平板型太阳能集热器的发展和应用展望

平板型太阳能集热器的发展和应用展望从国内外太阳能光热利用出发，结合太阳能集热器的应用，综述了平板型太阳能集热器的发展概况；对平板型太阳能集热器的国内外市场进行了分析；展望了平板型太阳能集热器和热水器规模应用的前景。引言作为技术相对成熟的太阳能光热利用产品，太阳能热水器（系统）在全球已得到了广泛的应用。它在减少常规能源消耗、促进节能减排中已发挥并继续发挥着重要的作用。我国拥有全球最大的太阳能热水器（系统）的生产能力，也是全球最大的太阳能热水系器（系统）的应用市场。根据我国的可再生能源发展规划，2010年和2020年太阳能热水器（系统）安装量将达到1.5亿m2和3亿m2，每千人拥有量为109m2和203m2。目前，随着世界能源价格的不断上涨和全世界环保意识的增强，面对严峻的节能减排形势，我国正在加速发展和利用可再生能源，太阳能技术和产品的进步以及太阳能热水器与建筑结合技术的发展，将使太阳能热水器（系统）继续保持快速增长的势头。1、国内外平板型太阳能集热器的发展概况平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管它早在17世纪后期已被发明，但直至1960年以后它才真正被深入研究并进入实际应用。太阳能热水技术是太阳能光热利用中技术最成熟、实际应用最多并在经济上能与常规能源相竞争的一种可再生能源利用技术。二十世纪初，美国最先开始使用太阳能热水器，用来获取生活热水。二次世界大战后，以色列和澳大利亚等一些国家也相继开展了研究、开发、生产和使用太阳能热水器的工作。1955年，国际太阳能利用会议第一次提出了选择性涂层的概念，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展打下了基础。1973年出现“能源危机”后，世界上形成了研究、开发、利用太阳能的热潮。发展太阳能利用技术和产品以节约常规能源，受到了工业化国家政府的普遍的重视。对太阳能热利用技术的研发和产品的产业化，各国都给予了大力的支持和鼓励。1980年在联合国新能源大会的筹备会上，联合国的专家小组对太阳能热水器的发展前途给予了肯定的评价。1996年，在津巴布韦召开的联合国世界太阳能高峰会议发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，太阳能利用的研究开发在世界范围内形成了又一个热潮。许多国家相继制定了太阳能发展计划。例如美国的“百万屋顶计划”，德国的“1000屋顶计划”，意大利的“全国太阳能屋顶计划”，日本的“七万屋顶计划”和“太阳计划”等。这些计划的实施，有力地促进了世界各国太阳能利用的发展：澳大利亚政府规定，在其北部地区新建的房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器;日本现在每年安装的太阳能热水器约50万台，计划以后家庭安装太阳能热水器的普及率超过25%;在丹麦，Marstal太阳能供热厂为Aeroe岛上1250户居民提供了区域供热。8000平方米的太阳能集热器阵列与2100立方米的储热水箱相联。6、7、8月间可100%由太阳能供热，全年能供给全区热需求的12.5%;以色列政府制定了法规，要求新建住宅必须装有太阳能热水器。目前以色列已有65%的住宅装有太阳能热水器，实现了太阳能热水器与建筑一体化的住宅设计计划；2003年，奥地利等欧洲国家、印度、中国、日本、澳大利亚及美国等21个国家的太阳能发展报告显示出1982~2001太阳能集热器及热水器的制造及销售都有很大的发展。欧洲在2004年安装的太阳能集热器面积为1500万㎡，计划到2010要达到1.0亿㎡。大面积太阳能热水系统的研究只是近十几年的事。现时情况下其规模只占小型家用太阳能热水系统的20～30%。瑞典和德国已进行大面积屋顶集热模块的研制。它是作为建筑的一个构件和建筑结合，以实现太阳能热水系统和建筑的一体化，从而降低成本，提高建筑的整体性和美观性。我国最早的太阳能热水淋浴室在1958年建成。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响。1975年，在河南安阳召开的“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。1979年在西安召开了重点在推广和应用太阳能产品的第二届全国太阳能会议。1992年世界环境与发展大会后，我国政府制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了以太阳能为重点的发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》(1996～2010)，明确提出我国在1996～2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。经过20多年的研究和科技成果转化，我国太阳热水技术已日趋成熟。太阳能热水器以其安全、节能、环保和实用等优点受到了广大用户的喜爱，太阳能热水器产业在一些地区已成为新的经济增长点。到2000年底，全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装服务的企业已达1000多家，年产量达610万平方米，产值超过60亿元，全国太阳能热水器的保有量达2600万平方米，居世界第一。到2005年，产量已达1500万平方米,占世界总产量的75.6%;太阳能热水器保有量为7500万平方米,占世界总保有量的60.6%。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。但为了提高效率，降低成本，为了满足特定的使用要求，人们必须继续研究开发新型的热性能优异的平板集热器。根据传热工质种类的不同，平板型太阳能集热器可分为空气集热器和液体集热器两大类。目前大量使用的是液体集热器；根据吸热板芯使用材料的不同，平板集热器可分为钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构型式的不同可分为管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器以及带平面反射镜的集热器和逆平板集热器等；按盖板种类可分为单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料盖板集热器等。