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平板型太陽能熱水器的結構


  平板型太陽能熱水器主要是由平板集熱器、水箱、水管、支架及配件等部分組成。
  (一)平板集熱器
  平板集熱器是平板型太陽能熱水器的核心,包括吸熱板、蓋板、保溫層、外殼四大部分。
  1、吸熱板
  吸熱器也叫集熱器或集熱板芯,其作用是吸收太陽的輻射能量并向水傳遞熱量。
  1)吸熱器的結構:吸熱器由吸熱板(也叫肋片)和流道組成,流道有排管和集管之分。排管焊接在吸熱板上,用來傳遞熱量使水溫升高;集管與所有排管相接相通,并且通過水管與水箱連通,使排管中水進入水箱,水箱中的冷水進入排管被加熱。吸熱器在結構上有管板式和翼片式等多種形式。而將排管焊接在吸熱板上的方法也有很多種:較為常見的有:超聲波正面焊接、超聲波無損背焊、激光式正面焊接、360度包裹式焊接等。其中,360度包裹式焊接,其工藝是將兩片鋁帶與一根銅管(在兩鋁帶中間)軋制在一起,再用高壓氣體吹脹,形成銅鋁復合式吸熱板芯,如下圖所示,
  其特點是:I熱效率高;II壽命長,水質清潔;III節約銅材,降低成本;IV有很好的耐壓性能。正因為這些特點,銅鋁復合板芯已經形成潮流,是平板型太陽能集熱器的先進代表。
  2)吸熱器的材料:國外基本上都用銅和不銹鋼,國內已大量采用銅材、鋁合金、鋼材、鍍鋅板,沿海水質較差的地區,則可用塑料或玻璃來替代。
  3)吸熱器表面上的涂層:為了使平板太陽能集熱器吸熱板可以最大限度地吸收太陽輻射能并將其轉換成熱能,在吸熱板上應覆蓋有深色的涂層,這稱為太陽能吸收涂層。
  吸熱板的涂層材料對吸收太陽輻射能量起非常重要的作用。因為太陽輻射的波長主要集中在0.3~2.5μm的范圍內,而吸熱板的熱輻射則主要集中在2~20μm的波長范圍內,要增強吸熱板對太陽輻射的吸收能力,又要減小熱損失,降低吸熱板的熱輻射,就需要采用選擇性涂料。選擇性涂料是對太陽短波輻射具有較高吸收率,而對長波熱輻射發射率卻較低的一種涂料,目前國內外的生產廠大多采用磁控濺射的方法制作選擇性涂層,可達到吸收率0.93~0.95,發射率0.12~0.04,大大提高了產品熱性能。
  吸收涂層可分為兩大類:
  ⑴非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。
  ⑵非選擇性吸收涂層是指其光學特性與輻射波長無關的吸收涂層;選擇性吸收涂層則是指其光學特性隨輻射波長不同有顯著變化的吸收涂層。
  一般而言,要單純達到高的太陽吸收比并不十分困難,難的是要在保持高的太陽吸收比的同時又達到低的發射率。對于選擇性吸收涂層來說,隨著太陽吸收比的提高,往往發射率也隨之升高;對于通常使用的黑板漆來說,其太陽吸收比可高達0.95,但發射率也在0.90左右,所以屬于非選擇性吸收涂層。
  選擇性吸收涂層可以用多種方法來制備,如噴涂方法、化學方法、電化學方法、真空蒸發方法、磁控濺射方法等。采用這些方法制備的選擇性吸收涂層,絕大多數的太陽吸收比都可達到0.90以上,但是它們可達到的發射率范圍卻有明顯的區別。從發射率的性能角度出發,上述各種方法優劣的排列順序應是:磁控濺射方法、真空蒸發方法、電化學方法、化學方法、噴涂方法。當然,每種方法的發射率值都有一定的范圍,某種涂層的實際發射率值取決于制備該涂層工藝優化的程度。
  按吸熱板涂層可分類為:電鍍涂層、化學表面轉化涂層、真空鍍涂層。
  2、蓋板
  1)蓋板的作用:陽光與吸熱板之間的輻射傳熱是遠距離進行的,即集熱器周圍是空氣,所以當集熱器的吸熱板在將接收到的太陽輻射能量轉變為水的熱能時,也向周圍環境散失熱量,這就使太陽輻射能量不能全部轉化成水的熱量。尤其是平板型集熱器,其吸收面積等于透光面積,也等于散熱面積,故熱量的散失更為突出。為了減輕這部分能量的損失,在吸熱板上面安裝透明蓋板,使蓋板透過可見光而不透過遠紅外線,即陽光能透過它而照射在吸熱板上,但是吸熱板由于溫度升高而輻射的遠紅外線卻是通不過它,這就減少了散失的能量,從而更有效地提高吸熱板和水的溫度,我們稱蓋板的這種作用為溫度效應。
  2)對集熱器蓋板材料的幾點要求:
  A、高全光透過率:陽光透過蓋板后射到吸熱板上并轉變為熱能。蓋板材料對太陽光光譜的全光透過率越高,輻射到吸熱板的光線越強,得到的熱量越大,集熱器效率越高。
  B、沖擊強度高:蓋板材料需要具有高的沖擊強度,能經受住在使用中受到冰雹、風沙等的沖擊。
