太阳能热水器

太阳能热水器

一、太阳能热水器概述

太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置,将水从低温加热到高温,以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器,主要以真空管式太阳能热水器为主,占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成,把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管,真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而得到所需热水。

二、太阳能

太阳能(solar energy),是一种可再生能源。是指太阳的热辐射能(参见热能传播的三种方式:辐射),主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。

自地球上生命诞生以来,就主要以太阳提供的热辐射能生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为制作食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下,太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分,并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式,太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。

2.1 技术原理

太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的,来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳,并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。

与原子核反应有关的能源正是核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量,称为原子核能,简称核能,俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源,以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外,还可以用作其它类型的动力源、热源等。

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡。地球赤道周长为40,076千米,从而可计算出,地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2,地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡,相当于有102,000TW的能量。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤,每秒照射到地球的能量则为1.465×10^14焦。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

2.2 主要分类
2.2.1 光伏

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置,由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的固体光伏电池组成。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源,较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统,并入电网供电。光伏板组件可以制成不同形状,而组件又可连接,以产生更多电能。天台及建筑物表面均可使用光伏板组件,甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分,这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

据调研显示由于产能过剩导致全球5大制造商利润缩水,2012年光伏组件安装量将有所减少,这是10余年来首次出现下降。据彭博6位分析师的平均预测全球家庭与商业机构将安装24.8GW的光伏组件。这相当于约20座核反应堆的发电量,但与新增27.7GW的光伏装机量相比下降10%。据彭博新能源财经估计,自1999年以来年均安装量已增长61%。

2.2.2 光热

现代的太阳热能科技将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能,方法是在设计时加入合适的装备,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

2.3 基本特点

2.3.1 优点
  • (1)普遍:太阳光普照大地,没有地域的限制,无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,都处处皆有,可直接开发和利用,便于采集,且无须开采和运输。
  • (2)无害:开发利用太阳能不会污染环境,它是最清洁能源之一,在环境污染越来越严重的今天,这一点是极其宝贵的。
  • (3)巨大:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
  • (4)长久:根据太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年,而地球的寿命也约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的。

2.4 缺点
  • (1)分散性:到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大,但是能流密度很低。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1,000W左右;若按全年日夜平均,则只有200W左右。而在冬季大致只有一半,阴天一般只有1/5左右,这样的能流密度是很低的。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价较高。
  • (2)不稳定性:由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,所以,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的,又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题,即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来,以供夜间或阴雨天使用,但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
  • (3)效率低和成本高:太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置,因为效率偏低,成本较高,现在的实验室利用效率也不超过30%,总的来说,经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济性的制约。
  • (4)太阳能板污染:现阶段,太阳能板是有一定寿命的,一般最多3-5年就需要换一次太阳能板,而换下来的太阳能板则非常难被大自然分解,从而造成相当大的污染。

2.4 开发历史

据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”,“未来能源结构的基础”,则是近年的事。20世纪70年代以来,太阳能科技突飞猛进,太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。

在1615年-1900年之间,世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光,发动机功率不大,工质主要是水蒸汽,价格昂贵,实用价值不大,大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间,太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。

2.4.1 第一阶段

第一阶段(1900~1920年),清立新能源在这一阶段,世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置,但采用的聚光方式多样化,且开始采用平板集热器和低沸点工质,装置逐渐扩大,最大输出功率达73.64kW,实用目的比较明确,造价仍然很高。建造的典型装置有:1901年,在美国加州建成一台太阳能抽水装置,采用截头圆锥聚光器,功率:7.36kW;1902~1908年,在美国建造了五套双循环太阳能发动机,采用平板集热器和低沸点工质;1913年,在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵,每个长62.5m,宽4m,总采光面积达1250m2。

2.4.2 第二阶段

第二阶段(1920~1945年),在这20多年中,太阳能研究工作处于低潮,参加研究工作的人数和研究项目大为减少,其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战(1935~1945年)有关,而太阳能又不能解决当时对能源的急需,因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。

2.4.3 第三阶段

第三阶段(1945~1965年),在第二次世界大战结束后的20年中,一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少,呼吁人们重视这一问题,从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展,并且成立太阳能学术组织,举办学术交流和展览会,再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段,太阳能研究工作取得一些重大进展,比较突出的有:1945年,美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池,为光伏发电大规模应用奠定了基础;1955年,以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论,并研制成实用的黑镍等选择性涂层,为高效集热器的发展创造了条件。

