_平板型太阳能集热器的研究进展

石油和化工节能 2012年第2期 ·5·专题论坛平板型太阳能集热器的研究进展彭运吉（青岛市建筑材料研究所有限公司 山东青岛266042）摘要太阳能热利用是太阳能利用的主要方式，集热器是整个太阳能热利用系统中的核心部件。

集热器主要分为平板型和真空管型集热器，平板型太阳能集热器因其具有集热效率高、承压性好、建筑一体化程度高等优点成为当今太阳能热利用研究的热点。

本文从热交换方式、传热介质、吸热涂层及管片连接方式等不同角度对平板型太阳能集热器进行了分类，并分析了各自的优缺点，提出了改进措施，并对平板型太阳能集热器的未来进行了展望。

关键词太阳能 集热器 介质 吸收涂层 吸热原理随着新能源的广泛应用，人们对太阳能利用的研究和利用越来越深入，太阳能的热利用是太阳能利用的主要方式，在包括太阳能热水系统、太阳能空调等系统在内的太阳能热利用系统的核心部件是太阳能集热器，其性能和成本对整个系统运行的成败起着至关重要的作用，太阳能集热器的合理选择对太阳能热利用系统高效、经济的运行具有重要的意义。

平板型太阳能集热器因其具有集热效率高、承压性好、建筑一体化程度高等优点成为当今太阳能热利用研究的热点。

1 集热器的类型及各自特点1.1 热交换方式不同分类集热器与储水箱中的水进行热交换主要以两种形式进行，一是直接加热，即储水箱中的水流经集热器不断地吸收热量直至整个系统温度升高；二是间接加热，即储水箱中的水和流经集热器的集热介质在水箱中进行热交换，最终达到水箱内水温升高的目的。

直接加热可以在短时间内使水温达到较高温度，但同时系统的热量损失尤其是夜间损失颇为严重，间接式加热采用的集热介质一般为乙二醇防冻液，优点是集热速度快、油性介质热量损失速度慢，但换热速度相对较慢。

1.2 按导热介质分类平板型集热器使用的集热介质以水、油、气及纳米流体材料为主。

水和油集热介质主要用于热水系统，用气体作为集热介质的集热器主要用于工业干燥作业，张东峰[1]等人研制的高效太阳能空气集热器可使工业干燥设备节能35%以上，但由于产品制作的工艺性不高导致成本较高。

王崇杰[2]等人研究的渗透型太阳能空气集热器集热效率高达0.72，集热器集热速度快，效果显著。

近几年，纳米流体具有的优异的热输运性能以及纳米颗粒特殊的光吸收性能，使其成为直接吸收式太阳集热器循环工质的研究亮点。

已研究的用作太阳集热器循环工质的纳米流体主要有SiO2-水、Al203-水、碳纳米管-水等无机非金属纳米流体和铝-水、铁-醇水混合物等金属纳米流体。

毛凌波[3]等人研究了碳包铜纳米颗粒流体太阳能集热器的光热性能，研究表明制得的碳包铜纳米流体静置一个月未发生分层现象，具有很好的悬浮稳定性，X射线衍射图表明碳包铜纳米粉体中只有碳和铜的相，没有出现氧化铜相，证明了碳层的保护作用，添加碳包铜纳米颗粒流体的集热器比单一的乙二醇水溶液温度高了接近20℃。

其它储热材料以多种材料组合利用为主。

张文基[4]以居民居住的标准房间(4 m×2.7 m)为依据利用冬季太阳能集热器的热能与直径为5O～100mm的砾石铺设成150mm厚度的地下蓄热系统进行蓄热和放热试验，研究表明利用此集热器可使砾石系统达到47℃，完全可以达到室内采暖的要求。

1.3 按吸热材料分类集热器吸热体上把太阳能转化为热能的涂层材料主要分为非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。

非选择性吸收涂层如黑板漆和炭黑，其太阳吸·6· 2012年第2期 石油和化工节能 收比可高达0.95，但发射率也在0.90左右，热利用率低。

太阳辐射的波长主要集中在0.3~2.5μm的范围内，而吸热板的热辐射则主要集中在2~20μm的波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，又要减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂层[5]。

选择性吸收涂层包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近几年来出现的金属陶瓷等诸多复合材料。

其发展是从硫化铅、金属氧化物涂料、黑镍、黑铬到铝阳极化涂层再到“超级蓝膜”涂层的更新换代过程。

除了上述的无机材料外，近年来有机聚合物吸热材料也得到了广泛的发展[6]。

目前我国平板集热器吸收表面主要采用黑镍、黑铬、蓝钛涂层作为产品的吸热涂层。

表1对各种吸热涂层材料的吸热原理、合成方法及性能进行了比较。

从表1中可以看出“超级蓝膜”涂层和干涉型Al 2O 3-Mo x -Al 2O 3(AMA)的性能最好，但干涉型吸热涂层合成步骤繁琐且不易控制导致性能变差，而“超级蓝膜”涂层合成相对简单、性能稳定并成为市场的主流产品。

