張盛良，潘 冰，蘇愛(ài)英，何志雄，張 輝

(1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730000)

平板太陽(yáng)能集熱器制造工藝及節(jié)能環(huán)保分析*

張盛良1，潘 冰2，蘇愛(ài)英1，何志雄1，張 輝1

(1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730000)

通過(guò)對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器的板芯制造設(shè)計(jì)工藝、支管與翅片(條帶)的結(jié)合方式、腔體的生產(chǎn)工藝和總裝工藝進(jìn)行比選，確定最優(yōu)的工藝設(shè)計(jì)流程，并對(duì)該平板太陽(yáng)能集熱器在工程應(yīng)用中的節(jié)能環(huán)保進(jìn)行初步分析。

平板太陽(yáng)能集熱器；制造工藝；節(jié)能環(huán)保；分析

0 引 言

平板型太陽(yáng)能集熱器是歷史上最早出現(xiàn)的太陽(yáng)能集熱裝置。盡管它早在17世紀(jì)后期已被發(fā)明，但直到1960年以后它才真正被深入研究并引入實(shí)際應(yīng)用。太陽(yáng)能是未來(lái)人類(lèi)最合適、最安全、最綠色、最理想的替代能源。隨著太陽(yáng)能技術(shù)和產(chǎn)品的快速發(fā)展，使平板太陽(yáng)能集熱器在建筑工程中得到有效的應(yīng)用，對(duì)能源的節(jié)約起到了顯著的作用。

經(jīng)過(guò)30多年的研究和科技成果轉(zhuǎn)化，我國(guó)平板型太陽(yáng)能技術(shù)已日趨成熟。平板型太陽(yáng)能集熱器以其安全、節(jié)能、環(huán)保和實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)受到了廣大用戶(hù)的認(rèn)可，平板型太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)業(yè)在一些地區(qū)已成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。平板型太陽(yáng)能集熱器的優(yōu)點(diǎn)如下：①平板太陽(yáng)能集熱器能承壓、壽命長(zhǎng)、容易組成二次回路系統(tǒng)；②平板太陽(yáng)能集熱器容易與建筑結(jié)合，安裝后能保持建筑的美觀；③平板型太陽(yáng)能集熱器多以銅鋁等金屬材料為主，其產(chǎn)品材料回收利用率高；④產(chǎn)品熱性能好；⑤平板型太陽(yáng)能集熱器和熱水系統(tǒng)安全可靠，有效采光面積大，熱效率高。

1 平板太陽(yáng)能集熱器構(gòu)成及工作原理

(1) 平板太陽(yáng)能集熱器的構(gòu)成 平板太陽(yáng)能集熱器是一種吸收太陽(yáng)輻射能量并向工質(zhì)傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，集熱器中的工質(zhì)與遠(yuǎn)距離的太陽(yáng)進(jìn)行熱交換。平板太陽(yáng)能集熱器一般由吸熱體、透明蓋板、保溫層、邊框及有關(guān)零部件組成。在加接循環(huán)管道，保溫水箱后，即成為能吸收太陽(yáng)輻射熱，使水溫升高。平板太陽(yáng)能集熱器的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 平板太陽(yáng)能集熱器的構(gòu)成圖

平板太陽(yáng)能集熱器中的吸熱體是吸收太陽(yáng)輻射能量并向集熱器工作介質(zhì)傳遞熱量的重要部件。為了使平板太陽(yáng)能集熱器吸熱體可以最大限度地吸收太陽(yáng)輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，在吸熱體上應(yīng)覆蓋有深色的涂層。

透明蓋板是平板集熱器中覆蓋吸熱體、并由透明(或半透明)材料組成的板狀部件。保溫層是集熱器中抑制吸熱板通過(guò)傳導(dǎo)向周?chē)h(huán)境散熱的部件。邊框是集熱器中保護(hù)及固定吸熱板、透明蓋板和保溫層的部件。

(2) 平板太陽(yáng)能集熱器的工作原理 陽(yáng)光透過(guò)透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽(yáng)輻射能為吸熱體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并傳向流體通道中的工質(zhì)。從集熱器底部入口的冷工質(zhì)，在流體通道中被太陽(yáng)能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質(zhì)，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。由于吸熱體溫度升高，通過(guò)透明蓋板和邊框向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽(yáng)集熱器的各種熱損失。平板太陽(yáng)能集熱器的工作原理如圖2所示。

圖2 平板太陽(yáng)能集熱器的工作原理圖

2 平板太陽(yáng)能集熱器的制造工藝[2]

