平板型太陽能集熱器全塑化的研究

姜立軍 蔣建平 莊長宇

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

平板太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，其流道中的工質與太陽進行熱量交換。平板太陽能集熱器主要是由透明蓋板、吸熱體、殼體、保溫材料等零部件組成。在連接循環管道、保溫水箱后，即可以吸收太陽輻射，將光能轉換為熱能，使水溫升高。市場上現有常規平板型集熱器的一般配置及特點是：

（1）透明蓋板采用鋼化玻璃，有自爆隱患，尤其是陽臺平板型太陽能集熱器危險性較高。

（2）吸熱體及流道采用銅或者鋁等金屬材質，先進行柵格焊接，再以超聲波或者激光焊接方式將吸熱片焊接在柵格上，形成吸熱體。

（3）框架采用≤1mm鋁型材及0.3mm的鍍鋅板，強度低易腐蝕。

（4）金屬流道及柵格焊接點有腐蝕泄露隱患。

（5）金屬流道無耐凍能力，容易凍裂。

（6）除保溫棉和玻璃外，其他均采用金屬材料，整機重量大，約40kg/2平米，運輸和安裝不便。

為了解決這些產品固有的問題點，提升用戶的使用體驗，研究全塑型的平板型太陽能集熱器勢在必行。

2 設計方案介紹

針對常規平板集熱器的問題點，全塑型平板集熱器主要結構的所有零部件全部采用塑料類材質，整體效果圖如圖1所示。

2.1 優勢介紹

全塑型平板集熱器的框架使用耐候性PVC改性材料，吸熱板芯采用耐候PP改性材料，蓋板使用耐UV層聚碳酸酯材料，保溫使用耐高溫PU材料。從重量、壽命、防凍、防腐、維護、性價比等諸多方面均優于現有常規集熱器產品。其優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）重量輕：約18kg/臺（2平米），便于運輸和安裝，常規產品35kg/臺（2平米）。

（2）壽命長：塑料蓋板不破碎，抗沖擊性能是玻璃的200倍，耐候性不低于15年。

（3）無腐蝕：專利技術開發的聚合物材料可避免產生水垢，產品也適用于導熱介質有腐蝕性的熱水系統。

（4）免維護：吸熱板芯，無縫焊接工藝，“一片式”設計，防止漏水，節約能源。

2.2 主要部件框架與板芯的設計方案

2.2.1 熱器框架

集熱器框架結構效果圖如圖2所示，邊部的型材使用耐候PVC進行改性，通過添加CPE氯化聚乙烯、石蠟、硬脂酸、炭黑等添加劑，大大提高了型材的韌性、強度、材料流動性以及材料的抗紫外能力等。邊框設計為中空結構，如圖3所示。保溫性能較普通集熱器鋁型材結構更加優異，邊框內側與底板、保溫層、陽光板、粘結劑配合，形成整體封閉的集熱器框架空腔，使得集熱器整體的保溫性能大大提升，遠超國家標準的規定。

2.2.2 集熱器吸熱板芯

圖1 集熱器整體效果圖

圖2 集熱器邊框框架效果圖

圖3 集熱器邊框效果圖

圖4 集熱器吸熱板芯效果圖

圖5 集熱器框架TGA曲線圖

集熱器的吸熱板芯結構如圖4所示，使用耐候PP進行改性，通過添加炭黑、紫外線吸收劑、抗氧化劑等等添加劑，提升材料的耐溫性能、耐候性能以及熱吸收性能等。最重要的是，解決了普通平板集熱器的耐凍問題。如圖4所示，整個板芯由120個直徑為6mm的細管組成，整體通徑大，壓力降低，為太陽能熱水系統減小了循環阻力。

3 設計指標分析

作為平板型太陽能集熱器，熱性能是其最重要的核心技術參數，本方案全塑型平板集熱器，已委托國家專業檢測機構進行性能測試。根據國家標準的規定，所有檢測項目全部合格，其中熱性能超過標準規定兩個百分點，詳見如表1所示的報告節選。

除了熱性能之外，與常規平板型集熱器差異最大，也是本設計方案最大特點的就是材料的選擇。前面已經提及，本設計方案的主要零部件框架和板芯均采用塑料類材質。與常規產品主要采用銅鋁等金屬材質不同，塑料類材質的耐候性將決定整個平板集熱器的耐候性能，也就是產品的使用壽命。

本設計方案中所使用的主要零部件都依據GB/T 7142-2002《塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定》中的規定，以拉伸屈服強度下降至原始值的50%作為失效終點，對零部件原材料老化測試，推算評測產品的壽命。

3.1 集熱器框架壽命評測

如圖5顯示，由TGA曲線可知該樣品的起始分解溫度為 174.46℃，根據該溫度點和預老化試驗得出四個溫度點（80℃、100℃、110℃、120℃）進行試驗。

如圖6顯示，由該曲線，參考GB/T 7142-2002《塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定》規定測定失效時間，以拉伸屈服強度下降50%為臨界值，可以得出不同試驗溫度所對應的老化時間，結論如表2所示。

根據測試結果，依據GB/T 7142-2002《塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定》規定的方法得出溫度-時間曲線，如圖7所示。可以推導出該樣品在40℃時壽命約為25年，45℃時壽命約為16年。

表1 全塑型平板集熱器的熱性能指標

表2 集熱器框架材料試驗溫度相應的老化時間

圖6 集熱器框架拉伸屈服強度保留率-時間曲線圖

圖7 集熱器框架老化溫度-時間曲線圖

圖8 集熱器吸熱板芯老化溫度-時間曲線圖

檢測結論及說明：根據 GB/T 7142-2002規定，以拉伸屈服強度下降至原始值的50%作為失效終點時，試樣在（起始分解溫度為 174.46℃）80℃、100℃、110℃、120℃下的平均失效時間分別為6148h、1735h、1235h、317h。產品實際使用溫度假設為40℃或50℃，根據GB/T 7142-2002規定的方法進行推測，樣品評測壽命約為25年。

3.2 集熱器吸熱板芯的壽命分析

運用相同的測試及分析方法，根據GB/T 7142-2002規定的方法，以拉伸屈服強度下降至原始值的50%作為失效終點時，試樣（始分解溫度為312.81℃）在135℃、160℃、170℃、180℃下的平均失效時間分別為5789h、2559h、1082h、117h。最終得出集熱器吸熱板芯的溫度-時間曲線，如圖8所示。產品實際使用溫度假設為100℃，根據GB/T 7142-2002中規定的方法進行推測，樣品評測壽命約為27年。

4 結束語

本文介紹了一種平板型太陽能集熱器的全塑方案，詳細介紹了集熱器的兩個主要部件“集熱器框架”和“集熱器板芯”的設計方案及材料選配方案，以及在結構設計和材料選配中，需要考慮到集熱器保溫，材料耐候、耐溫等主要的性能要求。

針對塑料類材料在平板型集熱器中應用的壽命問題，本文進行了詳細的試驗檢測結果分析討論，并給出了準確的分析結論。本設計方案所選擇材料，在相關的環境條件下，設計壽命可以達到15年以上，可以與目前行業內常規的平板型集熱器相媲美。

[1] 國家節能產品質量監督檢驗中心, 平板型太陽能集熱器檢測報告.

[2] TUV檢測機構, 塑料集熱器材料壽命檢測報告.

[3] 國家標準GB/T 7142-2002塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定.

[4] 國家標準GB/T 6424-2007平板型太陽能集熱器.