平板集热器透明盖板技术综述

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1、平板太阳集热器透明盖板技术综述（徐州,中国矿业大学,电力工程学院，03071276）摘要：系统地介绍了平板太阳集热器透明盖板的相关技术，主要包括透明盖 板的功能及技术要求、透明材料及生产工艺技术、蜂窝技术、用于透明盖板 的太阳能涂层材料技术、真空玻璃技术及多层透明盖板技术等。关键词：平板太阳集热器、透明盖板、技术、综述0 引言太阳平板集热器是人类最早开发利用的太阳能装置1，也是迄今使用最为 广泛的集热器2，已广泛应用于太阳能热水、建筑物采暖与空调、游泳池加热、 工业用水加热等诸多领域。平板集热器作为太阳能低温热利用的基本部件主 要由透明盖板、吸热板、保温层、外框四大基本部件组成。太阳光只有透过

2、 盖板投射到吸热板上才能被吸热板吸收，又因为经由透明盖板向周围环境的 对流散热和辐射散热（即平板集热器的顶部散热损失 ）占到平板集热器总的散 热损失的主要份额，这就要求平板集热器透明盖板具有高的太阳光透过率和 较好的保温性能。另外，考虑到平板集热器的工作环境，还要求透明盖板具 有较好的耐候性。显然，作为平板集热器四大基本部件之一的透明盖板的综 合性能的优劣直接影响到整台平板集热器的集热效率、集热品质、耐候性和 适用性等综合性能。因此，对平板集热器透明盖板技术的发展历程及研究成 果进行疏理和总结，有利于全面了解和把握平板集热器透明盖板技术的研究 方向和进展成果，对指导平板集热器透明盖板技术的进一

3、步研究乃至平板集 热器技术的进一步研究具有重要意义。1透明盖板的功能及技术要求11透明盖板的功能 透明盖板是覆盖在平板集热器吸热板上，并由透明（或半透明）材料做 成的一种板状构件，它的功能主要有三个：1）让太阳光透过并投射到吸热板上；2）在透明盖板与吸热板之间形成一定厚度的空气夹层并形成温室效应， 从而减小吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境的散热损失，即透 明盖板具有一定的保温隔热功能；3）保护吸热板，抵抗灰尘、曝晒、风霜、雨雪、冰雹等各种不利气候因 素和环境条件侵蚀和影响，保证平板集热器的正常运行和使用寿命。 12透明盖板的技术要求为了保证透明盖板的上述功能得以较好实现，平板集热器的

4、透明盖板就 必须具备一系列的技术要求。一般来讲，这些技术要求可以概括为透明盖板 的四种性能，即光学性能、隔热性能、机械性能、耐候性能。具体说来，包 括以下几点：1）对太阳辐射具有高的透过率（及低的反射率和吸收率）；2） 对红外热辐射具有低的透过率（或高反射率）；3）导热系数小，具有一定的 隔热性；4）冲击强度高，具备一定的抗压及抵抗冰雹、碎石打击的能力；5） 耐候性能好，即能够抵抗灰尘、雨水、风暴、积雪等各种不利气候因素和环 境条件的侵蚀和影响，保证集热器在各种环境和工作条件下具有较好的适应 性和正常运行，并要求集热器具有一定的使用寿命；6）膨胀系数必须与其它 结构材料相匹配3。2透明材料及生

5、产工艺技术由于透明盖板的综合性能的优劣在很大程度上取决于作为集热器盖板的 透明材料的综合性能的优劣，因此平板集热器透明盖板技术很大程度上来说 也是一种应用于平板集热器盖板的透明材料技术，而材料上的突破与进展往 往又是与材料的生产、加工、处理工艺技术的进步和发展紧密结合的。2.1用于平板集热器透明盖板的透明材料应用于太阳能领域的透明材料发展至今，虽然种类繁杂，但归纳起来主 要有无机玻璃和有机透明材料，用于平板集热器透明盖板的透明材料（板材 类）也主要可分为两类：平板玻璃、透明塑料板材。2.1.1 平板玻璃平板玻璃即普通浮法玻璃，由于其具有低的红外透射比，导热系数小， 温室效应作用明显，耐候性能优

6、越等优点，能够很好的满足平板集热器透明 盖板的技术要求，而且平板玻璃的生产工艺成熟，价廉易得。这就使得平板 玻璃成为透明盖板材料的首选，平板玻璃成为最早用于平板集热器透明盖板 也是使用得最多的透明材料。但是普通平板玻璃作为透明盖板也存在一些问题：一是太阳辐射透射比 不够高（折射率较高，反射损失较大），二是冲击强度不够，易破碎。平板玻璃太阳辐射透过率不高的原因除了平板玻璃折射率较大造成盖板 表面反射损失较大以外，另一个重要原因是普通平板玻璃中含有氧化铁，而 氧化铁会吸收波长范围集中在2“m以内的太阳辐射。氧化铁的含量越高，对 太阳辐射的吸收越比例越大4。因此为使平板玻璃能够满足高太阳辐射透过 率