此外,在这一阶段里还有其它一些重要成果,比较突出的有:1952年,法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年,在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨——水吸收式空调系统,制冷能力为5冷吨。1961年,一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里,加强了太阳能基础理论和基础材料的研究,取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展,技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展,建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。

2.4.4 第四阶段

第四阶段(1965~1973年),这一阶段,太阳能的研究工作停滞不前,主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段,尚不成熟,并且投资大,效果不理想,难以与常规能源竞争,因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

2.4.5 第五阶段

第五阶段(1973~1980年),自从石油在世界能源结构中担当主角之后,石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素,1973年10月爆发中东战争,石油输出国组织采取石油减产、提价等办法,支持中东人民的斗争,维护该国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家,在经济上遭到沉重打击。于是,西方一些人惊呼:世界发生了“能源危机”(有的称“石油危机”)。这次“危机”在客观上使人们认识到:现有的能源结构必须彻底改变,应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家,尤其是工业发达国家,重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持,在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年,美国制定了政府级阳光发电计划,太阳能研究经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”,其中太阳能的研究开发项目有:太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划,日本政府投入了大量人力、物力和财力。

70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮,对中国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员,纷纷投身太阳能事业,积极向政府有关部门提建议,出书办刊,介绍国际上太阳能利用动态;在农村推广应用太阳灶,在城市研制开发太阳能热水器,空间用的太阳电池开始在地面应用……。1975年,在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”,进一步推动了中国太阳能事业的发展。这次会议之后,太阳能研究和推广工作纳入了中国政府计划,获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所,纷纷设立太阳能课题组和研究室,有的地方开始筹建太阳能研究所。当时,中国也兴起了开发利用太阳能的热潮。这一时期,太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期。

各国加强了太阳能研究工作的计划性,不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为,支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃,一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。

研究领域不断扩大,研究工作日益深入,取得一批较大成果,如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。

各国制定的太阳能发展计划,普遍存在要求过高、过急问题,对实施过程中的困难估计不足,希望在较短的时间内取代矿物能源,实现大规模利用太阳能。例如,美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站,1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上,这一计划后来进行了调整,至今空间太阳能电站还未升空。

太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化,太阳能产业初步建立,但规模较小,经济效益尚不理想。这主要受制于技术运用及科研水平。

2.4.6 第六阶段

第六阶段(1980~1992年),70年代兴起的开发利用太阳能热潮,进入80年代后不久开始落潮,逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费,其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是:世界石油价格大幅度回落,而太阳能产品价格居高不下,缺乏竞争力;太阳能技术没有重大突破,提高效率和降低成本的目标没有实现,以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心;核电发展较快,对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。受80年代国际上太阳能低落的影响,中国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱,有人甚至提出:太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广,认为太阳能是未来能源,主张外国研究成功后中国引进技术。虽然,持这种观点的人是少数,但十分有害,对中国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段,虽然太阳能开发研究经费大幅度削减,但研究工作并未中断,有的项目还进展较大,而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标,调整研究工作重点,争取以较少的投入取得较大的成果。

2.4.7 第七阶段

第七阶段(1992年~至今),由于大量燃烧矿物能源,造成了全球性的环境污染和生态破坏,对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下,1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”,会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》,《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件,把环境与发展纳入统一的框架,确立了可持续发展的模式。这次会议之后,世界各国加强了清洁能源技术的开发,将利用太阳能与环境保护结合在一起,使太阳能利用工作走出低谷,逐渐得到加强。世界环发大会之后,中国政府对环境与发展十分重视,提出10条对策和措施,明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”,制定了《中国21世纪议程》,进一步明确了太阳能重点发展项目。

1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》在(1996~2010年)制出,明确提出中国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施,对进一步推动中国太阳能事业发挥了重要作用。1996年,联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”,会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》,会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》(1996~2005年),《国际太阳能公约》,《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心,要求全球共同行动,广泛利用太阳能。

1992年以后,世界太阳能利用又进入一个发展期,其特点是:太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合,全球共同行动,为实现世界太阳能发展战略而努力;太阳能发展目标明确,重点突出,措施得力,有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端,保证太阳能事业的长期发展;在加大太阳能研究开发力度的同时,注意科技成果转化为生产力,发展太阳能产业,加速商业化进程,扩大太阳能利用领域和规模,经济效益逐渐提高;国际太阳能领域的合作空前活跃,规模扩大,效果明显。通过以上回顾可知,在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦,一般每次高潮期后都会出现低潮期,处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同,人们对其认识差别大,反复多,发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大,短时间内很难实现大规模利用;另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应,政治和战争等因素的影响,发展道路比较曲折。尽管如此,从总体来看,20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。爱迪太阳能如今是人们生活中不可缺少的一部分。

