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    玻璃真空管太阳能热水器发展研究

上海筑能环境科技有限公司苏树强

摘要:玻璃真空管结构如同一个拉长的暖瓶胆,内外层之间为真空,在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层,用来大限度地吸收太阳辐射能,经阳光照射,光子撞击涂层,太阳能转化成热能;由于两层玻璃之间真空状态、高效的吸收膜和反射膜的存在,致使玻璃真空管的吸热效率可达93%以上,自身保温效果极佳,空晒温度可达280℃以上。

0引言

太阳能玻璃真空管是中国人在新能源探索与实践中的骄傲。它成就了中国光热产业,我们只用了十年时间就建立起了世界太阳能产业大规模生产的工业体系,走完了西方发达国家需要30年甚至60年才能走完的工业化之路。所有这些成功,我们不得不感谢太阳能玻璃真空管。

1真空管式太阳能热水器的发展

太阳能玻璃真空管大于93%的吸热效率,低于6%热损失,以十几元的成本,换来的却是在其整个生命周期内约900kWh的热能(寿命15 年计),若用电直接产生1kWh热能的约需0.6 元钱的话,这根真空管可带来约540元的收益。简单的计算就可以清楚地说明太阳能玻璃真空管的技术商业价值,在太阳能应用领域,及至扩大到整个新能源领域,它的生命力与扩张性是无法阻挡的。

当然,太阳能玻璃真空管的成功不仅仅是因为它的性价比,十几年前农村与三四线城市对热水的需求与满足需求产品的空缺也是造就太阳能玻璃真空管的成功至关重要的因素,十几年前的农村与三四线城市电力设施非常脆弱,甚至没有,带压的自来水管网相对较少,燃气管网更是稀少,老百姓在春、秋与冬天一般一年去浴室洗一次或两次澡,用点热水是比较困难的事,家里用火烧一点热水也主要用于饮用,燃气热水器无法工作,电热水器由于没有水压、水质差、安全等问题也不好应用,平板太阳能更是无用武之地,这样的生活状态为太阳能玻璃真空管式太阳能提供了市场机会,整体式太阳能玻璃真空管式太阳能热水器结构简单,对水质、水压要求低,对电力没有依赖性,预贮存一箱水,太阳升起,真空管把真空管内水加热,被加热的水在热对流的作用下,使水箱水加热,热水靠重力的作用流下来使用。

2真空管式太阳能热水器的瓶颈

十几年过去了,人们的生活条件整体提高了,大多城市都有了稳定的电力供应和带压的自来水管网系统,甚至也有相当部分的农村具有稳定的电力供应和带压的自来水管网系统,但燃气管网相对还比较少。高安全性、高品质热水的太阳能热水器已成为人们需求的方向。

真空管式太阳能热水器为满足这种需求也做了很多改变,比如相继诞生了分体承压热管式太阳能热水器、分体承压U 型管式太阳能热水器及新的“欧克”同心管式承压太阳能热水器,承压已成为太阳能热水器发展的方向,这一点和欧洲发达国家对太阳能热水器的要求是一致的。从目前来看,只有承压系统才比较附合现代生活热水应用习惯,这种热水应用习惯与其它种类热水器(电热水器、燃气热水器)的存在是有关系的。电力与水力设施的逐步完善,使电热水器、燃气热水器应用更加方便,应用人群更加广泛,太阳能热水器已不再是用户的必需的选择(在抛开政府强制与环保的考虑下),也就是说,今后太阳能热水器生存的内在驱动力应该为:至少能提供如电热水器、燃气热水器同样的热水品质,综合热水成本低的产品。再加之太阳能需要和建筑结合这一问题,事实上,现在市场对太阳热水器提出了更高的要求。

当然,我们很多以真空管热水器为主企业还有一些农村或三四线城市的市场,再加之政府的支持及环保理念的推广,大多企业还在发展,但我们也应该清楚地认识到,市场已经开始有很大的变化。平板太阳能的销售在急剧上升,行业已经开绐出现清理整顿的迹象。

平板太阳能销售的增长,其实正说明消费者对环保、安全、高品质热水的需求,在此要再特别强调一点,环保是我们这个行业沉淀下来珍贵的东西,我们无论如何不能因其它的问题而毁了它。

