平板太阳能集热器制造工艺及节能环保分析*

张盛良，潘 冰，苏爱英，何志雄，张 辉

(1.甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州 730030; 2.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州 730000)

平板太阳能集热器制造工艺及节能环保分析*

张盛良1，潘 冰2，苏爱英1，何志雄1，张 辉1

(1.甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州 730030; 2.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州 730000)

通过对平板太阳能集热器的板芯制造设计工艺、支管与翅片(条带)的结合方式、腔体的生产工艺和总装工艺进行比选，确定最优的工艺设计流程，并对该平板太阳能集热器在工程应用中的节能环保进行初步分析。

平板太阳能集热器；制造工艺；节能环保；分析

0 引 言

平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管它早在17世纪后期已被发明，但直到1960年以后它才真正被深入研究并引入实际应用。太阳能是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源。随着太阳能技术和产品的快速发展，使平板太阳能集热器在建筑工程中得到有效的应用，对能源的节约起到了显著的作用。

经过30多年的研究和科技成果转化，我国平板型太阳能技术已日趋成熟。平板型太阳能集热器以其安全、节能、环保和实用等优点受到了广大用户的认可，平板型太阳能集热器产业在一些地区已成为新的经济增长点。平板型太阳能集热器的优点如下：①平板太阳能集热器能承压、寿命长、容易组成二次回路系统；②平板太阳能集热器容易与建筑结合，安装后能保持建筑的美观；③平板型太阳能集热器多以铜铝等金属材料为主，其产品材料回收利用率高；④产品热性能好；⑤平板型太阳能集热器和热水系统安全可靠，有效采光面积大，热效率高。

1 平板太阳能集热器构成及工作原理

(1) 平板太阳能集热器的构成 平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器，集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。平板太阳能集热器一般由吸热体、透明盖板、保温层、边框及有关零部件组成。在加接循环管道，保温水箱后，即成为能吸收太阳辐射热，使水温升高。平板太阳能集热器的构成如图1所示。

图1 平板太阳能集热器的构成图

平板太阳能集热器中的吸热体是吸收太阳辐射能量并向集热器工作介质传递热量的重要部件。为了使平板太阳能集热器吸热体可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热体上应覆盖有深色的涂层。

透明盖板是平板集热器中覆盖吸热体、并由透明(或半透明)材料组成的板状部件。保温层是集热器中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。边框是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和保温层的部件。

(2) 平板太阳能集热器的工作原理 阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸热体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，即为有用能量收益。由于吸热体温度升高，通过透明盖板和边框向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。平板太阳能集热器的工作原理如图2所示。

图2 平板太阳能集热器的工作原理图

2 平板太阳能集热器的制造工艺[2]

平板太阳能集热器在生产过程中，吸热体和腔体制造两大主要部分制作工艺同时进行，然后再进行总装。

(1) 吸热体板芯制造工艺对比 目前，平板太阳能集热器的吸热体按制作工艺分为两类：条带式板芯和整板式板芯，条带式板芯又分为铜铝复合阳极氧化板芯和全铜黑铬(超声焊接)、蓝膜板芯。整板式板芯分为栅栏式整板板芯和U型管式整板板芯。

笔者主要对铜铝复合阳极氧化板芯和栅栏式整板蓝膜板芯的制造工艺进行对比。铜铝复合阳极氧化板芯制造工艺流程设计如图3所示。栅栏式整板蓝膜板芯制造工艺流程设计如图4所示。

图3 铜铝复合阳极氧化板芯制作工艺流程

图4 栅栏式整板蓝膜板芯制作工艺流程

通过对板芯制造工艺对比，铜铝复合阳极氧化板芯采用钎焊焊接，集管需要进行喷涂工艺处理，在生产过程中，对环境影响比较严重；栅栏式整板蓝膜板芯采用激光焊接，铝带采用真空镀膜，对环境影响不大。所以栅栏式整板蓝膜板芯制造工艺流程设计比铜铝复合阳极氧化板芯制造工艺流程设计更具优势。

(2) 支管与翅片(条带)的结合方式 支管与翅片(条带)的结合方式不同所使用的机器设备各有不同。支管与翅片(条带)的结合方式主要有：压延复合包裹式(管翼式)和激光焊接式(管板式)。压延复合包裹式的主要设备为冷轧机主要以压力的方式将2片铝带和1条铝管(铜管)压合在一起。激光焊接方式(管板式)主要设备为激光焊接机，以激光的形式将翅片(条带)和铜支管焊接在一起。

(3) 腔体的制造工艺对比 平板太阳能集热器无论选择哪种吸热体，其外部腔体的制作工艺大体相同，目前腔体有两种类型：一种为边框拼装式，一种为底板边框一体冲压式。边框拼装是又分为两大类型即有铆钉式和无铆钉式。