平板太陽(yáng)能集熱器在生產(chǎn)過(guò)程中，吸熱體和腔體制造兩大主要部分制作工藝同時(shí)進(jìn)行，然后再進(jìn)行總裝。

(1) 吸熱體板芯制造工藝對(duì)比 目前，平板太陽(yáng)能集熱器的吸熱體按制作工藝分為兩類(lèi)：條帶式板芯和整板式板芯，條帶式板芯又分為銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯和全銅黑鉻(超聲焊接)、藍(lán)膜板芯。整板式板芯分為柵欄式整板板芯和U型管式整板板芯。

筆者主要對(duì)銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯和柵欄式整板藍(lán)膜板芯的制造工藝進(jìn)行對(duì)比。銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯制造工藝流程設(shè)計(jì)如圖3所示。柵欄式整板藍(lán)膜板芯制造工藝流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯制作工藝流程

圖4 柵欄式整板藍(lán)膜板芯制作工藝流程

通過(guò)對(duì)板芯制造工藝對(duì)比，銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯采用釬焊焊接，集管需要進(jìn)行噴涂工藝處理，在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境影響比較嚴(yán)重；柵欄式整板藍(lán)膜板芯采用激光焊接，鋁帶采用真空鍍膜，對(duì)環(huán)境影響不大。所以柵欄式整板藍(lán)膜板芯制造工藝流程設(shè)計(jì)比銅鋁復(fù)合陽(yáng)極氧化板芯制造工藝流程設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。

(2) 支管與翅片(條帶)的結(jié)合方式 支管與翅片(條帶)的結(jié)合方式不同所使用的機(jī)器設(shè)備各有不同。支管與翅片(條帶)的結(jié)合方式主要有：壓延復(fù)合包裹式(管翼式)和激光焊接式(管板式)。壓延復(fù)合包裹式的主要設(shè)備為冷軋機(jī)主要以壓力的方式將2片鋁帶和1條鋁管(銅管)壓合在一起。激光焊接方式(管板式)主要設(shè)備為激光焊接機(jī)，以激光的形式將翅片(條帶)和銅支管焊接在一起。

(3) 腔體的制造工藝對(duì)比 平板太陽(yáng)能集熱器無(wú)論選擇哪種吸熱體，其外部腔體的制作工藝大體相同，目前腔體有兩種類(lèi)型：一種為邊框拼裝式，一種為底板邊框一體沖壓式。邊框拼裝是又分為兩大類(lèi)型即有鉚釘式和無(wú)鉚釘式。

有鉚釘式腔體的工藝流程設(shè)計(jì)如圖5所示。無(wú)鉚釘式腔體的工藝流程設(shè)計(jì)如圖6所示。底板邊框一體沖壓成型腔體工藝流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖5 有鉚釘式腔體的工藝流程

圖6 無(wú)鉚釘式腔體的工藝流程

圖7 底板邊框一體沖壓成型腔體工藝流程

通過(guò)以上腔體制造工藝對(duì)比，底板邊框一體沖壓成型腔體工藝流程比邊框拼裝式腔體工藝流程簡(jiǎn)單，便于操作；生產(chǎn)出的腔體結(jié)構(gòu)性好、外形美觀。

(4) 總裝工藝 吸熱體和腔體兩大部件完成后，需要將兩大部件總裝起來(lái)構(gòu)成平板太陽(yáng)能集熱器，平板太陽(yáng)能集熱器總裝工藝流程設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 平板太陽(yáng)能集熱器總裝工藝流程

(5) 確定平板太陽(yáng)能集熱器的最優(yōu)制造工藝流程 通過(guò)平板太陽(yáng)能集熱器吸熱體和板芯的制造工藝進(jìn)行對(duì)比，所述的平板太陽(yáng)能集熱器的吸熱體選用柵欄式整板藍(lán)膜板芯制造工藝流程設(shè)計(jì)，支管與翅片(條帶)的結(jié)合激光焊接式(管板式)，腔體選用底板邊框一體沖壓成型工藝流程設(shè)計(jì)。采用此工藝流程生產(chǎn)出的平板太陽(yáng)能集熱器具有承壓能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、產(chǎn)品熱性能好、采光面積大和熱效率高的特點(diǎn)。

3 節(jié)能環(huán)保分析

對(duì)所述的平板太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行節(jié)能環(huán)保分析，以選用240組為例，其中：每組為2.2 m2，合計(jì)為528 m2，每組價(jià)格為4 000元，費(fèi)用合計(jì)96萬(wàn)元。

3.1 節(jié)能分析

(1) 年節(jié)能量計(jì)算公式

ΔQsave=Ac×JT×(1-ηc)×ηcd

式中：ΔQsave為平板太陽(yáng)能集熱器的年節(jié)能量，MJ；Ac為平板太陽(yáng)能集熱器面積，528 m2；JT為采光面上的年總太陽(yáng)輻照量，5 958 MJ/m2(根據(jù)實(shí)測(cè))；ηcd為年平均集熱效率，55%(試驗(yàn)測(cè)得)；ηc為管路和水箱的熱損失率，20%。

