动 难引起的分层问题；无模成型玻璃管的直径、圆度和壁厚尺寸的控制；集热管用 玻璃管表面的光洁度和棱线问题，开发了高温合金替代石英陶瓷端头，延长了端 头的使用寿命，提高产量10个百分点。4)开发了无模成型玻璃管拉封机和卧式环封机及集热管环封口在线连续返火生产线等集热管用玻璃加工专用生 产设备。5)自行设计与制造了硼硅玻璃3.3玻璃管连续精切烤口的机械化生产设备。2. 5国家标准全玻璃真空太阳集热管的制定对全玻璃真空太阳集热管的光一热性能进行了理论分析计算并进行了大量的实验测试工作，确 定了罩玻璃管的太阳透射比，太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比和热发射比，管 内气体压强四个材料和工艺参数，确定了闷晒太阳曝辐量、空晒性能参数和平均 热损系数为评价全玻璃真空太阳集热管光一热性能的三参数及其定量的数据，见 表1。这三个参数成为起草国家标准“全玻璃真空太阳集热管”的重要基础。过去 20年来国际上文献和科技交流中使用空晒温度表示集热管的空晒性能。我们采 用了一个参数，称为空晒性能参数，该参数计及了空晒温度、太阳辐照度与环境 温度，更合理地表征了全玻璃真空太阳集热管的空晒性能。我们是国家标准全 玻璃真空太阳集热管(GB/T 170491997)的主要起草人。我国是世界上第一 个建立全玻璃真空太阳集热管国家标准的国家。3全玻璃真空管太阳集热器 及太阳能热水系统1)SLL型集热管东-西向放置的全玻璃真空管太阳集热器 自行设计与生产了“水在玻璃管”的联集管。真空太阳集热管单排南一 北向放置，可以自然循环或强迫循环。 真空太阳集热管东一西向放置，可 以是单排或双排，可工作在定温放水、强迫循环或自然循环。太阳能产业联盟 用1. 2m长的真空太阳集热管50支构成东一西向双排的集热，称SLL-1200/50 为一个单元，可灵活地组合成中、大采光面积的真空管太阳热水系统。 对 于一个有上百支或上千支的真空集热管的太阳热水系统，往往有几支真空集热管 与集管的连接处，有少部分滴漏水。后来，开发出了合适的集管翻边孔以及密封 胶圈的材料与形状，克服了大面积真空集热管太阳热水系统的滴漏水问题。 为出口需要，从固体力学角度对承压式全玻璃真空管太阳集热器进行结构优化设 计，计算和试验研究，开发了能承受3个大气压的具有“水在玻璃管”的真空管太 阳集热器，该产品己安装在瑞士 BCCh市郊等处。 集热管东西向排列的热水系统（拉萨西藏）见图3如下。 2） SLU型具有U形管铝翼和轧花铝漫 反射平板的“水在金属管”的全玻璃真空管太阳集热器承受工作压力为6个大气 压（0.6MPa），经德国Fraunhofer太阳能集热设备检测中心检测全面通过欧洲标 准PrEN12975。特别是创新了与U形管配合的铝翼的结构形状，顺利通过内热 冲击实验。该集热器的集热性能优良，瞬时效率方程为：德国将测得的太阳集热器的瞬时效率方程和入射角修正系数转换到德国维尔兹堡地区的全年的 集热性能，是该中心检测以来最优的五台之一。SLU型全玻璃真空管太阳集热器在欧洲使用例见图4如下。3）XR型热管型全玻璃真空管集热器，分为干式与湿式两种联集管，具有不少优点，推广前景良好。4全玻璃真空管 太阳热水系统全玻璃真空管集热器加上贮热水箱构成热水器。采用不锈钢贮热水箱其壁较薄，不锈钢选材要求严格，焊接工艺要求高，制造时耗能小，水 箱内无需安置镁合金棒。提高技术，改进工艺，有以下几个方面：l）水箱的容积尺寸与材料厚度进行优化设计。2）贮热水箱采用304及316不锈钢。尽可能减少焊区过热，避免氧、氮侵入焊接区，提高焊接区抗晶界腐蚀的能力。 3）焊缝经着色（渗透）及试板金相抽样检查（光镜或电镜），对焊缝的成分进 行抽检。以普通100升落水式的贮热水箱为例，水箱壁厚0.6mm，进行破坏性耐 压试验时，水压达到10.5kg/Cm2时才在纵焊缝上破日。对于水箱壁厚为lmm端 头为1.2mm的128升的贮热水箱，经8万次以上自动加压（4. 5个大气压）， 没有渗漏。4）对全玻璃灭空管太阳热水器的整体进行风载试验，在此基础上优化设计，使热水器支架强度高和抗风性好。5）采用轧花出漫反射平板，其漫反射比高，表层有微米级三氧化二铝薄膜抗腐蚀，置于集热管背面，提高集 热器及热水器的集热性能；设计与生产模块式漫反射器，便于拼装不同采光面积 的集热器与热水器。6）热水器水温水位计和电子控制仪水在玻璃管直插紧凑式家用热水系统见图5如下。5全玻璃真空太阳集热管、集热器及热水系 统的应用开发与市场5.l真空管太阳集热器的应用开发研究开发太阳能暖棚种 植，在北京地区全年试验种植瓜果蔬菜；在秦皇岛进行了海水淡化试验；以及着 于进行太阳能供暖、空调和生活用热水综合应用试验等，以开辟全玻璃真空太阳 集热管应用的新领域。5. 2经济效益北京清华阳光能源开发有限责任公司2000年的销售额和利税分别为1994年的34倍和64倍。6结论 经20年的 年的研究、开发与生产的不懈努力，“全玻璃真空太阳发热管、集热器及热水系 统”于2000年荣获了国家科技进步二等奖。展望可再生能源与环境，将是21世 纪的重大课题和新型产业。在国家产、学、研相结合的推动下，让我们再接再厉， 团结奋斗，向太阳索取。