有铆钉式腔体的工艺流程设计如图5所示。无铆钉式腔体的工艺流程设计如图6所示。底板边框一体冲压成型腔体工艺流程设计如图7所示。

图5 有铆钉式腔体的工艺流程

图6 无铆钉式腔体的工艺流程

图7 底板边框一体冲压成型腔体工艺流程

通过以上腔体制造工艺对比，底板边框一体冲压成型腔体工艺流程比边框拼装式腔体工艺流程简单，便于操作；生产出的腔体结构性好、外形美观。

(4) 总装工艺 吸热体和腔体两大部件完成后，需要将两大部件总装起来构成平板太阳能集热器，平板太阳能集热器总装工艺流程设计如图8所示。

图8 平板太阳能集热器总装工艺流程

(5) 确定平板太阳能集热器的最优制造工艺流程 通过平板太阳能集热器吸热体和板芯的制造工艺进行对比，所述的平板太阳能集热器的吸热体选用栅栏式整板蓝膜板芯制造工艺流程设计，支管与翅片(条带)的结合激光焊接式(管板式)，腔体选用底板边框一体冲压成型工艺流程设计。采用此工艺流程生产出的平板太阳能集热器具有承压能力强、寿命长、产品热性能好、采光面积大和热效率高的特点。

3 节能环保分析

对所述的平板太阳能集热器进行节能环保分析，以选用240组为例，其中：每组为2.2 m2，合计为528 m2，每组价格为4 000元，费用合计96万元。

3.1 节能分析

(1) 年节能量计算公式

ΔQsave=Ac×JT×(1-ηc)×ηcd

式中：ΔQsave为平板太阳能集热器的年节能量，MJ；Ac为平板太阳能集热器面积，528 m2；JT为采光面上的年总太阳辐照量，5 958 MJ/m2(根据实测)；ηcd为年平均集热效率，55%(试验测得)；ηc为管路和水箱的热损失率，20%。

由上式得：ΔQsave=1 132 497 MJ。

(2) 年节能费用

Wj=Cc×ΔQsave

式中：Wj为平板太阳能集热器年节能费，元；Cc为当年常规能源热价，元/MJ；ΔQsave为平板太阳能集热器的年节能量，MJ。

本项目当地的电费为0.55元/kWh，电的当量热值为3.6 MJ/ kWh，电热效率为0.95。

由上式计算得：Cc=0.15元/MJ，Wj=17万元。

(3) 寿命期内的总节省费用

SAV=PI×(Cc×ΔQsave-Ad×DJ)-AVd

式中：SAV为平板太阳能集热器寿命期内节省费，元；PI为折算系数；Cc为当年常规能源热价，元/MJ；Ad为总增投资，96万元；DJ为每年用于维修费用占总增投资的百分比取1%； ΔQsave为年节能量，MJ。

折算系数PI：

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

式中：d为年市场折算率(取银行贷款利率6.12%)；e为年燃料价格上涨率，取1%；n为经济分析年限，取15年。

由上式计算得：PI=10.23；SAV=68万元。

3.2 环保分析

平板太阳能集热器因节省常规能源，而减少污染物的排放，主要指标为二氧化碳的减排量。平板太阳能集热器二氧化碳减排量的计算公式：

Qco2=(ΔQsave×n×Fco2)/(W×Eff) ×44/12

式中：Qco2为寿命期内二氧化碳减排量，kg；ΔQsave为平板太阳能集热器的年节能量，MJ；W为标准煤热值，29.308 MJ/kg；n为系统寿命，取15年；Fco2为电能的碳排放因子为0.866 kg/kg碳标煤；Eff为加热装置的效率取0.95。

由上式计算得：Qco2=1 937.3 t

4 结 语

(1) 简述了平板太阳能集热器构成和工作原理，并对板芯的制作工艺、支管与翅片(条带)的结合方式、腔体的生产工艺和总装工艺进行了比选，确定了平板太阳能集热器的最优生产工艺流程。

(2) 以平板太阳能集热器240组为例，对其进行了节能环保分析，年节能量为1 132 497 MJ，年节能费为17万元，寿命期内的总节省费用为68万元，在寿命期内CO2减排量为1 737.3 t，不但能产生良好的节能经济效益，而且能够获得较好的环境效益。

[1] 班 婷，朱 明，王 海.太阳能集热器的研究及结构优化[C].全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会.郑州，2011.

[2] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社, 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

张盛良(1979-)，男，辽宁盖州人，工程师，主要从事工程技术咨询工作。

TK51

A

1007-4414(2014)02-0168-03