太陽能集熱管加速老化性能分析

江蘇省產品質量監督檢驗研究院 ■ 操愷 薛懷生

太陽能集熱管加速老化性能分析

江蘇省產品質量監督檢驗研究院 ■ 操愷 薛懷生*

全玻璃真空太陽能集熱管在升高溫度和增加老化時間下進行加速試驗處理，對其光學性能、成分及熱性能進行測試和分析。結果表明，真空管老化后，光學及成分沒有發生變化。罩管和吸氣劑這一不同于平板集熱器的特殊結構使得其具有不同的老化機理，因此，其壽命閾值的構建只能基于熱性能而非光學性能參數。

全玻璃真空太陽能集熱管；加速老化；熱性能；光學性能；熱水器；性能閾值

0　引言

太陽能集熱器在長期運行過程中將因外部條件的影響而出現性能下降，對其長期性能的研究有利于長期性能的預估、測試標準和系統的優化設計。然而，傳統方式的研究方法耗時耗力，長期的性能研究少則數月，長者可達數十年[1-5]。因此，快速試驗成為研究集熱器長期性能的首選方法。

對于平板式集熱器，罩板和吸熱板的間隔空間為非密封結構，涂層受溫度、濕度及氣氛條件影響，涂層材料的氧化和水合反應降低了涂層的光學性能，導致集熱器熱性能的降低[6-8]。改善夾層空間的密封性能將有利于集熱器的長期性能[1]。

真空太陽能集熱管是杜瓦瓶式結構，真空夾層抑制導熱和對流損失，同時夾層的真空狀態對內玻璃外壁上的選擇性涂層有保護作用，集熱管性能受外部影響較低。快速試驗結果表明，膜層在溫度低于350 ℃老化后，膜層性質變化甚微[9-11]。因此，難以通過建立閾值的方法實現對其壽命的預測[6,12,13]。

本文以快速試驗的方法對全玻璃真空太陽能集熱管的光學性能、成分及熱性能進行測試，在此基礎上分析外部工作條件對性能變化的影響，尋找能夠表征真空管長期性能變化的參數。

1　試驗及測定

選用罩玻璃管外徑φf58-1800的Cu-Al不銹鋼(SS-AlNx/Cu)全玻璃真空太陽能集熱管作為試驗樣品。集熱管在經加速試驗處理后，對其吸收率、半球發射比、空曬、悶曬、熱損，以及組成的熱水器進行試驗表征。

1.1集熱管加速試驗

自制加熱系統，對集熱管內管空間進行恒定溫度和時間的加熱處理。加熱溫度范圍為80～350 ℃，選擇5個溫度點，每個溫度點設定10個不同的保溫時間。處理溫度低，則加熱時間長；處理溫度高，則其加熱時間相應縮短。處理時間最長為半年，最短則依照國家標準為48 h。

1.2熱性能參數測定

集熱管的熱性能參數包括空曬性能參數、太陽輻照量和平均熱損系數。依照GB /T 17049-2005[14]，集熱管的空曬性能參數和平均熱損系數按照式(1)和式(2)計算：

式中，Y為空曬性能參數，(m2?℃)/kW；ts為空曬溫度，℃；ta為平均環境溫度，℃；G為太陽輻照度，kW/m2。

式中，ULT為平均熱損系數，W/(m2?℃)；Δτ為從水溫t1～t3總的測試時間，s；M為全玻璃真空太陽能集熱管內水的質量，kg；cpw為水的比熱容，J/(kg?℃)；AA為吸熱體外表面積，m2；tm為在測試時間內，全玻璃真空太陽能集熱管內水的平均溫度，tm=(t1+t2+t3)/3，其中，t1、t2、t3分別為3次時間的全玻璃真空太陽能集熱管內水的平均溫度，℃；ta為平均環境溫度，ta=(ta1+ta2+ta3)/3，其中，ta1、ta2、ta3分別為在相同時刻分別記錄3次環境溫度，℃；下角標1、2和3分別表示在測試時間內的3次數據點。

