材料選用和結構設計
1、太陽能吸收面和材料
太陽能吸收面的設計有兩個方面,一個是對芯板底材的表面形狀進行機械處理,另一個是吸收塗料的選用或底材表面的光譜選擇性化學處理。由於太陽能建材一體化集熱器主要用於水溫不是很高(<70°C)的家庭太陽能供熱水系統,因此採用了對芯板底材的表面進行鋸齒形加工處理和使用基體粒度為50～150nm的高吸收率複合塗料的工藝,目的在於增大芯板底材和吸收材料的表面積,儘可能多地捕捉太陽輻射光能。
集熱器各參數:芯板的發射率Xp=0。90;玻璃蓋板的發射率Xg=0。86;吸收塗料的吸收率T=0。95;玻璃蓋板的透過率f=0。87;努塞爾數Nu=4。52;流體與腔壁的對流換熱係數hf=191。5W/(m ·K);上部熱損失係數Ut=5。85W/(m ·K);底部熱損失係數Ub=0。84W/(m ·K);集熱器的總熱損失係數UL=6。96W/(m ·K);集熱器的效率因子F′=0。966;集熱器的熱轉移因子FR=0。915。
2、集熱器基本結構和材料
集熱器的結構設計和材料選擇對保證集熱器熱性能和機械性能極為重要。本設計對以往的結構設計思想做了一部分改進,在保證整體性和密封性的前提下儘可能採用了壓配合結構,這將簡化維修和更換部件的工序,節省售後服務費用。
集熱器結構主要由5個部分組成:
①透明覆蓋層,採用4.2 mm厚的平板玻璃用以減小對流和輻射損失;②集熱芯板,採用耐腐蝕鋁合金型材做腔板,表面塗有高吸收率複合塗料,將吸收的太陽輻射能傳給腔體內的工作流體;③保溫材料,採用聚氨酯絕熱材料,以減少通過集熱器底板和框線的導熱損失;④框線,採用普通鋁合金,利用鋁的優良塑性按結構要求擠壓出型材,經過拼插、粘合、鉚接等簡單工序製作而成;⑤底板,採用普通不鏽鋼板。
集熱器設計有多種規格,但厚度暫時統一為60mm。集熱器斷面各組成部分的厚度如下:玻璃板4.2 mm,空氣層20 mm,芯板11 mm,保溫材料20 mm,底板0.5 mm。
設計分析
1、鋁合金芯板的防腐蝕
由於有鋁質芯板受腐蝕的先例,故採用鋁合金材料作為芯板基材後首先要解決芯板腐蝕問題。儘管鋁的表面形成一層緻密的連續氧化膜後具有抗腐蝕能力,但在設計中仍採取了進一步的防腐蝕措施:
(1)抗腐蝕合金材料的選用。在變形鋁合金中,抗腐蝕性最好的是鋁-鎂系合金。選用了w(Mg) <0.03的鋁鎂合金,其具有較好的抗腐蝕能力。
(2)優良的結構設計。正確的設計是防止鋁結構與構件腐蝕、延長使用壽命的有效措施之一。設計中注意到了以下2點:避免縫隙,需留縫隙或有薄截面工件處,均採用密封材料填充,以防潮氣侵入;不採用焊接,全部採用壓配合和鉚接,芯板與匯流導管採用樹脂粘接劑連線。
(3)表面處理。通過陽極氧化處理可以獲得比自然氧化膜厚1000～3000倍的硬質多孔氧化膜,陽極氧化膜在沸水封孔或低溫封孔後,可進一步提高抗腐蝕性。
(4)有機塗層。採用比波倫法,用水溶性丙烯酸透明樹脂漆為塗料。鋁合金材料陽極氧化後,經水洗(pH>7)、漆溶液中浸漆、烘乾,可得到6～8μm厚的漆膜,起到進一步防腐的作用。通過以上措施,在一般的飲用水(自來水)情況下,集熱芯板的壽命至少可達到10a以上。
2、結構性能
本文設計的平板式太陽能集熱器採用鋁合金型材製作,質量輕(d= 2.7g/cm )、導熱性好(237W/(m·°C))。由於芯板腔體與太陽能吸收翅片是一步擠壓而成,兩者之間不存在界面,因此熱傳遞效率高。集熱器之間採用具有防漏雨功能的接外掛程式,在屋頂面實施大型太陽能集熱工程時整體定位和安裝都很方便,並可直接代替屋頂瓦,節約了建材。玻璃意外損壞時,無須拆下整塊集熱器進行修復,只須取下扣壓式鋁合金壓條,更換玻璃即可。
(1)雖然集熱器芯板的太陽能吸收膜發射率很大,但建材一體化集熱器的平均集熱效率仍可達到50%以上。
(2)建材一體化集熱器的集熱效率比台架式安裝的集熱器要高。