表1 不同选择性吸收涂层的吸热原理、合成方法及性能对比表[7-10]吸热原理合成方法 性能黑镍(NiS-ZnS) 利用半导体物质的电子结构中适当能隙 Eg，吸收能量大于Eg 的太阳辐射光子，从而使材料的价电子产生跃迁进入导带，而对能量小于Eg 的光子透过。

电镀法 高温固相法 α＝0.93～0.97ε＝0.07～0.14黑铬 (Cr x O y ) 同上电镀法 高温固相法 气相沉积法 α＝0.91～0.94ε＝0.08～0.15氧化钴黑 (Co x O y )同上电镀法 高温固相法 α＝0.92～0.96ε＝0.06～0.08Al 2O 3-Mo x -Al 2O 3 (AMA)利用了光的干涉原理，是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成，并严格控制每层膜的折射率和厚度，使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应，降低对太阳光波长中心部分的反射率，在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰。

气相沉积法 真空镀膜法α＝0.93～0.98ε＝0.03～0.14Co-Al 2O 3 涂层 利用在母体中细分散的金属粒子，对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收。

真空蒸发镀膜法α＝0.92～0.96ε＝0.06～0.08Cu-CuO 涂层 通过控制涂层表面的形貌和结构，使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当，从而对可见光起陷阱作用，对长波辐射具有很好反射作用，即在短波侧以黑洞的形式集光，而在长波侧以平面的形式辐射光。

电化学法α＝0.85～0.92ε＝0.08～0.15金属陶瓷 薄膜涂层 该结构利用光学干涉原理，产生相消干涉，增强吸收。

射频溅射法真空磁控溅射技术α＝0.93～0.98ε＝0.03～0.14氮氧化钛 蓝膜涂层利用半导体物质的电子结构中适当能隙 Eg，吸收能量大于 Eg 的太阳辐射光子，从而使材料的价电子产生跃迁进入导带，而对能量小于 Eg 的光子透过。

真空电子束沉积法α＝0.93～0.98ε＝0.03～0.081.4 按集热管与吸热片连接方式分类主要分为管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式。

吸热板的主要结构形式见图1[11]。

表2给出了不同结构类型的连接方式及优缺点，从表中可以看出管板式类型的集热器具有连接方式简单、制作成本比其它三种类型低、热效率高等优点而成为现在产品的主要方式。

图1 吸热板的结构图石油和化工节能 2012年第2期 ·7·表2 不同类型集热板的连接方式及优缺点连接方式优缺点管板式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。

优点：结构简单，热效率高； 缺点：焊点多，结合热阻大。

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。

优点：热效率高，无结合热阻；耐压能力强；缺点：易腐蚀；耗材量大，工艺要求高；传热性差。

扁盒式两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板。

优点：热效率高，无结合热阻；一次模压成型，易制作；缺点：焊接工艺难度大；承压性差；动态特性差，热容量大；易腐蚀。

2 展望平板型集热器具有的建筑一体化程度高、承压性好及耐冻性好等特点，使其的研究和推广程度越来越大，但也存在如集热性能有待进一步提高、成本偏高及制造工艺相对复杂等缺点限制了它的广泛应用，随着新材料技术的发展，纳米和聚合物涂层材料等新型选择性涂层材料的投入使用，制造工艺的进一步改进和人们环保意识的增强，都将会使平板型太阳能集热器的研究和应用获得新的发展。

参考文献[1]张东峰,陈晓峰.高效太阳能空气集热器的研究[J].太阳能学报,2009,30(1):61-63.[2]王崇杰,管振忠,薛一冰,王德林.渗透型太阳能空气集热器集热效率研究[J].太阳能学报,2008,29(1):35-39.[3]毛凌波,张仁元,柯秀芳,刘宗建.纳米流体太阳能集热器的光热性能研究[J].太阳能学报,2009,30(12):1647-1652.[4]张文基.太阳能集热器的热流气体对砾石的蓄放热特性研究[J].农业工程学报,2005,21(8):126-131.[5]李立明.太阳能选择性吸收涂层的研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程,2009,14(1):7-10.[6]吴嘉辉,杨丽庭,宋科明,林少权.聚合物太阳能集热材料研究进展[J].广东化工,2011,1:91-93.[7]胡万里,李长友.太阳能选择性吸收涂层[J].可再生能源,2005,(3):44-46.[8]王蕊,张万钢,魏海波.浅谈平板太阳能集热器选择性吸收涂层的制备及发展前景[J].科技向导,2010,7:86.[9]李时润,徐熙平,李刚,孙龙,金玉奇.中高温太阳能选择性吸收涂层[J].太阳能,2010,3:16-19.[10]苏畅,邓纶浩,何柳.太阳能吸热涂层的研究现状[J].电镀与环保,1999,19(5):3-7.[11]平板太阳能集热器结构及选材特点分析[EB/OL]./html/news/2011-07/info-46608-983.htm.。