  C、良好的耐候性能:集熱器通常安裝在室外朝陽處,長期遭受冷、熱、光、風、雨、雪等的侵蝕。如果蓋板材料不具有良好的耐候性能,則其透光性能急速下降,最后導致整個集熱器無法工作,壽命縮短。
  D、絕熱性能好:集熱器工作時,其排管和集管內的水溫可達80~90攝氏度,而吸熱板與蓋板之間的空氣溫度可達50~70攝氏度,遠高于戶外空氣的溫度,因此必然有一部分熱量通過蓋板向外散失,其散失熱量的大小于蓋板導熱系數成正比。蓋板材料導熱系數越大,即絕熱性能越差,散失的熱量越大,集熱器效率越差。
  E、加工性能好:要求裁剪性能好,單向彎曲習慣年能好以便于制造廠家按產品需要加工成型。
  3)國內外常用蓋板材料
  國外常用的蓋板材料有三種:A、HSG—高強耐熱玻璃;B、MMA—甲基丙烯酸甲酯板;C、FRP—玻璃纖維增強塑料板(即玻璃鋼板)。
  國內常用的蓋板材料也有三種:A、普通平板玻璃:該材料的全透光率低,一般在74.3~86.7%,遠低于國外玻璃的91%,強度低,易破碎;B、低鐵布紋鋼化玻璃:它是一種高品質、多功能的新型高檔玻璃品種,透光率可達91.5%以上,具有晶瑩剔透、高檔典雅的特性,有玻璃家族“水晶王子”之稱。超白玻璃同時具備優質浮法玻璃所具有的一切可加工性能,具有優越的物理、機械及光學性能,可像其他優質浮法玻璃一樣進行各種深加工。
  平板太陽能集熱器超白低鐵布紋鋼化玻璃蓋板的獨特優勢:
  A、玻璃的自爆率低:采用高純度原材料,相對普通玻璃不含各種引爆雜質,從而大大降低了鋼化后的自爆率。
  B、顏色一致性:超白玻璃采用先進的色度分析儀和分析軟件,確保了玻璃顏色的一致性。
  C、可見光透過率高,通透性好:大于93%的可見光透過率,使集熱器得到更多太陽能量。
  D、紫外線透過率低:降低對其他材料的老化影響。
  4)蓋板的層數及間距
  蓋板層數由使用地區的氣象條件和工作溫度來定,一般為單層,蓋板與吸熱板之間的距離一般為2.5厘米。
  3、保溫層
  1)作用:在吸熱板芯的四周和底部安放保溫材料,用來減少集熱器向四周環境散失熱量,以提高集熱器的效率。
  2)要求:保溫性能好,即材料的導熱系數小,不吸水。底部保溫層一般3~5厘米厚,四周保溫層的厚度為底部的一半。
  3)材料:常用的保溫材料有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、聚氨脂等。聚苯乙烯在溫度較高(高于70攝氏度)時會收縮,因此在使用它作保溫材料時,往往在它與吸熱板之間先放一薄層巖棉或礦棉。
  4)外殼:為了將吸熱板、蓋板、保溫層組成一個整體,并保持有一定的剛度和強度以便于安裝,需要有一個較為堅固美觀的外殼,一般用鋁材、剛才、塑料、玻璃等來做成。
  4、外殼
  板芯是平板型太陽能熱水器的核心,市場上的板芯主要有鋁芯、銅鋁復合、銅芯三種。銅芯的價格貴,質量好;鋁芯的價格便宜、質量稍差;銅鋁復合板芯的價格和質量介于兩者之間,目前市場用量最大。質量好的平板型太陽能熱水器吸熱板黑色涂層均勻、邊框四周有保溫層、玻璃蓋板的密封程度好,正常工作時,即使在夏天,其玻璃蓋板摸上去是涼的。
  (二)水箱、支架、管道極其配件
  1、水箱
  1)水箱的作用:水箱是用來貯存熱水的,它由內膽、保溫層、外殼三部分組成。
  2)水箱的種類:水箱的形狀有圓柱形、長方體、球形等多種式樣,在相同容積的情況下,從用材和散熱面積來考慮,球形水箱比方形和圓柱形水箱要好;但從水的溫度分層來考慮,“瘦高”的方形水箱比“矮胖“的圓柱形或球形水箱要好;從穩定性和制作工藝的簡易程度來考慮,圓柱形水箱比方形和球形水箱要好。究竟采用何種形狀的水箱,只能因加工條件、生產成本和用戶要求等多方面情況來定,目前一般采用圓柱形水箱。內膽材料有不銹鋼、聚丙烯、鍍鋅鋼板等。保溫層一般是聚苯乙烯、聚氧脂等材料。外殼一般是鋁箔或其他金屬箔。
  3)補水箱:補水箱的一個作用是通過浮球閥自動向保溫水箱補充冷水,保證熱水器的正常工作;另一個作用是:對于自來水壓太大的地方,通過補水箱的緩沖作用來向浴室供應冷水,以保證冷、熱水的壓力基本一致,便于淋浴者調節水溫。為了確保及時補水,補水箱中的浮球閥宜選大一點。
  2、支架
  支架是用來支撐集熱器的,一般用角鋼焊接而成。
  3、水管及其配件
  其作用是用來將冷水源、水箱、集熱器以及用戶連為一體。
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