姜立軍 蔣建平 莊長(zhǎng)宇

青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

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，其流道中的工質(zhì)與太陽(yáng)進(jìn)行熱量交換。平板太陽(yáng)能集熱器主要是由透明蓋板、吸熱體、殼體、保溫材料等零部件組成。在連接循環(huán)管道、保溫水箱后，即可以吸收太陽(yáng)輻射，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，使水溫升高。市場(chǎng)上現(xiàn)有常規(guī)平板型集熱器的一般配置及特點(diǎn)是：

（1）透明蓋板采用鋼化玻璃，有自爆隱患，尤其是陽(yáng)臺(tái)平板型太陽(yáng)能集熱器危險(xiǎn)性較高。

（2）吸熱體及流道采用銅或者鋁等金屬材質(zhì)，先進(jìn)行柵格焊接，再以超聲波或者激光焊接方式將吸熱片焊接在柵格上，形成吸熱體。

（3）框架采用≤1mm鋁型材及0.3mm的鍍鋅板，強(qiáng)度低易腐蝕。

（4）金屬流道及柵格焊接點(diǎn)有腐蝕泄露隱患。

（5）金屬流道無(wú)耐凍能力，容易凍裂。

（6）除保溫棉和玻璃外，其他均采用金屬材料，整機(jī)重量大，約40kg/2平米，運(yùn)輸和安裝不便。

為了解決這些產(chǎn)品固有的問(wèn)題點(diǎn)，提升用戶的使用體驗(yàn)，研究全塑型的平板型太陽(yáng)能集熱器勢(shì)在必行。

2 設(shè)計(jì)方案介紹

針對(duì)常規(guī)平板集熱器的問(wèn)題點(diǎn)，全塑型平板集熱器主要結(jié)構(gòu)的所有零部件全部采用塑料類材質(zhì)，整體效果圖如圖1所示。

2.1 優(yōu)勢(shì)介紹

全塑型平板集熱器的框架使用耐候性PVC改性材料，吸熱板芯采用耐候PP改性材料，蓋板使用耐UV層聚碳酸酯材料，保溫使用耐高溫PU材料。從重量、壽命、防凍、防腐、維護(hù)、性價(jià)比等諸多方面均優(yōu)于現(xiàn)有常規(guī)集熱器產(chǎn)品。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）重量輕：約18kg/臺(tái)（2平米），便于運(yùn)輸和安裝，常規(guī)產(chǎn)品35kg/臺(tái)（2平米）。

（2）壽命長(zhǎng)：塑料蓋板不破碎，抗沖擊性能是玻璃的200倍，耐候性不低于15年。

（3）無(wú)腐蝕：專利技術(shù)開發(fā)的聚合物材料可避免產(chǎn)生水垢，產(chǎn)品也適用于導(dǎo)熱介質(zhì)有腐蝕性的熱水系統(tǒng)。

（4）免維護(hù)：吸熱板芯，無(wú)縫焊接工藝，“一片式”設(shè)計(jì)，防止漏水，節(jié)約能源。

2.2 主要部件框架與板芯的設(shè)計(jì)方案

2.2.1 熱器框架

集熱器框架結(jié)構(gòu)效果圖如圖2所示，邊部的型材使用耐候PVC進(jìn)行改性，通過(guò)添加CPE氯化聚乙烯、石蠟、硬脂酸、炭黑等添加劑，大大提高了型材的韌性、強(qiáng)度、材料流動(dòng)性以及材料的抗紫外能力等。邊框設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，如圖3所示。保溫性能較普通集熱器鋁型材結(jié)構(gòu)更加優(yōu)異，邊框內(nèi)側(cè)與底板、保溫層、陽(yáng)光板、粘結(jié)劑配合，形成整體封閉的集熱器框架空腔，使得集熱器整體的保溫性能大大提升，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.2.2 集熱器吸熱板芯

圖1 集熱器整體效果圖

圖2 集熱器邊框框架效果圖

圖3 集熱器邊框效果圖

圖4 集熱器吸熱板芯效果圖

圖5 集熱器框架TGA曲線圖

集熱器的吸熱板芯結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用耐候PP進(jìn)行改性，通過(guò)添加炭黑、紫外線吸收劑、抗氧化劑等等添加劑，提升材料的耐溫性能、耐候性能以及熱吸收性能等。最重要的是，解決了普通平板集熱器的耐凍問(wèn)題。如圖4所示，整個(gè)板芯由120個(gè)直徑為6mm的細(xì)管組成，整體通徑大，壓力降低，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)減小了循環(huán)阻力。

3 設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

作為平板型太陽(yáng)能集熱器，熱性能是其最重要的核心技術(shù)參數(shù)，本方案全塑型平板集熱器，已委托國(guó)家專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，所有檢測(cè)項(xiàng)目全部合格，其中熱性能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩個(gè)百分點(diǎn)，詳見如表1所示的報(bào)告節(jié)選。

