中国平板太阳能集热器现状的调查与评析
中国平板太阳能集热器现状的调查与评析
高元运
（湖北金威新能源科技有限公司武汉 430040）
摘要：对中国平板太阳能集热器现状进行了调查，并作了相应评析，提出以高性价比化解低价竞争恶性循环怪圈和严格细化产品标准的行业平板发展建议。
关键词：太阳能平板集热器现状评析
1 关于推荐平板产品的检测统计
面对中国太阳能热利用的集热器、涂层和控制器存在的质量参差不齐，低价恶性竞争的乱局，中国太阳能热利用产业联盟忧患到可能会因此而出现重大质量问题，在未来几年内爆发重大质量隐患，特此组织了“太阳能热利用产品”质量检测及评析活动，并最终对结果给出《推荐产品汇编》（以下简称汇编）。这个未雨绸缪的举动实在具有非常及时而重大的意义，特别恰遇太阳能热利被纳入国家计划层面，进入“十三五”规划，2020年太阳能热利用保有量至少要达到8亿平米，才能配合和满足国家对能源环保战略和人民幸福的需要，这就更显得不同凡响了。
作为太阳能热利用的核心基础器件，平板太阳能集热器（以下简称平板）在汇编中占了集热器部分的2/3，这说明有更多的企业了解平板，认识平板有巨大发展优势和广阔前景，而且也在这次测评活动中亮相，公开了他们平板产品的组成构造。这些平板信息是由这次活动汇集的，所以其真实性权威性是难得的和宝贵的。对这些信息进行进一步统计分析也是一个有意义的工作。
2 关于推荐平板产品的组成与结构
2.1 材料的配套
1）透明盖板：
国内已有普通透射比为91.5%的超白钢化玻璃，也有减反透射比94%、97.5%玻璃，但汇编中平板基本都是（100%）选用了透射比为91.5%，厚度3.2mm的玻璃。
2）选择性吸收层：
在汇编中检测报告公开的有高级蓝膜（吸收比α0.94-0.95/发射率ε0.04-0.05,α/ε≈19）、普通蓝膜（吸收比α0.92-0.94/发射率ε0.06-0.07,α/ε≈13.4）、黑铬（吸收比α0.95/发射率ε0.12,α/ε≈7.92）、黑镍（吸收比α0.94/发射率ε0.13,α/ε≈7.2）、黑钛（吸收比α0.94/发射率ε0.13,α/ε≈7.2）、静电喷漆（吸收比α0.92/发射率ε0.16,α/ε≈5.8），化学工艺涂层（吸收比α0.93/发射率ε0.15,α/ε≈6.2）和阳极氧化（吸收比α0.92/发射率ε0.29,α/ε≈3.17）等。
其中蓝膜占34%，阳极氧化8%，其他占58%（黑铬27%，黑镍14%，黑钛14%等）。
基材基本为铝，蓝膜厚度0.4mm;其他大多是0.3mm（约占60%）,因此有些厂家0.4没存货，说明采用非蓝膜的平板厂家为了降低成本，大部分用的是更廉价的薄料。
3）组成结构
平板集热器的组成结构主要取决于集热器边断面的结构，国内的平板集热器起源于对五星太阳能早期（2006年）一款组成结构。如图1 所示。
图1 早期（2006年）五星太阳能平板集热器边框组成结构
近10年左右平板厂家增多，在五星平板的基础上，作了一些改进，如图2 所示。其结构基本是上部透明盖板处大多不用橡胶密封条，而采用涂胶或双面密封胶条的方式，其上再扣以基于杠杆原理的压条；下部处设置了鳄鱼嘴，背板插
入其中，再由背板压合机将其压紧咬合；四角的连接固定基友两种方式，图2（a）
（a） (b)
图2 目前国内流行的平板集热器边框组成结构
所示为带有内凹槽的内角码插入边框内侧的上下槽道中，再用液压打铆机或机械手将其自铆；图2（b）为撞角挤入或插入封闭的矩形孔内再予自铆。
3）流道型式与外廓尺寸
汇编中工程机32台，都是四出口、平行的d22集管，都是栅型结构，排管多数为d10，管数8，也有d8和管数7的。外廓尺寸80%是2000*1000*80，厚度85-95的不到20%.