2.4.8 第八阶段

全世界光伏板并网,贮能难的问题就有改善。

开发经济问题

第一,世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要,而又不危及后代人前途的社会。因此,尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源,是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化,常规能源的贮量日益下降,其价格必然上涨,而控制环境污染也必须增大投资。

第二,中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭约占商品能源消费结构的76%,已成为中国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的,向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看,太阳能利用技术和装置的大量应用,也必然可以制约矿物能源价格的上涨。

2.5 应用领域

太阳能的利用目前还不是很普及,利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题,但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。

人类依赖这些能量维持生存,其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外),虽然太阳能资源总量相当于人类所利用的能源的一万多倍,但太阳能的能量密度低,而且它因地而异,因时而变,这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

建设太空太阳能发电站的设想早在1968年就有人提出,但直到最近人类才开始真正将之付诸行动。日本可谓此项目的先驱者之一,该项目预计耗资210亿美金,发电量能达到十亿瓦特,能供29.4万个家庭使用。在太空建太阳能发电站,无论气候如何,均可利用太阳能发电,这与在地球上建立太阳能发电站的情况不同。

2.5.1 光热利用

它的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器(槽式、碟式和塔式)等4种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖(太阳房)、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。

2.5.2 发电利用

清立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。已实用的主要有以下两种。

  • 1、光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。
  • 2、光—电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。

太阳能电池

【材料要求】耐紫外光线的辐射,透光率不下降。钢化玻璃做成的组件可以承受直径25毫米的冰球以23米/秒的速度撞击。

【装用的EVA胶膜固化后的性能要求】透光率大于90%;交联度大于65%-85%;剥离强度(N/cm),玻璃/胶膜大于30;TPT/胶膜大于15;耐温性:高温85℃、低温-40℃;太阳电池的背面,耐老化、耐腐蚀、耐紫外线辐射、不透气等。

【用途】太阳能发电广泛用于太阳能路灯、太阳能杀虫灯、太阳能便携式系统,太阳能移动电源,太阳能应用产品,通讯电源,太阳能灯具,太阳能建筑等领域。

太阳能在2050年前可能将成为电力的主要来源,受助于发电设备成本大跌。IEA报告表示,2050年前太阳能光伏(PV)系统将最多为全球贡献16%的电力,来自太阳能发电厂的太阳能热力发电(STE)将提供11%的电力。

2.5.3 光化利用

这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。

光化转换就是因吸收光辐射导致化学反应而转换为化学能的过程。其基本形式有植物的光合作用和利用物质化学变化贮存太阳能的光化反应。

植物靠叶绿素把光能转化成化学能,实现自身的生长与繁衍,若能揭示光化转换的奥秘,便可实现人造叶绿素发电。太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。

2.5.4 燃油利用

欧盟从2011年6月开始,利用太阳光线提供的高温能量,以水和二氧化碳作为原材料,致力于“太阳能”燃油的研制生产。截至目前,研发团队已在世界上首次成功实现实验室规模的可再生燃油全过程生产,其产品完全符合欧盟的飞机和汽车燃油标准,无需对飞机和汽车发动机进行任何调整改动。

研制设计的“太阳能”燃油原型机,主要由两大技术部分组成:第一部分利用集中式太阳光线聚集产生的高温能量,辅之ETH Zürich 自主知识产权的金属氧化物材料添加剂,在自行设计开发的太阳能高温反应器内将水和二氧化碳转化成合成气(Syngas),合成气的主要成分为氢气和一氧化碳;第二部分根据费-托原理(Fischer-Tropsch Principe),将余热的高温合成气转化成可商业化应用于市场的“太阳能”燃油成品。

2.6 衍生产品

就人类直接利用太阳能还处于初级阶段,主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电、太阳能无线监控等方式。

2.6.1 无线监控

随着现代化企业制度在我国的普及和深化发展,企业的信息化建设不断深入,利用数字视频技术对企业进行安全防范工作已是大势所趋,结合太阳能技术的发展,推出真正的Winncam零布线无线监控解决方案。

