平板式设计

工程技术

平板式集热器技术是二次大战结束以后发展起来的,在20世纪70年代二次石油危机时期得到了大规模的发展,危机过后由于油价的回落,其发展速度也随之回落并进入一个平缓的发展时期.近几年虽然对平板式集热器的研究始终未中断,但多数是讨论太阳能吸收材料、太阳能选择性吸收面以及减反射材料等与集热性能有关的技术和对集热器的实验及理论研究,对新型结构的研究开发尚不多见。

结构设计

1、太阳能吸收面和材料

太阳能吸收面的设计有两个方面,一个是对芯板底材的表面形状进行机械处理,另一个是吸收涂料的选用或底材表面的光谱选择性化学处理。由于太阳能建材一体化集热器主要用于水温不是很高(<70°C)的家庭太阳能供热水系统,因此采用了对芯板底材的表面进行锯齿形加工处理和使用基体粒度为50～150nm的高吸收率复合涂料的工艺,目的在于增大芯板底材和吸收材料的表面积,尽可能多地捕捉太阳辐射光能。

集热器各参数:芯板的发射率Xp=0。90;玻璃盖板的发射率Xg=0。86;吸收涂料的吸收率T=0。95;玻璃盖板的透过率f=0。87;努塞尔数Nu=4。52;流体与腔壁的对流换热系数hf=191。5W/(m2·K);上部热损失系数Ut=5。85W/(m2·K);底部热损失系数Ub=0。84W/(m2·K);集热器的总热损失系数UL=6。96W/(m2·K);集热器的效率因子F′=0。966;集热器的热转移因子FR=0。915。

2、集热器基本结构和材料

集热器的结构设计和材料选择对保证集热器热性能和机械性能极为重要。本设计对以往的结构设计思想做了一部分改进,在保证整体性和密封性的前提下尽可能采用了压配合结构,这将简化维修和更换部件的工序,节省售后服务费用。

集热器结构主要由5个部分组成:

①透明覆盖层,采用4.2 mm厚的平板玻璃用以减小对流和辐射损失;②集热芯板,采用耐腐蚀铝合金型材做腔板,表面涂有高吸收率复合涂料,将吸收的太阳辐射能传给腔体内的工作流体;③保温材料,采用聚氨酯绝热材料,以减少通过集热器底板和边框的导热损失;④边框,采用普通铝合金,利用铝的优良塑性按结构要求挤压出型材,经过拼插、粘合、铆接等简单工序制作而成;⑤底板,采用普通不锈钢板。

集热器设计有多种规格,但厚度暂时统一为60mm。集热器断面各组成部分的厚度如下:玻璃板4.2 mm,空气层20 mm,芯板11 mm,保温材料20 mm,底板0.5 mm。

设计分析

1、铝合金芯板的防腐蚀

由于有铝质芯板受腐蚀的先例,故采用铝合金材料作为芯板基材后首先要解决芯板腐蚀问题。尽管铝的表面形成一层致密的连续氧化膜后具有抗腐蚀能力,但在设计中仍采取了进一步的防腐蚀措施:

(1)抗腐蚀合金材料的选用。在变形铝合金中,抗腐蚀性最好的是铝-镁系合金。选用了w(Mg) <0.03的铝镁合金,其具有较好的抗腐蚀能力。

(2)优良的结构设计。正确的设计是防止铝结构与构件腐蚀、延长使用寿命的有效措施之一。设计中注意到了以下2点:避免缝隙,需留缝隙或有薄截面工件处,均采用密封材料填充,以防潮气侵入;不采用焊接,全部采用压配合和铆接,芯板与汇流导管采用树脂粘接剂连接。

(3)表面处理。通过阳极氧化处理可以获得比自然氧化膜厚1000～3000倍的硬质多孔氧化膜,阳极氧化膜在沸水封孔或低温封孔后,可进一步提高抗腐蚀性。

(4)有机涂层。采用比波伦法,用水溶性丙烯酸透明树脂漆为涂料。铝合金材料阳极氧化后,经水洗(pH>7)、漆溶液中浸漆、烘干,可得到6～8μm厚的漆膜,起到进一步防腐的作用。通过以上措施,在一般的饮用水(自来水)情况下,集热芯板的寿命至少可达到10a以上。

2、结构性能

本文设计的平板式太阳能集热器采用铝合金型材制作,质量轻(d= 2.7g/cm3 )、导热性好(237W/(m·°C))。由于芯板腔体与太阳能吸收翅片是一步挤压而成,两者之间不存在界面,因此热传递效率高。集热器之间采用具有防漏雨功能的接插件,在屋顶面实施大型太阳能集热工程时整体定位和安装都很方便,并可直接代替屋顶瓦,节约了建材。玻璃意外损坏时,无须拆下整块集热器进行修复,只须取下扣压式铝合金压条,更换玻璃即可。

(1)虽然集热器芯板的太阳能吸收膜发射率很大,但建材一体化集热器的平均集热效率仍可达到50%以上。

(2)建材一体化集热器的集热效率比台架式安装的集热器要高。

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