阳台机10台，有6台栅式结构，4台横式，横式中基本为1或2加5或4支管。其流行尺寸是2400*800，也有为适应纬度和阳台尺寸的原因的其他尺寸。如2390*795、2453*753、2800*780等，
3 对中国平板材料结构问题的评析
3.1对材料组成的评析
应该说近10年间，中国在平板的基础材料上，有巨大进步，特别是关键的透过和选择性吸收材料，曾几何时，一直困扰着中国，但现在超白布纹（绒面）钢化玻璃，一举从透过比91.5%、94%到97.5%，一应俱全；而选择性吸收材料更是
多彩纷呈，从蓝膜、紫膜、黑铬、黑钛、静电喷漆、化学工艺涂层到阳极氧化。不一而足，最好蓝膜和紫膜的吸收比已可高达0.94-0.96，发射率科低至0.04-0.05，其吸收发射比最高，约为19-23.5；黑铬次之，吸收比为0.94-0.96，发射率科0.12，其吸收发射比约为7.92；而阳极氧化一个公开报告的吸收比很低，只有0.92 ，而发射率科却高达0.29，其吸收发射比为3.17.
关键的优质透过和吸收材料，为打造高性能的平板提供了前提条件，以选择性吸收层材料为例，其吸收发射比值（α/ε）是一个全面体现其综合辐射特性的指标，如何选用，从其指标数值（α/ε=3.17-23.5）上看是个一目了然的事情，但从《推荐产品汇编》统计的结果却是极其让我们悲哀的，基本是60%的国内平板选用了普通和低档的吸收层。当然目前100%的国内平板密闭不好，难以选用耐气候性差的的蓝膜也是情有可原，连Bluetec也离开中国（也有价格的原因），此时黑铬应是个较好选择。但是同样的60%的厂家弃厚度0.4而选用了0.3铝基材的吸热板，就是实在的不应该了。
3.2对流道型式与外廓尺寸的评析
在工程机中，有使用d8的排管，这主要会增加集热器介质的流动阻力，对热效率的影响甚微，可予忽略，但减少为7支管，却会使热效率减少2%，是十分不可取的。
在阳台机中，现有尺寸的吸收面积约为1.76㎡，配用100L水箱的配水量为57kg/㎡,偏大，以52kg/㎡左右较好。
阳台机流道型式60%为栅式，会增加铜管用量，提高成本，由于过多的T型接口，也会使走的阻力系数加大，对循环特别是自然循环是不利的，横式较好，但1+5或2+4的模式，下降管的介质流向和浮力方向是相反的，从概念上讲也会增加循环阻力，最好应该是全升流的上下等流动截面型式，这对不能变角的激光焊机会带来工艺上的麻烦。
3.3对平板结构的评析
中国的平板集热器的结构主要体现在外围护结构上，图2所示的内角码、内撞角和背板压合在现时已经非常流行，在此基础上会有一些零星的差别，这些基本是外部无铆钉的，相对于早期四角和背板都是铆钉的也算是一个和大进步。
但面对平板新密闭性的要求，这些就远远不够了，这不单是中国平板的不足，
也是国际平板的一个没很好解决的问题，从欧标、澳标、美标到我们国标对此的无奈可想而知。现在的平板结构并不是由于极其同质化而否定它，是在是这种内角码、内撞角和背板压合方式，在解决平板密闭问题是显得更困难和更麻烦，因为恰恰在需要密闭之处，他却会产生暴露和闪缝。关键的一点是四角的45°切口；再就是鳄鱼嘴的背板咬合，它是一个弯曲变形过程，咬合处难以作到全部严密贴合，特别又是45°接缝处不易保证，对于大面积的背板，其整体平整张紧也会有问题。由于鳄鱼嘴与背板咬合的需要，此处占用空间较大，厚度又不能太薄，这就不得不增加耗材和成本了。最后这个工艺的实现，需要有一台背板压合机来完成，也是要多花钱的。
至于考虑到由于背板、吸热板的板面大带来的问题，用这些已有作法去解决还是有困难的。
4 对中国平板热性能分析与检测的评判
4.1对不同平板热性能的分析计算结果
4.1.1 计算对象的平板材料尺寸组成
为了对中国平板在现有条件下，对可能的材料尺寸的不同组合的热性能进行对比，在此设计了7种组合，另外为了计算特别的单因素变化对热性能的影响，还作了8-11的计算，以便作分析对比，如表1 所示。
表1 计算对象的平板材料尺寸组成表
编号简称
项目
透射
比τ
吸收
比α
发射
率ε
集热
器厚
H/mm
吸热
板厚
t/mm
背保
厚H
/mm
背保导
热
系数λ
/w.m/℃
排管管
径d/mm
排管
管数n
备
注
1 高透高
选高保
0.975 0.95 0.05 90 0.4 50 0.043 10 8
2 普透高
选高保
0.9150.95 0.05 90 0.4 50 0.043 10 8
3 高透高
普
选高保
0.975 0.95 0.1290 0.4 50 0.043 10 8