在现代化工业园中,实施视频监控系统,安全保卫部门可以实现在工业园区门口、主要道路、办公楼、周界围墙等地点进行实时全天候视频监控;相关部门可以了解现场情况,加强园区安全保卫管理,提高工作效率;相关管理部门可以实时了解各个监控点的情况;企业领导在办公室利用桌面微机,可以随时了解各主各个监控点实时状况,处理突发事件,亦可以记录多天前的情况,进行追踪分析,除本地建立网络监控系统外,还可对分支机构进行集中远程视频监控.随时考察员工的实际生产劳动纪律众诚天合公司案根据园区的实际需求,有些点取电困难,我们采用太阳能供电,参照有关国际标准和国家标准,并结合我公司对工业园区监控所积累的经验,编制出这套零布线太阳能无线监控技术方案。

整体解决思路

通过对现场的分析我们得出结论,整套系统我们采用Winncam无线网桥2.4和5.8的无线网桥混合组网,通过点对点和点对多点的组网方式,组建三级无线传输网络,使得音视频能流畅的在网络中穿行;设备的前端我们建议采用红外网络摄像机,后端接受可以用电脑,也可用DVR;但是DVR需要用解码功能。最后我们在后端可以随时查看和管理整套系统。

2.6.2 集热器

太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器(solar collector)在太阳能集热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用20~30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40~50年且很少进行维修。

2.6.3 热水系统

早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热,现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外,可能还有辅助的能源装置(如电热器等)以供应无日照时使用,另外尚可能有强制循环用的水,以控制水位或控制电动部分或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种:

1.自然循环式:

此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热,温度上升,造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差,因此引起浮力,此一热虹吸现象,促使水在储水箱及收集器中自然流动。由于密度差的关系,水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水,维护甚为简单,故已被广泛采用。

2.强制循环式:

热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时,控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流,引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知(因来自水的流量可知),容易预测性能,亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下,其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处,但因其必须利用水,故有水电力、维护(如漏水等)以及控制装置时动时停,容易损坏水等问题存在。因此,除大型热水系统或需要较高水温的情形,才选择强制循环式,一般大多用自然循环式热水器。

2.6.4 发电系统

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。

太阳能发电系统分为离网发电系统与并网发电系统:

  • 1、离网发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,若要为交流负载供电,还需要配置交流逆变器。
  • 2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统,特别是光伏建筑一体化发电系统,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是目前并网发电的主流。

太阳能板

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后,输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一,其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。组件设计:按国际电工委员会IEC:1215:1993标准要求进行设计,采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。

太阳能组件原材料特点

电池片:采用高效率(16.5%以上)的单晶硅太阳能片封装,保证太阳能电池板发电功率充足。

玻璃:采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃),厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上,对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射,透光率不下降。

EVA:采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。

TPT:太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色,对阳光起反射作用,因此对组件的效率略有提高,并因其具有较高的红外发射率,还可降低组件的工作温度,也有利于提高组件的效率。当然,此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。

边框:所采用的铝合金边框具有高强度,抗机械冲击能力强。也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

太阳能控制器

太阳能控制器是由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。

主要特点:

  • 1、使用了单片机和专用软件,实现了智能控制;
  • 2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点,消除了单纯的电压控制过放的不准确性,符合蓄电池固有的特性,即不同的放电率具有不同的终了电压。
  • 3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制;以上保护均不损坏任何部件,不烧保险;
  • 4、采用了串联式PWM充电主电路,使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半,充电效率较非PWM高3%-6%,增加了用电时间;过放恢复的提升充电,正常的直充,浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命;同时具有高精度温度补偿;
  • 5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态,让用户了解使用状况;
  • 6、所有控制全部采用工业级芯片(仅对带I工业级控制器),能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制,定时控制精确。
  • 7、取消了电位器调整控制设定点,而利用了E方存储器记录各工作控制点,使设置数字化,消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素;
  • 8、使用了数字LED显示及设置,一键式操作即可完成所有设置,使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;

2.6.5 能源电源

第一个空间太阳电池载于1958年发射的Vangtuard I,体装式结构,单晶Si衬底,效率约10%(28℃)。到了1970年代,人们改善了电池结构,采用BSF、光刻技术及更好减反射膜等技术,使电池的效率增加到14%。在70年代和80年代,地面太阳电池大约每5.5年全球产量翻番;而空间太阳电池在空间环境下的性能,如抗辐射性能等得到了较大改善。由于80年代太阳电池的理论得到迅速发展,极大地促进了地面和空间太阳电池性能的改善。到了90年代,薄膜电池和Ⅲ-Ⅴ电池的研究发展很快,而且聚光阵结构也变得更经济,空间太阳电池市场竞争十分激烈。在继续研究更高性能的太阳电池,主要有两种途径:研究聚光电池和多带隙电池。

