平板太陽能集熱器制造工藝及節(jié)能環(huán)保分析*

張盛良，潘 冰，蘇愛英，何志雄，張 輝

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

平板太陽能集熱器制造工藝及節(jié)能環(huán)保分析*

張盛良1，潘 冰2，蘇愛英1，何志雄1，張 輝1

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

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

平板太陽能集熱器；制造工藝；節(jié)能環(huán)保；分析

0 引 言

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

經(jīng)過30多年的研究和科技成果轉(zhuǎn)化，我國平板型太陽能技術(shù)已日趨成熟。平板型太陽能集熱器以其安全、節(jié)能、環(huán)保和實用等優(yōu)點受到了廣大用戶的認可，平板型太陽能集熱器產(chǎn)業(yè)在一些地區(qū)已成為新的經(jīng)濟增長點。平板型太陽能集熱器的優(yōu)點如下：①平板太陽能集熱器能承壓、壽命長、容易組成二次回路系統(tǒng)；②平板太陽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 平板太陽能集熱器構(gòu)成及工作原理

(1) 平板太陽能集熱器的構(gòu)成 平板太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質(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)與遠距離的太陽進行熱交換。平板太陽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，即成為能吸收太陽輻射熱，使水溫升高。平板太陽能集熱器的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 平板太陽能集熱器的構(gòu)成圖

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

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傳導向周圍環(huán)境散熱的部件。邊框是集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和保溫層的部件。

(2) 平板太陽能集熱器的工作原理 陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸熱體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽飨蛄黧w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，通過透明蓋板和邊框向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽集熱器的各種熱損失。平板太陽能集熱器的工作原理如圖2所示。

圖2 平板太陽能集熱器的工作原理圖

2 平板太陽能集熱器的制造工藝[2]

平板太陽能集熱器在生產(chǎn)過程中，吸熱體和腔體制造兩大主要部分制作工藝同時進行，然后再進行總裝。

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

筆者主要對銅鋁復合陽極氧化板芯和柵欄式整板藍膜板芯的制造工藝進行對比。銅鋁復合陽極氧化板芯制造工藝流程設(shè)計如圖3所示。柵欄式整板藍膜板芯制造工藝流程設(shè)計如圖4所示。

圖3 銅鋁復合陽極氧化板芯制作工藝流程

圖4 柵欄式整板藍膜板芯制作工藝流程

通過對板芯制造工藝對比，銅鋁復合陽極氧化板芯采用釬焊焊接，集管需要進行噴涂工藝處理，在生產(chǎn)過程中，對環(huán)境影響比較嚴重；柵欄式整板藍膜板芯采用激光焊接，鋁帶采用真空鍍膜，對環(huán)境影響不大。所以柵欄式整板藍膜板芯制造工藝流程設(shè)計比銅鋁復合陽極氧化板芯制造工藝流程設(shè)計更具優(yōu)勢。

(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：壓延復合包裹式(管翼式)和激光焊接式(管板式)。壓延復合包裹式的主要設(shè)備為冷軋機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，以激光的形式將翅片(條帶)和銅支管焊接在一起。

(3) 腔體的制造工藝對比 平板太陽能集熱器無論選擇哪種吸熱體，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型即有鉚釘式和無鉚釘式。

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

圖5 有鉚釘式腔體的工藝流程

圖6 無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

通過以上腔體制造工藝對比，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構(gòu)成平板太陽能集熱器，平板太陽能集熱器總裝工藝流程設(shè)計如圖8所示。

圖8 平板太陽能集熱器總裝工藝流程

(5) 確定平板太陽能集熱器的最優(yōu)制造工藝流程 通過平板太陽能集熱器吸熱體和板芯的制造工藝進行對比，所述的平板太陽能集熱器的吸熱體選用柵欄式整板藍膜板芯制造工藝流程設(shè)計，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。采用此工藝流程生產(chǎn)出的平板太陽能集熱器具有承壓能力強、壽命長、產(chǎn)品熱性能好、采光面積大和熱效率高的特點。

3 節(jié)能環(huán)保分析

對所述的平板太陽能集熱器進行節(jié)能環(huán)保分析，以選用240組為例，其中：每組為2.2 m2，合計為528 m2，每組價格為4 000元，費用合計96萬元。

3.1 節(jié)能分析

(1) 年節(jié)能量計算公式

ΔQsave=Ac×JT×(1-ηc)×ηcd

式中：ΔQsave為平板太陽能集熱器的年節(jié)能量，MJ；Ac為平板太陽能集熱器面積，528 m2；JT為采光面上的年總太陽輻照量，5 958 MJ/m2(根據(jù)實測)；ηcd為年平均集熱效率，55%(試驗測得)；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)能費用

Wj=Cc×ΔQsave

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

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

由上式計算得：Cc=0.15元/MJ，Wj=17萬元。

(3) 壽命期內(nèi)的總節(jié)省費用

SAV=PI×(Cc×ΔQsave-Ad×DJ)-AVd

式中：SAV為平板太陽能集熱器壽命期內(nèi)節(jié)省費，元；PI為折算系數(shù)；Cc為當年常規(guī)能源熱價，元/MJ；Ad為總增投資，96萬元；DJ為每年用于維修費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為年市場折算率(取銀行貸款利率6.12%)；e為年燃料價格上漲率，取1%；n為經(jīng)濟分析年限，取15年。

由上式計算得：PI=10.23；SAV=68萬元。

3.2 環(huán)保分析

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

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為平板太陽能集熱器的年節(jié)能量，MJ；W為標準煤熱值，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碳標煤；Eff為加熱裝置的效率取0.95。

由上式計算得：Qco2=1 937.3 t

4 結(jié) 語

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

(2) 以平板太陽能集熱器240組為例，對其進行了節(jié)能環(huán)保分析，年節(jié)能量為1 132 497 MJ，年節(jié)能費為17萬元，壽命期內(nèi)的總節(jié)省費用為68萬元，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.太陽能集熱器的研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C].全國農(nóng)村清潔能源與低碳技術(shù)學術(shù)研討會.鄭州，2011.

[2] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊[M].北京：化學工業(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)咨詢工作。

TK51

A

1007-4414(2014)02-0168-03