除了熱性能之外，與常規(guī)平板型集熱器差異最大，也是本設(shè)計(jì)方案最大特點(diǎn)的就是材料的選擇。前面已經(jīng)提及，本設(shè)計(jì)方案的主要零部件框架和板芯均采用塑料類材質(zhì)。與常規(guī)產(chǎn)品主要采用銅鋁等金屬材質(zhì)不同，塑料類材質(zhì)的耐候性將決定整個(gè)平板集熱器的耐候性能，也就是產(chǎn)品的使用壽命。

本設(shè)計(jì)方案中所使用的主要零部件都依據(jù)GB/T 7142-2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》中的規(guī)定，以拉伸屈服強(qiáng)度下降至原始值的50%作為失效終點(diǎn)，對(duì)零部件原材料老化測(cè)試，推算評(píng)測(cè)產(chǎn)品的壽命。

3.1 集熱器框架壽命評(píng)測(cè)

如圖5顯示，由TGA曲線可知該樣品的起始分解溫度為 174.46℃，根據(jù)該溫度點(diǎn)和預(yù)老化試驗(yàn)得出四個(gè)溫度點(diǎn)（80℃、100℃、110℃、120℃）進(jìn)行試驗(yàn)。

如圖6顯示，由該曲線，參考GB/T 7142-2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》規(guī)定測(cè)定失效時(shí)間，以拉伸屈服強(qiáng)度下降50%為臨界值，可以得出不同試驗(yàn)溫度所對(duì)應(yīng)的老化時(shí)間，結(jié)論如表2所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，依據(jù)GB/T 7142-2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》規(guī)定的方法得出溫度-時(shí)間曲線，如圖7所示?？梢酝茖?dǎo)出該樣品在40℃時(shí)壽命約為25年，45℃時(shí)壽命約為16年。

表1 全塑型平板集熱器的熱性能指標(biāo)

表2 集熱器框架材料試驗(yàn)溫度相應(yīng)的老化時(shí)間

圖6 集熱器框架拉伸屈服強(qiáng)度保留率-時(shí)間曲線圖

圖7 集熱器框架老化溫度-時(shí)間曲線圖

圖8 集熱器吸熱板芯老化溫度-時(shí)間曲線圖

檢測(cè)結(jié)論及說(shuō)明：根據(jù) GB/T 7142-2002規(guī)定，以拉伸屈服強(qiáng)度下降至原始值的50%作為失效終點(diǎn)時(shí)，試樣在（起始分解溫度為 174.46℃）80℃、100℃、110℃、120℃下的平均失效時(shí)間分別為6148h、1735h、1235h、317h。產(chǎn)品實(shí)際使用溫度假設(shè)為40℃或50℃，根據(jù)GB/T 7142-2002規(guī)定的方法進(jìn)行推測(cè)，樣品評(píng)測(cè)壽命約為25年。

3.2 集熱器吸熱板芯的壽命分析

運(yùn)用相同的測(cè)試及分析方法，根據(jù)GB/T 7142-2002規(guī)定的方法，以拉伸屈服強(qiáng)度下降至原始值的50%作為失效終點(diǎn)時(shí)，試樣（始分解溫度為312.81℃）在135℃、160℃、170℃、180℃下的平均失效時(shí)間分別為5789h、2559h、1082h、117h。最終得出集熱器吸熱板芯的溫度-時(shí)間曲線，如圖8所示。產(chǎn)品實(shí)際使用溫度假設(shè)為100℃，根據(jù)GB/T 7142-2002中規(guī)定的方法進(jìn)行推測(cè)，樣品評(píng)測(cè)壽命約為27年。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種平板型太陽(yáng)能集熱器的全塑方案，詳細(xì)介紹了集熱器的兩個(gè)主要部件“集熱器框架”和“集熱器板芯”的設(shè)計(jì)方案及材料選配方案，以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選配中，需要考慮到集熱器保溫，材料耐候、耐溫等主要的性能要求。

針對(duì)塑料類材料在平板型集熱器中應(yīng)用的壽命問(wèn)題，本文進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析討論，并給出了準(zhǔn)確的分析結(jié)論。本設(shè)計(jì)方案所選擇材料，在相關(guān)的環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)到15年以上，可以與目前行業(yè)內(nèi)常規(guī)的平板型集熱器相媲美。

[1] 國(guó)家節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 平板型太陽(yáng)能集熱器檢測(cè)報(bào)告.

[2] TUV檢測(cè)機(jī)構(gòu), 塑料集熱器材料壽命檢測(cè)報(bào)告.

[3] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7142-2002塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6424-2007平板型太陽(yáng)能集熱器.