电池效率

由于太阳电池在不同光强或光谱条件下效率一般不同,对于空间太阳电池一般采用AM0光谱(1.367KW/㎡),对于地面应用一般采用AM1.5光谱(即地面中午晴空太阳光,1.000 KWm-2)作为测试电池效率的标准光源。太阳电池在AM0光谱效率一般低于AM1.5光谱效率2~4个百分点,例如一个AM0效率为16%的Si太阳电池AM1.5效率约为19%)。

25℃,AM0条件下太阳电池效率

电池类型面积(cm2)效率(%)电池结构
一般Si太阳电池64cm214.6单结太阳电池
先进Si太阳电池4cm220.8单结太阳电池GaAs太阳电池 4cm2 21.8 单结太阳电池
InP太阳电池4cm219.9单结太阳电池
GaInP/GaAs4cm226.9单片叠层双结太阳电池
GaInP/GaAs/Ge4cm225.5单片叠层双结太阳电池
GaInP/GaAs/Ge4cm227.0单片叠层三结太阳电池

聚光电池

电池类型面积(cm2)效率(%)电池结构
GaAs太阳电池0.0724.6100X
GaInP/GaAs0.2526.450X,单片叠层双结太阳电池
GaAs/GaSb0.0530.5100X,机械堆叠太阳电池

空间太阳电池在大气层外工作,在近地球轨道太阳平均辐照强度基本不变,通常称为AM0辐照,其光谱分布接近5800K黑体辐射光谱,强度1353mW/cm2。因此空间太阳电池多采用AM0光谱设计和测试。

空间太阳电池通常具有较高的效率,以便在空间发射的重量、体积受限制的条件下,能获得特定的功率输出。特别在一些特定的发射任务中,如微小卫星(重量在50~100公斤)上应用,要求单位面积或单位重量的比功率更高。

抗辐照性能

空间太阳电池在地球大气层外工作,必然会受到高能带电粒子的辐照,引起电池性能的衰减,主要原因是由于电子或质子辐射使少数载流子的扩散长度减小。其光电参数衰减的程度取决于太阳电池的材料和结构。还有反向偏压、低温和热效应等因素也是电池性能衰减的重要原因,尤其对叠层太阳电池,由于热胀系数显著不同,电池性能衰减可能更严重。

空间太阳电池的可靠性

光伏电源的可靠性对整个发射任务的成功起关键作用,与地面应用相比,太阳电池/阵的费用高低并不重要,因为空间电源系统的平衡费用更高,可靠性是最重要的。空间太阳电池阵必须经过一系列机械、热学、电学等苛刻的可靠性检验。

硅太阳电池

硅太阳电池是最常用的卫星电源,从1970年代起,由于空间技术的发展,各种飞行器对功率的需求越来越大,在加速发展其他类型电池的同时,世界上空间技术比较发达的美、日和欧空局等国家,都相继开展了高效硅太阳电池的研究。以日本SHARP公司、美国的SUNPOWER公司以及欧空局为代表,在空间太阳电池的研究发展方面领先。其中,以发展背表面场(BSF)、背表面反射器(BSR)、双层减反射膜技术为第一代高效硅太阳电池,这种类型的电池典型效率最高可以做到15%左右,目前在轨的许多卫星应用的是这种类型的电池。

到了70年代中期,COMSAT研究所提出了无反射绒面电池(使电池效率进一步提高)。但这种电池的应用受到限制:一是制备过程复杂,避免损坏PN结;二是这样的表面会吸收所有波长的光,包括那些光子能量不足以产生电子-空穴对的红外辐射,使太阳电池的温度升高,从而抵消了采用绒面而提高的效率效应;三是电极的制作必须沿着绒面延伸,增加了接触的难度,使成本升高。

80年代中期,为解决这些问题,高效电池的制作引入了电子器件制作的一些工艺手段,采用了倒金子塔绒面、激光刻槽埋栅、选择性发射结等制作工艺,这些工艺的采用不但使电池的效率进一步提高,而且还使得电池的应用成为可能。特别在解决了诸如采用带通滤波器消除温升效应以后,这类电池的应用成了空间电源的主角。