7、的要求，必须设法降低平板玻璃的含铁量，即低铁玻璃。至于平板玻璃的冲击强度不高的问题，可以采用钢化处理即采用钢化玻 璃予以解决。由于钢化玻璃具有高强度和热稳定性的优点，平板玻璃经钢化 处理后，冲击强度是普通玻璃的4s5倍，抗弯曲强度是普通玻璃的3倍5, 因此用钢化玻璃代替普通玻璃可以减小厚度，从而使阳光透过率提高和减轻 盖板重量。同时钢化处理后耐急冷急热性质较之普通玻璃也有很大提高，大 大增强了透明盖板的抗风压性，寒暑性，抗冲击性等，提升了透明盖板的综 合性能。2.1.2 透明塑料板材用于平板集热器透明盖板的透明塑料板材主要有玻璃纤维增强塑料、有 机玻璃、聚碳酸酯等。透明塑料做为透明盖板具有一些

8、普通平板玻璃无法比 拟的优越性能：高强度性、耐腐蚀性、高太阳辐射透过率、质轻、良好的成 型工艺性等；但透明塑料有着共同的缺陷，就是长期耐热性和抗老化性差， 最终表现为耐候性较差。这一类材料中使用最多的是玻璃纤维增强塑料（FRP）,亦称作GRP,即 俗称的玻璃钢板。玻璃钢板作为透明盖板具有以下优良的特性：1）太阳光透 射比高；2）重量轻、强度高；3）耐腐蚀性能好；4）隔热性能良好，FRP热 导率低,是优良的绝热材料,在瞬时超高温情况下,是理想的热防护和耐烧 蚀材料； 5）加工工艺性优良，可一次性成型经济效果突出。玻璃钢板作为透 明盖板存在的问题主要有两点：一是红外热辐射透过率较高；二是由于玻璃

9、钢长期耐热性能差及易老化的特性，导致其耐候性能大大劣于平板玻璃盖板， 使用寿命也较短，这也是透明塑料材料的共同缺陷。对于玻璃钢的老化和耐 候性差的问题，可通过使用高键能树脂和胶衣来减少其受紫外线的破坏程度 4，从而使其耐候性有所改善，但即便如此其耐候性也无法与平板玻璃相匹 敌。有机玻璃（板材类）也是一种可用于透明盖板的优质高分子透明材料， 其化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）,是由甲基丙烯酸甲酯聚合而 成的。有机玻璃的特性基本与玻璃钢板类似：高度的透明性，透光率高达 92%， 而且有着较高的紫外线透过率，普通玻璃只能透过0.6的紫外线，而有机玻 璃却能透过 73；比重小，强度高，加工性

10、能好；但耐热性及隔热性均不如 玻璃钢，且易着火燃烧；优异的耐大气老化性，耐候性较好。聚碳酸酯板（PolycarbonatePnael），简称PC板，是一种以聚碳酸配树脂为 原料，采用挤出成型法制造的工程塑料板材。聚碳酸酯的透光性甚佳，其板 材多用于建筑物采光和农业温室，故俗称阳光板6。阳光板同样具有上述透 明塑料类似的优良特性，如透光性好（透明无色阳光板的透光率在 7985% 之间6），隔热性能好，比重小，抗冲击强度高，成型工艺性好等。此外阳光 板的耐热性和耐寒性远超过一般的透明塑料板材（如丙烯酸酯类、苯乙烯类板 材），可以在较宽的温差范围（-40C120C ）内使用，并保持其性能；阳光 板还

11、具有难燃性，即具有阻燃的功能。2.2 生产加工及处理工艺技术主要介绍用于平板集热器透明盖板的平板玻璃的生产加工及处理工艺技 术。有的文献3将满足太阳能转换利用要求及应用于太阳能转换利用装置中 的玻璃材料称作太阳能玻璃。太阳能玻璃的技术要求与前面所述的透明盖板 的技术要求基本一致。 用于平板集热器透明盖板的平板玻璃显然也是一种太 阳能玻璃。为了使普通平板玻璃能够满足透明盖板的技术要求，在玻璃的生 产工艺和处理技术方面，主要有三个措施：低铁工艺、钢化处理、表面（膜） 处理。目前,能够满足太阳能玻璃技术要求的只有低铁超白浮法玻璃和低铁超白 压延玻璃。由于低铁超白浮法玻璃原片反射率较高,表面必须经过一