玻璃真空管式太阳能热水器我们发展了十几年,但我们可以提供安全、高品质热水的热水系统却不多,尤其是针对现代家庭,玻璃真空管式太阳能承压热水系统在整个行业占3%都不到,即使在大品牌公司内,也基本不超过10%,玻璃真空管式太阳能承压热水系统的增长速度远低于平板太阳能承压热水系统的增长速度。

3 克服“过热”将为太阳能真空管提供发展机会

3.1 真空玻璃管存在的问题

1、太阳能真空玻璃管式太阳能热水器必须实现安全、舒适、性价比高的承压热水系统。

只有安全、舒适、高性价比的热水系统才是打动消费者的主牌,节能、环保将是它打动消费者的一手好的副牌。

2、当前的真空玻璃管式太阳能热水系统大多还存在可能的“过热”、较高的成本、系统的复杂等问题。

3.2 太阳能热水器“过热问题”

真空玻璃管吸热率高、散热率低,致使其自身温度可高达280℃以上。太阳能热水器大不同于电热水器或燃气热水器的地方:优点是太阳能热水器利用的能源是清洁的、免费的;缺点为太阳能具有不连续性和不可控性,你需要时它可能没有,你不需要时,它可能给你很多。只要太阳升起,太阳能真空管就会自动收集热量,但这些热量如果你没有及时用掉(也许是因你离家旅游、也许是因你换房空置等),这些热量若没有办法及时的散失掉,热量就会累积,温度就会上升。如果温度上升超过100度,非承压的太阳能热水器就会“开锅”,产生水蒸汽排掉散热;承压系统的水压就会随温度升高而逐渐增大,常规的承压系统一般通过排水泄压降温散热。但系统因各种原因没有了水的存在(比如因系统泄漏,比如我们离家时为了家里水系统的安全而关闭了水阀等),真空管式太阳能热水器温度会升高至系统无法承受的状态而至使系统损坏,尤其是承压分体系统,系统也可能因控制、传感器、循环泵等故障而不能及时把热量传入水箱,集热器部分温度会短时间内就可升至系统无法承受的程度。

如果有一个办法能让太阳能真空管在任何情况下高温度都不超过200℃,那这个办法就是太阳能真空管获得新生的关键技术。但这个技术不能以降低太阳能真空管的热性能、降低太阳能热水系统的舒适性、增加过多的成本、减少热水器的适用范围为代价。

为什么会定义高温度不超过200℃。我们知道:1、太阳能热水器密封件大多用的硅橡胶,硅橡胶使用温度好不要超过200℃;2、分体太阳能热水器系统一般用乙二醇、丙三醇水溶液或导热油做为循环传热介质,乙二醇、丙三醇或油在200℃会发生碳化反应。

4为解决“过热问题”用过的方法

试看一下,我们现在都用了什么办法试图去解决因太阳能真空管的高温而产生的过热问题。

办法1:系统非承压:

开口系统,这是我们大多传统真空管式太阳能的结构,有一根直通大气,当太阳能过多时,也就是太阳能超过100℃,水箱里的水“开锅”,排出蒸汽散热。

但这种系统存在的问题为:

A.降低了系统的舒适性。非承压的系统会给用户带来因水压不均衡而造成的水温波动问题;

B. 降低了热水器的适用范围:这种热水器只能安装于更高处;

C.没有彻底解决“过热”问题,当热水器断水时,系统仍会出过热问题。

办法2:承压系统采用T/P阀:

T/P阀,即温度/ 压力安全阀,该阀的功能是当温度超过或压力超过设定的域值时,阀门打开,在太阳能热水系统中,一般域值温度为99℃,压力0.6MPa。

当前,绝大多数承压太阳能热水系统将该阀安装在水箱上,做为真空管式太阳能热水系统防“过热”的主要手段。

T/P阀是实现真空管式太阳能热水系统防“过热”的成本较低的可行手段,但这种可行性是有两个前提条件的:一是该太阳能热水系统不能断水,显然这一点是难以做到绝对的可靠,系统内缺水是有可能发生的(房屋长时间空置是要断开水路);二是该太阳能热水系统要求集热器的热量能够可靠的转移到水箱内。

