太陽能真空集熱管

太陽能熱水器

            真空管太陽能20年研究發展史

壹、前言 

　　 1979 年初，世界 “ 石油危機 ” 餘波猶存，先進國家紛紛投入研究再生能源，全玻璃真空管太陽能集熱器逐漸進入先進國家的再生能源研究範圍。隨著先進國家人民生活水平日益提高，需要大量生活熱水，但地球蘊藏的石油一天一天的減少，環境污染和溫室效應越來越嚴重，因此利用太陽能燒熱水是解決世界各國人民生活用熱水的最好方法。

　　真空管太陽能集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它採用了真空夾層，消除了氣體的對流與傳導熱損失，並應用「選擇性吸收膜」，使真空集熱管的輻射熱損失降到最低。全玻璃真空集熱管像一個拉長的熱水瓶內膽，先由 美國歐文斯－依利諾伊（ OwenS － illinoiS ）公司 推出商品，其構造如下圖所示，由兩根同軸圓玻璃管組成，內、外玻璃管間抽成高度真空，「選擇性吸收膜」沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽能轉換為熱能，加熱內玻璃管的冷水。

        全玻璃真空集熱管採用單端開口的設計，通過一端內、外管環形熔封起來，其內管另一端是密閉半球形圓頭、帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管回頭支撐在外玻璃管的排氣內端部。當吸熱體吸收太陽輻射而溫度升高時，吸熱體玻璃管圓頭形成熱膨脹的自由端，緩衝了工作時引起真空集熱管開口端部的熱應力。吸氣劑蒸散後吸收真空集熱管在存放及製造過程中所釋放的微量氣體。

　               　全玻璃真空集熱管的結構及組成圖

　　全玻璃真空集熱管的組成：

1 、內玻璃管

2 、選擇性吸收膜

3 、真空夾層

4 、外玻璃管

5 、支撐件

6 、吸氣劑

7 、吸氣膜

貳、全玻璃真空集熱管的發展階段：

l ）科研與開發 (1979—1985) ，科學家發明了單靶磁控濺射制備鋁 - 氮 / 鋁「選擇性吸收膜」。
2 ）科技成果向商業生產轉化
　 a ．小量生產（ 1986—1989 ）：清華大學完成了 “ 玻璃真空管熱水器技術開發與應用 ” 和國家自然科學基金項目 “ 選擇性吸收表面光性下降機理的研究 ” ，並開設了年產 3 萬支真空管的小工廠。

　 b ．批量生產（ 1990—1993 ）：清華大學組建公司，年產能力可達 15 萬支， 1992 年市場迅速擴大，出現供不應求。

　 c ． 1993 年至今）：清華大學與北京玻璃儀器廠組建了北京清華陽光能源開發有限責任公司， 1994 年 9 月建成年產能力 90 萬支集熱管的生產線。 1996 年 9 月建成年產能力 300 萬支集熱管的生產線。 1998 年建成年產能力 400 萬支集熱管的生產線。 1998 年在北京昌平建成了全玻璃真空管太陽集熱器及熱水器生產線並以 100 ％的年增量發展。

參、全玻璃真空集熱管的核心技術

一、選擇性吸收膜

　　清華大學電子工程系用 “ 溼法 ” 在玻璃上制備了 “ (Ni·Zn)S/Cu 選擇性吸收膜 ” （ 197—1981 ），太陽吸熱比 0 ． 88—0 ． 90 ，散熱比 0 ． 12 （ 80℃ ）；用真空蒸發技術在玻璃上制備 “ Cr2O3/Cr2O3+Cr/A1 選擇性吸收膜 ” （ 1980—1984 ），太陽吸熱比約 0 ． 90 ，散熱比 0.04 （ 80℃ ）；磁控濺射技術的工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收塗層。

二、真空技術與真空排氣監測系統

　清華大學研究開發了優良的 真空排氣工藝，使全玻璃真空集熱管具有較長的真空壽命。

三、硼硅玻璃 3.3 玻璃管

　　 全玻璃真空管集熱器是在曝曬、風吹、雨淋、降雪和冰雹襲擊等環境條件下工作的，因此全玻璃真空集熱管需採用 “ 硼硅玻璃 3.3” － IS Ｏ 3585 ： 1991 （ E ）國際標準化組織制定的標準，其耐熱衝擊性好、化學穩定性好和機械強度高的硼硅玻璃。

　　 1 ） ISO3585 ： 1991(E) 標準內未註明玻璃的太陽透射比，一般太陽透射比約為 0 ． 904 （ AM1.5 ）。

　　 2 ） 硼硅玻璃管的抗酸、抗水及化學穩定性優良，適合內玻璃管中的熱水和環境對外玻璃管的侵蝕作用 ；硼硅玻璃管的熱膨脹系數低 (3.3X100.000001/℃) ，具有優良的耐熱沖擊性能，以及高的機械強度。