目前，国内外普遍使用的平板集热器是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊。1995年我国也开发成功全铜高频焊集热器。八十年代中期我国从加拿大引进铜铝复合生产线，后经过消化吸收，国内现在已建成十几条铜铝复合生产线。为了提高对太阳能的吸收，减少集热器的热损失，提高集热器的整体效率，人们对用于太阳能集热器的关键部件----太阳能集热条（俗称板芯），特别是板芯所用的选择性太阳能吸收涂层等持续进行了多年的研究，已取得了相当好的成果。现在，国内已能生产高性能的TiNO系列选择性光热吸收涂层。另外，为了克服普通平板太阳能集热器的缺点，应用热管的平板式太阳能集热器和热水器的研究开发，也取得了很好的结果。测试结果表明热管的单向导热特性大大减少了系统通过集热器的热损失。这种具有实际应用价值的热管平板集热器对大规模集中供热，特别是实现集热器、热水器与建筑的一体化,是非常有意义的。在高效涂层、高透过率盖板及密封保温等高新技术的支持下，一大批具有优异热性能的平板集热器产品如模块式太阳能集热器、热管平板式太阳能集热器和热水器等被生产出来，这对平板式太阳能集热器进一步的发展及其的规模应用必定能起到实际的促进作用。2、平板型太阳能集热器的国内外市场分析随着技术的进步和节能环保的要求，我国的太阳能热水器已经历了70年代的闷晒式、80年代的平板式、90年代的平板式和真空管式集热器的发展。闷晒式集热器结构简单，可分有胆(闷晒盒内装有黑色塑料或金属)和无胆(即浅池热水器)两种形式。80年代发展出效率高、技术先进的铜铝复合、全铜和防锈铝的平板式集热器(即管板集热器)。由它可以派生出许多同类热水器，如翅翼型、波纹板型、塑料压制型热水器等。到90年代，开发出的真空管式太阳能热水器(包括全玻璃真空管式和热管真空管式)正式进入市场。现在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。2001年国内市场中，平板型太阳能热水器份额约占55%;真空管热水器份额约占45%。在我国的太阳能光热应用中，平板式太阳能集热器是最早得到应用的产品，一度发展得很快。但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得这种集热器的发展受到了阻碍。首先，作为太阳能集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而，太阳能热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器或热水系统(热水工程),基本都采用直接加热太阳能集热器中水的方法。如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常运转,严重时还会导致集热管的涨裂。而随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰而受到了市场的欢迎。同时，近10年来全玻璃真空管热水器生产成本大幅度降低，而平板太阳能集热器的生产成本却没有明显下降，再加上全玻璃真空管热水器被生产厂及商家片面宣传其为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。一度曾占我国太阳能热水器统治地位的平板太阳能集热器和热水器受到了全玻璃真空管太阳能热水器的冲击，市场份额有所下降。但最近些年，由于平板集热器技术的进步以及节能减排指标的要求，我国平板型太阳能热水器产量已从2004年的150万平方米上升到2005年180万平方米,市场份额在不断增加。据霍志臣、罗振涛对欧洲15个国家、美洲2个国家、大洋洲1个国家、亚洲3个国家(21个国家)的统计，国外生产平板式太阳能热水器的厂家(含经销商)共401家,占企业总数的92.61%;真空管太阳热水器12家,占企业总数的2.77%;简易太阳能集热器20家,占企业总数的4.62%。显然,平板型太阳能热水器生产经营企业远远多于其它产品类型企业数量。国外市场中，2003年平板太阳能热水器占市场销售份额的94.88%,真空管太阳能热水器占2.46%。至目前为止，国外集热器的市场格局仍然是以平板型集热器为主，并且还在不断地发展壮大。平板太阳能集热器在国外能获得快速的发展和应用，究其原因主要有下面几点：(1)平板太阳能集热器能承压、寿命长、容易组成二次回路系统。国外的太阳能热水器基本上都是双回路承压型分体结构。真空管太阳能热水器若制成承压分体结构产品后,其成本将显著高于平板型产品。相对而言平板太阳能热水器将更受用户欢迎。(2)平板太阳能集热器容易与建筑结合，安装后能保持建筑的美观。建筑设计师容易接受以平板型太阳能集热器与建筑结合的一体化方案。(3)平板型太阳能集热器多以铜铝等金属材料为主,其产品材料回收利用率高。(4)产品热性能好。国外平板型太阳能集热器已研发多年,其产品热性能已接近或等同真空管太阳能集热器。(5)平板型太阳能集热器和热水系统安全可靠,有效采光面积大，热效率高。国外平板式太阳能热水工程主要用于热水和采暖。可靠是必要的条件。此外,在同等输出功率条件下，平板太阳能集热器占地面积小(真空管之间有空隙占地面积较大)。3、平板型太阳能集热器的应用展望我国平板型太阳能集热器已有20多年的生产和应用经验。现在，平板型太阳能集热器和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位,即使在北方地区也有不少用户。近年来由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运行等问题，直插式全玻璃真空管集热器在实际中的使用受到了限制。全玻璃真空管太阳能热水器使用中存在的问题使人们把眼光转向了平板太阳能集热器。于是，平板太阳能集热器得到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板太阳能集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。真空管太阳能热水器在我国的太阳能热水器市场中占有较大的优势。尽管这与国内一些太阳能热水器研究机构及一些知名企业的推动直接有关,但与它本身所具有的优点也是分不开的。首先，真空管太阳能热水器的防冻抗冻性较好，在寒冷的季节使用时既能提供生活所需的热水,又可以保证热水器能够安全的运行。其次，真空管太阳能热水器的热损系数较小。热损主要是通过热辐射产生的。而平板型太阳能集热器的损失除了热辐射外,还有对流热损等。实验测定,真空管太阳能集热器的平均热损系数要比平板型集