当前承压型的真空管式太阳能热水系统主要为两类,一类为自然循环式的,另一类为强制循环式的。自然循环式系统的可以相对可靠的将集热器的热量转移到水箱内,但这种系统安装与应用非常受限,一般只能屋顶或阳台安装。强制循环的真空管式太阳能热水系统是很难较好的保证集热器的热量可靠的转移到水箱去,传感器、控制器、循环泵等故障均会造成集热器的热量无法转移到水箱。

办法3:遮阳措施:

在系统可能过热时,去人为遮阳或被动自动遮阳。遮阳即为在集热器的表面用一覆盖物档住阳光,防止真空管继续吸热,以防止太阳能热水系统“过热”一种为人为遮阳,在长期不用时,人为采取措施将太阳能集热器上面的阳光遮挡,这种方式给消费者带来不安全感与麻烦。

另一种被动自动遮阳,当感知太阳能热水系统温度过高进,遮阳机构自动运行,遮住阳光,这方式的可靠性不高,遮阳机构的故障不能保证不发生。

办法4:改进太阳能真空玻璃管,使之具有低温区仍具有高效吸热的性能,高温区具有较差的吸热性能:

这种方法在技术实现有一定的难度,迄今为止还没有成功过,主要是降低了高温区的性能,随之而来的高温区性能下被下降。

研究人员试图在真空管的内表面涂覆可变色的的涂层,低温时,该膜具有好的吸热特性,高温时,该膜颜色变浅,吸热性能变差。但可惜的是这种类型的涂层的寿命无法保证长效。

另一种方法研究人员试图在双玻璃层内添加某种物质,使之在低温时具有极低的蒸气压,而在温度较高时,具有较高的蒸气压,即在高温区时双玻璃管内真空度下降,从而增加真空管在高温区的散热效果,但这种方式难点在于,第一这种物质比较难以寻找到,第二真空管在工作时,内表面温度高,外层管温度较低,物质蒸发后会冷凝在外表面上,造成真空管失效。

5解决“过热”未来之路

换一个角度思考问题。我们都知道有一个现象:内陆地区,尤其是沙漠地区,昼夜温差极大,就象我国的新疆“早穿皮袄午穿纱,围着火炉吃西瓜”;而在沿海地区,昼夜温差相对较小。产生这种现象原因是地表的“热容”不同,沙漠地区地表的“热容”较小,贮存太阳能热的能力较差,有太阳,温度上升就快,没太阳,温度下降也快,造成昼夜温差较大;而没海地区,地表的“热容”相对较大,升降温均比较慢,昼夜温差也相对较小。
同样的道理,如果增加太阳能真空管的热容,也会降低太阳能真空管的高温度。

太阳能虽然不具有连续性和可控性,但太阳会早上升起,傍晚落下,日复一日,年复一年,重复着这一过程,这种规律可为我们实现降低太阳能真空管高温度提供了可能。

太阳能在白天辐照强度接近一个正态分布曲线,太阳光辐射较强的是从上午9点到下午4点,强主要出现在正午11点~15点间,太阳能真空管的高温度也出现在这一时间段,如果有一个办法可以增加太阳能真空管内的热容,使太阳能真空管能够熬过正午11点~15点间,15点以后太阳的辐射强度已经不足,太阳能真空管内的温度也就不至于上升过高。

所以增加太阳能真空管内的热容是可能降低真空管的瞬时高温。但以这种方法能够成功实现降低真空管的瞬时高温还需要两个条件:一为太阳能真空管内的热容必然足够大;二为每天早上太阳真空管内的热量要处于比较低的水平,也就是说晚上太阳能真空管要散去足够多的能量,为第二天接受新的太阳能准备好空间余量。

这种方法带来的一个缺点为:晚上太阳能真空管需要散去一定的热量。在这里,我们很有必要讨论一下这个缺点是否可以被接受。换句话说,在太阳能热水应用领域,我们到底应该如何利用太阳能,因为现行的行业内的能效标准有可能会误导太阳能热水领域的发展。

 
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