由上式得：ΔQsave=1 132 497 MJ。

(2) 年節(jié)能費(fèi)用

Wj=Cc×ΔQsave

式中：Wj為平板太陽(yáng)能集熱器年節(jié)能費(fèi)，元；Cc為當(dāng)年常規(guī)能源熱價(jià)，元/MJ；ΔQsave為平板太陽(yáng)能集熱器的年節(jié)能量，MJ。

本項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)為0.55元/kWh，電的當(dāng)量熱值為3.6 MJ/ kWh，電熱效率為0.95。

由上式計(jì)算得：Cc=0.15元/MJ，Wj=17萬(wàn)元。

(3) 壽命期內(nèi)的總節(jié)省費(fèi)用

SAV=PI×(Cc×ΔQsave-Ad×DJ)-AVd

式中：SAV為平板太陽(yáng)能集熱器壽命期內(nèi)節(jié)省費(fèi)，元；PI為折算系數(shù)；Cc為當(dāng)年常規(guī)能源熱價(jià)，元/MJ；Ad為總增投資，96萬(wàn)元；DJ為每年用于維修費(fèi)用占總增投資的百分比取1%； ΔQsave為年節(jié)能量，MJ。

折算系數(shù)PI：

PI={1-[(1+e)/(1+d)]n}/(d-e)

式中：d為年市場(chǎng)折算率(取銀行貸款利率6.12%)；e為年燃料價(jià)格上漲率，取1%；n為經(jīng)濟(jì)分析年限，取15年。

由上式計(jì)算得：PI=10.23；SAV=68萬(wàn)元。

3.2 環(huán)保分析

平板太陽(yáng)能集熱器因節(jié)省常規(guī)能源，而減少污染物的排放，主要指標(biāo)為二氧化碳的減排量。平板太陽(yáng)能集熱器二氧化碳減排量的計(jì)算公式：

Qco2=(ΔQsave×n×Fco2)/(W×Eff) ×44/12

式中：Qco2為壽命期內(nèi)二氧化碳減排量，kg；ΔQsave為平板太陽(yáng)能集熱器的年節(jié)能量，MJ；W為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，29.308 MJ/kg；n為系統(tǒng)壽命，取15年；Fco2為電能的碳排放因子為0.866 kg/kg碳標(biāo)煤；Eff為加熱裝置的效率取0.95。

由上式計(jì)算得：Qco2=1 937.3 t

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 簡(jiǎn)述了平板太陽(yáng)能集熱器構(gòu)成和工作原理，并對(duì)板芯的制作工藝、支管與翅片(條帶)的結(jié)合方式、腔體的生產(chǎn)工藝和總裝工藝進(jìn)行了比選，確定了平板太陽(yáng)能集熱器的最優(yōu)生產(chǎn)工藝流程。

(2) 以平板太陽(yáng)能集熱器240組為例，對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能環(huán)保分析，年節(jié)能量為1 132 497 MJ，年節(jié)能費(fèi)為17萬(wàn)元，壽命期內(nèi)的總節(jié)省費(fèi)用為68萬(wàn)元，在壽命期內(nèi)CO2減排量為1 737.3 t，不但能產(chǎn)生良好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠獲得較好的環(huán)境效益。

[1] 班 婷，朱 明，王 海.太陽(yáng)能集熱器的研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C].全國(guó)農(nóng)村清潔能源與低碳技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì).鄭州，2011.

[2] 鄭瑞澄.民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

Manufacturing Process and the Energy Conservation and Environmental Protection Analysis for Plate Solar Collector

ZHANG Sheng-liang1，PAN Bing2，SU Ai-ying1，HE Zhi-xiong1，ZHANG Hui1

(1.GansuAcademyofMechanicalSciences，LanzhouGansu730030，China；2.MembraneScienceAndTechnologyResearchInstituteinGansuProvince，LanzhouGansu730000，China)

Through the analysis and comparison of manufacturing design process of solar collector plate core, the combination mode of branch pipe and fin (stripe), and the production process of cavity and assembly process, the optimal process is determined for plate solar collector. The energy conservation and environmental protection are also analyzed in the engineering application of such plate solar collector.

flat solar collector；manufacturing process；energy conservation and environmental protection；analysis

2014-01-20

張盛良(1979-)，男，遼寧蓋州人，工程師，主要從事工程技術(shù)咨詢(xún)工作。

TK51

A

1007-4414(2014)02-0168-03