                                     全玻璃真空管

　　全玻璃真空管集熱器加上保溫水箱構成一台太陽能熱水器。水箱採用不鏽鋼保溫桶，不鏽鋼選材要求嚴格，焊接工藝要求很高，製造時耗費的能源少，水箱內無需安置鎂合金棒。要提高熱水器的技術和工藝，有以下幾個方面：
　　 l ）水箱的容積尺寸與材料厚度進行優化設計。
　　 2 ） 水箱採用 SUS304 及 316 不鏽鋼， 盡可能減少焊區過熱，避免氧、氮侵入焊接區，提高焊接區抗腐蝕的能力。
　　 3 ）焊縫經著色（滲透）及試板金相抽樣檢查（光鏡或電鏡），對焊縫的成分進行抽檢。以普通 100 公升的水箱為例，水箱壁厚 0.6mm ，進行破壞性耐壓試驗時，水壓達到 10.5kg/Cm2 時才在縱焊縫上破裂。對於水箱壁厚為 lmm 端頭為 1.2mm 的 128 升的貯熱水箱，經 8 萬次以上自動加壓（ 4.5 個大氣壓），沒有滲漏。
　　 4) 對全玻璃真空管太陽能熱水器的整體進行風洞試驗，在此基礎上優化設計， 使熱水器支架強度高和抗風性好。
　　 5 ）採用軋花漫射反射板，其漫反射比高，表層有微米級三氧化二鋁薄膜抗腐蝕，置於集熱管背面，提高集熱器及熱水器的集熱性能；設計與生產模塊式漫反射器，便於拼裝不同採光面積的集熱器與熱水器。
　　 6 ）熱水器配備有水溫水位計和電腦控制器等設備。

　　　　　　　 真空管太陽能熱水器的工作原理

伍、 全玻璃真空集熱管熱水系統的應用開發與市場 　　

　　經 20 年的研究、開發與生產的不懈努力，“全玻璃真空集熱管熱水系統”逐漸在世界各地普及，使用的範圍也越來越大。展望再生能源的發展將是 21 世紀的重大課題和新興產業，在先進國家產、學、研相結合的推動下，未來的發展不可限量。

                       恆溫型太陽能熱水器的安裝實例(採用鈦金管)

恆溫型太陽能熱水器的控制面板，可以隨時查看水溫和水位，水溫不夠就加熱、水位不足就補水，極方便又極好用。

恆溫型太陽能洗澡時不補冷水，冬天時不管天氣多冷，洗澡的熱水永遠都是熱呼呼的。

恆溫型太陽能熱水器的特色：

一、 洗澡時不進冷水，熱水使用率100%，冬天時 最好用、最省電、省錢。

二、可以定時控制進水，也可以手動強制進水，低水位自動補水，洗澡人數幾乎沒有限制，洗多少人都行。

三、可以定時加熱，也可以手動強制加熱，低水位安全裝置，沒有輔助電熱器空燒的疑慮，安全 第一。

四、智慧型恆溫太陽能熱水器專用電腦控制面板，使用方便，外型美觀大方，功能齊全。

五、恆溫型太陽能為太陽能熱水器開創省錢、好用的新時代。

恆溫型太陽能的電腦控制系統

恆溫型太陽能電腦控制面板的強大功能簡介如下：

一、自動模式功能(原廠預設)：
在全天 24 小時內，原廠預設第一次凌晨 3：00 啟動上水至 50% 水位， 4：00 啟動加熱至 50 ℃，提供用戶早上起床後的用水，第二次中午 9：00 啟動上水至水滿，中午不加熱，儘量利用太陽能光能量提供熱量，第三次晚上 16：00 啟動上水至 100% 水位， 17：00 啟動加熱至 60 ℃給用戶晚上提供足夠熱水。

二、定時輔助加熱與定時自動上水(用戶自己設定)：
輔助電加熱功能:
太陽能系統可以安裝輔助電加熱，控制儀可進行自動溫度控制調節和定時控制，到定時加熱時間後系統檢測到水箱溫度小於設定啟動溫度將啟動加熱，當水箱溫度達到設定溫度，停止加熱。
定時上水功能：
在全天 24 小時內，可以設定3個定時上水時間段。到定時上水啟動時間後，自動上水至設定水位。

三、手動加熱功能：
當水箱中溫度過低，使用者需要立即啟動加熱時，可按“加熱”鍵啟動此功能。

四、恒溫加熱功能：
啟動此功能後，將按照使用者設定的溫度來啟動輔助電加熱。當水箱水溫低於設定溫度 8 ℃，立即啟動電加熱，當水箱溫度達到設定溫度時關閉電加熱，此過程自動重複運行，保證水箱水溫恒定。

五、手動上水功能：
當水箱中的水不滿時，使用者需要立即啟動上水時，可按“上水”鍵啟動此功能。

六、溫控上水功能：
啟動此功能後，將按照使用者設定的溫度上水，當水箱水未加滿，水溫高於設定的上水溫度時自動上水，低於設定溫度 5 ℃停止上水，當正在用水（水位發生變化）時，則延時 60 分鐘啟動上水，以避免用戶正在用水時啟動上水（具備溫控功能的時間：8:00 ?17:00）。

七、缺水自動補水功能：
當保溫桶水位太低，出現缺水狀態時，延時30分鐘自動補水至預設的水位。

八、迴水功能：
本系統可以提供迴水控制功能，這個功能需要增加一個迴水馬達，可設置管道迴水馬達工作時間，實現熱水龍頭一開、熱水馬上出來、不需要等熱水的貼心服務，舒適、省水、省電（冬天時最好用）。