4.1.2 被选平板的热工计算结果 对上述被选的平板产品，因基本是低温，所以计算按线性回归，其基于入口温度的瞬时热效率方程如下列所示，其中
Ti — 进口温度/℃；
Ta — 环境温度/℃；
G — 太阳辐照度/W/㎡； 4 普透高
普 选高保
0.915 0.95 0.12 90 0.4 50 0.043 10
8 5 普透高
普 选普保
0.915 0.95 0.12 80 0.4 40 0.05 10
8 6 普透高普 选普保 0.915 0.9
4
0.13
80 0.3 40 0.05 10 8 7 普透低 选低保 0.915 0.92
0.15 80 0.3 40 0.05 8 7
8 普透高 选普保
0.915 0.9
5 0.05 80 0.4 40 0.05 10 8 9 同8号 7支管 0.915 0.95 0.05 90 0.4 50 0.043 10 7
10 一个检 测案例 0.915 0.95 0.12 0.3 40 0.05 0.05 9 7
说明：1 1-7号是根据国内已有材料条件作出的可能配置,
2、4、5、6、7等 号代表了国内当前的中档、
低档平板产品；
2 表中加大加粗数值表示与上一行的不同；
3 是一款中档平板产品；
4 9号是8号改为7支管；
5 10号是一个对检测结果的质疑案例。
根据上述方程，下面图3 给出1-7 的瞬时热效率曲线。
图3 表1中1-7号的瞬时热效率曲线
4.2 对中国平板热性能的统计和评价
4.2.1 对中国平板热性能的统计
为了验证热工计算结果的准确性，特别对有基本类同的平板在是瑞士和北京中心的检测结果作了比对，主要是五星在瑞士的3台平板，金川太阳能公司在北京中心的1台平板，该平板北京中心测的截距为0.77，FRUL值为5.4，计算
值分别为0.767和4.864。粗略估算一般截距误差约在3%左右，FRUL约在
10% 左右（主要偏小）。
但实际检测结果，也有一些明显的错误数据出现，如普通透射比0.915配0.92 的吸收膜测出0.76的结果（计算结果为0.715），普通透射比0.915配0.95 的吸收膜测出0.81的结果（计算结果为0.778），这可能是检测时气象条件，检测设备和人员操作上出了问题，才给出了不可能的数据。
鉴于实测热性能数据在汇编中没有给出，而实测的准确性偶尔难以保证，所以还是根据计算结果进行分析，相对比较会更可靠一些。
根据统计和热工计算结果，可认为国内平板的光学效率，也就是截距，约在0.700-0.777 范围，现有的要检测出高于0.78应该不可能，而总热损系数UL(不是FRUL)约在5.25-6.20W/㎡.℃之间。其中如图3的7号灰线所示最低档的平板，
4.2.1 对中国平板热性能的评价
现实状况说明，中国平板热性能整体处于低下水平。其中如图3的7号灰线所示最低档的平板，配置的是0.3mm厚的阳极氧化吸收膜，7根D8的排管，30mm 厚的背部保温，多是四角和背板用铆钉结合。这样的平板要达到0.72和总热损系数UL小于6是在是很困难的，但在一些地区却也有市场。大部分平板是属于5、6号的状况，基本是约0.75 ，UL处在5.3-6.0的区域。稍好的用了厚度0.4mm 的蓝膜，保温厚度40mm,这就是图3中的5号了。4、5、6 这类平板是中国目前主要流行的产品。约占80%以上，而1、3号则是将会出的高档低温平板，我们期待她横空出世吧。
5 分析与结论
1）中国太阳能热利用是一个从市场发展起来的行业，也是个草根行业，技术底子薄，在平板上的边框同质化、材料配置与流道型式欠合理和对于平板密闭等的无奈，无不显露出技术能力的薄弱和创新驱动的难如人意；
2）面对市场竞争激烈，而有没有技术创新突破的局面下，只有选择降低材料成本来开拓销路，于是0.3的低位吸收发射比（α/ε）的吸热板，70厚的边框，30厚的保温，7根排管（当然吸热板导热系数提高厚度加大能保证翅片效率也是
可以的的）的使用导致平板行业的低价恶性竞争；
3）平板技术和平板行业运行整体水平较低，面对绝好的机遇是一个巨大反差，满足不了国家对太阳能热利用行业发展的需要；
4）但技术创新驱动，可以推出高性价比的平板产品去化解低价恶性竞争的怪圈，让行业在创新驱动下步入良性发展的道路；
5）为此要尽快推出更严格、更细致、更先进的平板产品技术条和其试验方法标准，以此规范平板的技术创新、生产制造、营销和行业管理。
高元运高级工程师享受国务院政府特殊津贴原甘肃省科学院自
然能源研究所副所长，现为湖北金威新能源科技有限公司太阳能研发中心研发总监，主要从事太阳能热利用工作.手机158********/qq1015919285。