虽然很多工艺技术是由一些研究所提出,但却是在一些比较大的公司得到了发扬光大,比如倒金子塔绒面、选择性发射结等工艺是在澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心出现,但日本的SHARP公司和美国的SUNPOWER公司目前的技术水平却为世界一流,有的技术甚至已经移植到了地面用太阳电池的大批量生产。

为了进一步降低电池背面复合影响,背面结构则采用背面钝化后开孔形成点接触,即局部背场。这些高效电池典型结构为PERC、PERL、PERT、PERF,其中前种结构的电池已经在空间获得实用。典型的高效硅太阳电池厚度为100μm,也被称为NRS/BSF(典型效率为17%)和NRS/LBSF(典型效率为18%),其特征是正面具有倒金子塔绒面的选择性发射结构,前后表面均采用钝化结构来降低表面复合,背面场采用全部或局部背场。实际应用中还发现,虽然采用局部背场工艺的电池要普遍比NRS/BSF的电池效率高一个百分点,但通常局部背场的抗辐照能力比较差。

到了20世纪90年代中期,空间电源工程人员发现,虽然这种类型电池的初期效率比较高,但电池的末期效率比初期效率下降25%左右,限制了电池的进一步应用,空间电源的成本仍然不能很好地降低。

为了改变这种情况,以SHARP为首的研究机构提出了双边结电池结构,这种电池的出现有效地提高了电池的末期效率,并在HES、HES-1卫星上获得了实际应用。

另外研究人员还发现,卫星对电池阵位置的要求比较苛刻,如果太阳电池阵不对日定向或对日定向差等都会影响到卫星电源的功率,这在一定程度上也限制了卫星整体系统的配置。比如空间站这样复杂的飞行器,有的电池阵几乎不能完全保证其充足的太阳角,因而就需要高效电池来满足要求。虽然目前已经部分应用了常规的高效电池,但电池的高的α吸收系数、有限的空间和重量的需要使其仍然不能满足空间系统大规模功率的需要。传统的电池结构仍然受到很大程度的限制。在这种情况下,俄罗斯在研究高效硅电池初期就侧重于提高电池的末期效率为主,在结合电池阵研究方面提出了双面电池的构想并获得了成功,真正做到了高效长寿命和低成本。

太阳能路灯

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯,因其具有不受供电影响,不用开沟埋线,不消耗常规电能,只要阳光充足就可以就地安装等特点,因此受到人们的广泛关注,又因其不污染环境,而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明,又可用于人口分布密度较小,交通不便经济不发达、缺乏常规燃料,难以用常规能源发电,但太阳能资源丰富的地区,以解决这些地区人们的家用照明问题。

2.7 法律法规

2007年8月,国家发改委发布了《可再生资源中长期发展规划》,规划提出,到2010年中国可再生能源年利用量将达到2.7亿吨标准煤。其中,水电达到1.8亿千瓦,风电超过500万千瓦,生物质发电达到550万千瓦,太阳能发电达到30万千瓦;燃料乙醇和生物柴油年利用量分别达到200万吨和20万吨;沼气年利用量达到190亿立方米,太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米。从2010年~2020年,中国可再生能源将有更大地发展。其中,水电将达到3亿千瓦,风电装机和生物质发电目标都是3000万千瓦,太阳能发电达到180万千瓦;燃料乙醇和生物柴油年生产能力分别达到1000万吨和200万吨;沼气年利用量达到443亿立方米,太阳能发电达到180万千瓦;太阳能热水器总集热面积达到3亿平方米。根据规划提出的目标,到2020年,中国一次能源消费结构可再生能源比例将由目前的7%提升到16%。

  • 2005年9月,上海市政府公布“上海开发利用太阳能行动计划”。
  • 2006年6月,中国成立风能太阳能资源评估中心。
  • 2009年3月23日,财政部印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》,拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。
  • 2011年《十二五新能源规划纲要》中。
  • 2012年3月27日,中华人民共和国科学技术部以国科发计〔2012〕198号印发《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》中。
  • 2012年9月13日,国家能源局印发《太阳能发电发展“十二五”规划》中。

为促进太阳能发电产业持续健康发展,国家能源局根据《可再生能源发展“十二五”规划》,组织编制了《太阳能发电发展“十二五”规划》,现印发你们,并就有关事项通知如下:

  • 一、加强规划指导,优化建设布局。各地能源主管部门根据本规划要求,完善本地区太阳能发电规划目标、布局和开发时序,有序推进太阳能发电项目建设。
  • 二、立足就地消纳,优先分散利用。太阳能发电项目开发要综合考虑太阳能资源、承载物(或土地)资源及并网运行条件等,所发电量立足就地消纳平衡,优先发展分布式太阳能发电。
  • 三、加强电网建设,落实消纳市场。电网企业要加强配套电网建设,优化电网运行,加强电力需求侧管理,建立太阳能发电综合技术支持体系,提高适应太阳能发电并网运行的系统调节能力,保障太阳能发电并网运行和高效利用。
  • 四、加强建设运行管理,提高技术水平。项目单位要充分发挥项目建设和运行的主体作用,高度重视工程质量,全面加强项目建设运行管理,鼓励开展多种技术和运营方式的创新。
  • 五、加强规划评估,适时调整完善。在规划实施过程中,适时开展太阳能发电规划评估,根据发展形势对规划进行必要的修订和调整。

中国《可再生能源法》的颁布和实施,为太阳能利用产业的发展提供了政策保障;京都议定书的签定,环保政策的出台和对国际的承诺,给太阳能利用产业带来机遇;西部大开发,为太阳能利用产业提供巨大的国内市场;原油价格的上涨,中国能源战略的调整,使得政府加大对可再生能源发展的支持力度,所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。

2.8 发展前景

2.8.1 中国

中国蕴藏着丰富的太阳能资源,太阳能利用前景广阔。目前,中国太阳能产业规模已位居世界第一,是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项:太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。

2.8.2 澳大利亚

2014年12月15日,澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的太阳能研究人员,已经可以将太阳能转化为电能的效率提高到40%以上,这是至今最高纪录。

2.8.3 其他地区

1974年至1997年,美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级:从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为,要使太阳能电站与传统电站(主要是火电站)相比具有经济竞争力,还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池,为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖的8.3%面积(约8000平方千米)建成太阳池,为600兆瓦的发电机组供热。今年6月,亚美尼亚无线电物理所的专家宣布,已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。该电站使用的涡轮机是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机,装机容量仅100千瓦,但发电成本仅0.5美分/千瓦小时,效率高达40%—50%。

俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合,给太阳池附设冰槽等设施,设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计,一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池,便可满足其100平方米住房全年的用电需要。

以色列2012年可再生能源装机容量为:风能6.2兆瓦、水电8兆瓦、生物燃料12兆瓦、大型太阳能光热电站0兆瓦、中型太阳能光热电站7兆瓦、小型光伏板发电站218兆瓦。预计至2015年,以大型太阳能光热电站将增至740兆瓦,中型太阳能电站增至330兆瓦,小型光伏板发电站增至330兆瓦。

三、太阳能热水器

太阳能热水器是采用真空集热管组装的热水器,有光照便能产生热水,可广泛用于家庭及工业用热水。 特点是集热效率高(平均日效率≥0.46)、安全、清洁、节能、保温性能好、全年可使用、使用寿命长等。 规格有12支管、15支管、18支管、21支管、24支管等。按照安装方式可以分为屋顶式太阳能热水器和阳台式太阳能热水器;按照水箱受压可分为承压式太阳能热水器和非承压式太阳能热水器。

太阳能热水器结构:

太阳能热水器
  • 1、水箱外壳(Water tank shell)
  • 2、保温层(Layer for heat preservation)
  • 3、水箱内胆(Inner water tank)
  • 4、排气溢流孔(Vent holeand overflow hole)
  • 5、密封胶圈(Silicon seal)
  • 6、外水箱端盖(End cover of the outer tank)
  • 7、防尘圈(A loop of dustproof)
  • 8、电加热器预留孔(镁棒安装孔)(Heater)
  • 9、真空集热管(Evacuated solar collector tubes)
  • 10、进出水孔(Inlet and outlet hole)
  • 11、漫反射板(Diffuse flat plate reflector)
  • 12、护罩尾托(Tailstock)
  • 13、支架(Support)
3.1 我国的太阳能资源