12、定的处理 才能达到作为太阳能玻璃的要求,而低铁超白压延玻璃经钢化处理就可作为太 阳能玻璃,所以, 低铁超白压延玻璃是太阳能装置首选的盖板材料。因此, 低铁 压延法是太阳能玻璃较为理想的工艺。低铁工艺的关键在于严格控制各个生 产环节的含铁量。从原料制备起就严格控制铁含量, 一般要求原料中氧化铁含 量不超过 0.015%。为了避免主要原料的成分波动,应从原料品位、水份、粒度、 仓储、运输等各环节采取相应措施,确保太阳能玻璃的高透过率。此外,配合料 中尽量少用还原剂,稍增加芒硝用量,相应降低纯碱用量3，也是低铁工艺的中 降低含铁量的一种手段。钢化玻璃其实是一种预应力玻璃,通常使用物理或化学的方法，在

13、玻璃表 面形成压应力，当玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了玻璃的强 度和承载能力。玻璃钢化处理工艺主要有两种：一种是将普通平板玻璃或浮 法玻璃在特定工艺条件下经淬火法或风冷淬火法加工处理而成；另一种是将 普通平板玻璃或浮法玻璃通过离子交换方法，将玻璃表面成分改变，使玻璃 表面形成一层压应力层加工处理而成。表面处理工艺技术是指在玻璃成型过程中或成型后，采用各种涂层（膜） 制备工艺在玻璃表面形成一种具有特殊功能（主要是光学性能和耐候性能） 的膜，以改善和提升玻璃的综合性能，如玻璃的减反射处理，即在玻璃表面 镀上一层减反射膜；在玻璃钢板表面镀上一层高键能树脂和胶衣能减少其受 紫外线的破坏程度

14、，从而使其耐候性有所改善。丹麦 Sunarc 公司开发出一种 全新的技术,生产出对太阳光具有低反射率、高透过率的减反射玻璃, 从其透过 率曲线可以看出,该减反射玻璃对太阳光的平均透过率由超白玻璃的 91%提高 到了 96%7。Sunarc公司减反射玻璃的生产采用了一种简便而实用的化学工 艺方法，使普通玻璃经过一系列溶液处理后,在其表面形成减反射薄层，有效 降低了玻璃的反射率，从而提高了透光率。在浮法玻璃成形过程中,通过喷涂 工艺直接在玻璃表面在线镀膜，与化学气相沉积相比, 其生产成本大幅度降低, 产品质量稳定3。关于玻璃的表面处理技术更多涉及太阳能涂层材料的制备 工艺和相关技术，这部分内容在本

15、文的太阳能涂层材料技术部分再予以介绍。对太阳能玻璃而言，以上三种工艺及处理技术往往结合使用，以使玻璃 获得更加优良的综合性能。低铁玻璃进行钢化处理，可以增加强度，从而可 以减小玻璃厚度，这又使玻璃的透光率增加，若再进行减反射膜处理，则可 以获得更高的光学性能。3蜂窝技术对平板太阳集热器来讲，吸热板经由透明盖板向周围环境的对流和辐射造成的热损失即顶部热损失是其主要热损失，因此通过合理的结构设计，设 法抑制和减小集热器面部的对流和辐射热损失是提高集热器效率的重要途径 之一。蜂窝结构技术正是基于这种考虑而发展起来的。3.1蜂窝结构及其特性3.1.1 蜂窝结构采用某种结构设计，抑制集热器面部的各种换热

16、损失，而对太阳辐射又 有很高的透过率，在太阳能工程中，将这种专为降低集热器面部热损失而设 计的结构，称为蜂窝结构8，由某种特定材料做成的蜂窝结构也可以叫做蜂 窝结构材料。蜂窝结构材料是一种形状类似蜜蜂的巢穴的多孔隙复合材料。 蜂窝通常由分子胶粘剂粘接制成，根据其通道的布置方式和截面形状的不同 可以做成如图1的多种形式：（a）矩形通道（垂直放）;（b）矩形通道（水平放）;（c）圆 形通道;（d）气泡型;（e）三角形等。图 1 不同形式的蜂窝3.1.2 蜂窝结构（材料）的特性 蜂窝结构材料用于平板集热器具有很多优良的特性：1）密度小。蜂窝结构是一由薄壁实体组成的多孔隙结构，重量轻；2）很好的隔热保温性能。 在常用的蜂窝夹层板的蜂窝芯中，实体材料的体 积仅占1%-3%,其余空间内是处于密封状态的空气9。由于蜂窝结构能够有 效抑制夹层内空气自然对流换热和