2　鍍膜分析

全玻璃真空太陽集熱管內管外壁的鍍膜的吸收率采用Agilent Cary 5000 紫外-可見-近紅外分光光度計測試，吸收率用HE型全玻璃真空太陽能集熱管半球發射比檢測儀進行測試，測定溫度設定為100 ℃。樣品的Al、Cu、O、C和Cr的元素及價態變化分析在XPS上進行。

3　結果和討論

真空管在經快速老化處理后熱性能的變化見表1。由表1可知，真空管在經快速老化處理后的太陽輻照量和平均熱損系數同時增加，分別為2.8%和6.6%；其空曬性能參數下降11.3%。這表明真空管經快速老化處理后熱性能下降。

表1　快速老化試驗前后熱性能參數對比

圖1為6支空白樣的吸收率的測定值，均值為90.89%，偏差在2%左右。對不同溫度和老化時間條件下真空管快速老化后內管外壁的鍍膜吸收率進行測試，結果相似，以處理溫度350 ℃為例，結果見圖2。測試數據散布于均值兩側，在測試溫度條件下，鍍膜吸收率和加熱時間無關聯性。

圖1　空白樣的真空鍍膜的吸收率

圖2　處理溫度350 ℃，不同老化時間-吸收率變化情況

圖3和圖4分別為空白樣和在快速老化處理后鍍膜半球發射比的測試結果。類似于其吸收率，變化無規律性，未形成老化溫度和時間的明顯關系。

圖5為真空管原樣以及經不同溫度和時間老化處理后的XPS圖。從圖5可知，對選定的元素，老化處理后及原樣有相同的特征峰位置，其結合能相同，元素的價態未發生變化，樣品無化學反應發生。元素特征峰的強度發生變化，在經開管、放置后元素含量的變化不能反應老化過程的含量的變化。在試驗擬定的溫度和時間老化處理后，樣品無明顯的化學反應發生，無法確定元素含量的確切變化。

圖3　空白樣的真空鍍膜的半球發射比變化情況

圖4　處理溫度350 ℃，不同老化時間-半球發射比的變化情況

圖5　樣品不同處理方式下的XPS圖

全玻璃真空太陽能集熱管在經擬定的溫度和時長條件老化處理后，鍍膜吸收率、半球發射比未呈規律性變化，XPS分析表明膜層未發生化學反應。然而，集熱管的熱性能發生較明顯的改變。原因在于真空夾層及吸氣劑的存在對膜層的保護作用，外部因素的影響大為降低，在設定的溫度和老化時間條件下，相關物理性質參數無明顯規律性變化，這與其他的研究結果相符合[9,11]。

然而，真空集熱管在經老化處理后，真空集熱管的吸氣劑鏡面發黑、長度縮短，真空夾層內氣體壓強發生變化。由于氣體通過玻璃管壁向真空夾層的擴散過程非常緩慢[4]，因此，氣體在玻璃管內壁的脫附為真空夾層內部壓強變化的主因。氣體導熱的影響得以顯現，最終體現為真空集熱管熱性能參數的變化。

4　結論

在經試驗擬定的溫度和時間老化后，真空管吸收率、半球發射比未呈規律性變化，鍍膜未發生化學變化。然而，可能存在的物理過程包括氣體成分的擴散和脫附造成真空夾層的氣體成分和含量的變化，從而導致內部壓強的變化，氣體導熱增強，影響到集熱管熱性能。

全玻璃真空太陽集熱管由于真空夾層及吸氣劑的存在大幅降低了外部環境的影響，鍍膜相關參數在擬定的試驗條件下未表現出明顯變化，無法參照平板式太陽能集熱器壽命預測的方法，將壽命閾值的構建基于鍍膜的光學性能(吸收率和發射率)。但經老化處理后，樣品熱性能變化較為顯著，這為進一步的研究提供新的思路。可以考慮將其壽命和熱性能相關聯，構造相關閾值，最終建立起符合全玻璃真空太陽能集熱管這一傳熱部件特點的快速壽命檢測辦法。

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[14] GB/T 17049-2005, 全玻璃真空太陽集熱管[S].

2016-04-26

薛懷生(1975—)男，高級工程師，主要從事太陽能熱利用產品的質量檢測及方法研究。h.shengxue@gmail.com