真空管太陽能集熱器

　真空管太陽能熱水器

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，但地球蘊藏的石油能源日漸枯竭，環境污染和溫室效應日趨嚴重，因此太陽能熱利用是解決世界各國人民生活用熱水的最好途徑。

　　真空管太陽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，其構造如圖所示，由兩根同軸圓玻璃管組成，內、外玻璃管間抽成高真空，「選擇性吸收膜」沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽光能轉換為熱能，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及功能如下：

　　　1、內玻璃管：儲存冷水並燒成熱水。

        2、選擇性吸收膜：是一種由高吸熱金屬成份製造的表面薄膜，功能是吸收太陽能的輻射熱能。它是經過特殊化學處理而形成一層「選擇性吸收薄膜」，對入射的太陽光有高於９０％的吸收率；此種表面薄膜因本身吸熱後溫度可達攝氏 80~ 150 度，所以能自然產生熱輻射，具有將冷水加熱的功能，並且有小於１０％ 的散熱率，所以這種特殊的表面薄膜有極高的吸收熱幅射能力且大大降低散熱的損失，所以具有高集熱及低散熱的功能，而被太陽能熱水器廣泛的採用。

        3、真空夾層：防止內玻璃管內的熱水散熱，具有保溫的功能。

        4、外玻璃管：保護內玻璃管並形成真空夾層。

        5、支撐件：支撐內管和外管。

        6、吸氣劑：保持真空夾層的真空，防止空氣進入。

        7、吸氣膜：保持真空夾層的真空，防止空氣進入。

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”－ISＯ3585：1991（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。

肆、全玻璃真空管太陽能熱水系統

　　全玻璃真空管集熱器加上保溫水箱構成一台熱水器。水箱採用不鏽鋼保溫桶其壁較薄，不鏽鋼選材要求嚴格，焊接工藝要求高，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升落水式的水箱為例，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)對全玻璃滅空管太陽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）熱水器水溫水位計和電腦控制器。

             太陽能的微電腦控制器

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。展望可再生能源與環境，將是21世紀的重大課題和新型產業，在先進國家產、學、研相結合的推動下，未來的發展不可限量。