我国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源,除了局部地区(如四川、贵州等地)不适合太阳能利用外,我国大部分地区都适合利用太阳能。据估算,每年中国陆地接收的太阳能辐射总量相当于 24000 亿吨标准煤,年均辐射量约为 5900 兆焦耳/平方米。我国太阳能资源分布的主要特点有:太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬 22°~35°这一带,青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心。青藏高原平均海拔高度在 4000m 以上,大气层稀薄而清洁,透明度好,纬度低,日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市,1961 年至 1970 年的平均值,年平均日照时间为 3005.7h,相对日照为 68%,太阳总辐射为 8160 MJ/m2·a,比全国其它省区和同纬度的地区都高。四川盆地雨多、雾多,晴天较少。 例如成都市年平均日照时数仅为 1152.2h,相对日照为 26%。太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区,而且除西藏和新疆两个自治区外,基本上是南部低于北部;由于南方多数地区云雾雨多,在北纬 30°~40°地区,太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反,太阳能不是随着纬度的增加而减少,而是随着纬度的增加而增长。“八五”期间,我国有关的研究将我国的太阳能资源划分为五类地区(表1-3)。一、二、三类地区,年日照时数大于2000h,辐射总5000MJ/m2·a,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区,面积较大,约占全国总面积的2/3以上,具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差,但仍有一定的利用价值。表1-4显示了世界部分城市的年辐射总量。从以下两表可见,即使我国太阳能资源较差的地区,年辐射总量也接近东京,高于伦敦、汉堡这些世界上太阳能利用较好的城市,由此可见,我国具有良好的利用太阳能的条件,应大力开发太阳能资源。

3.2 太阳能的利用

太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量,太阳能是一种可再生能源,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,生物质能,潮汐能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。在四类太阳能利用方式中,光—热转换的技术最成熟,产品也最多,成本相对较低。如:太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高,但应用还不普遍。在光热转换中,当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

光热利用:它是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。太阳能发电:未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式主要有两种:

  • ①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。
  • ②光—电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。

光化利用:这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。

光生物利用:通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。

工作原理

阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上,将太阳光能的热量吸收,由于两层玻璃之间是真空隔热的,传热将大大减小(辐射传热仍然存在,但没有了热传导和热对流),绝大部分热量只能传给玻璃管里面的水,使玻璃管内的水加热,加热的水变轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶,桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充,如此不断循环,使保温储水桶内的水不断加热,从而达到热水的目的。

3.3 材料核心

太阳能光热转换材料是最重要的太阳能材料。光热利用领域的材料按用途可分为蓄热材料、导热材料、热电材料、集热材料等

3.3.1 蓄热材料

蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固-液或固-固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术,因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。许多物质作为潜在的相变储热材料(PCM)已经被研究过,但只有部分物质实现了工业化生产,其中制冷与低温范围的技术与产品相对比较成熟,很多已实现商品化。法国Cristopia、澳大利亚TEAP、日本三菱化学(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美国陶氏化学(Dow chemical)、德国Rubitherm GmbH与MerckKgaA等公司生产的PCM产品类型主要是盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类,其熔点为- 33~ 110℃。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。显热储能通过物质的温度变化来储存热能,储热介质必须具有较大的比热容。可作为储热介质的固态物质有岩石、砂、金属、水泥和砖等,液态物质则包括水、导热油以及融熔盐。与液态储热材料相比,固态储热材料具有两个特点:①更大的热能储存温度范围,可以从室温至1000℃以上的高温段;②不产生介质泄漏,对容器材料的要求低。这几年主要研究的热存储材料有二醇二硬脂酸盐(Diol-di-stearates)、十水合硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二异氰酸盐/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PE copolymer)、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蜡混合物等。

3.3.2 导热材料

在太阳能热利用方面,大多数分散的集热器与蓄热器之间的距离相对较远,因此导热系统仍是不可或缺的。导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料,另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料。国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料,以降低热交换系统的复杂程度,从而达到降低系统成本的目的。未来的重点是新型热传导媒质的研发如离子流体,以及新型热循环管道材料如金属化塑胶管等。

3.3.3 热电材料

热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料,其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子或空穴激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压)。热电材料主要分为半导体金属合金型热电材料、方钴矿型热电材料、金属硅化物型热电材料、氧化物型热电材料4种。2007年日本在氧化物热电材料的研究中走在世界前列。目前,已经商业应用的热电材料有PbTe(工作温度为230~ 530℃,主要用于发电)、Bi2Te3/Sb2Te(工作温度为室温~ 130℃,主要用于小规模发电以及制冷)、SiGe(工作温度高于530℃,主要用于外太空发电)。

3.3.4 集热材料

太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25~ 2.5μm范围内。从光热效应来讲,太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热,主要是衣服和皮肤吸收太阳光线,从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲,黑色意味着光线几乎全部被吸收,吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知,黑体辐射的波长范围在2~ 100μm之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10μm附近。由此可见,太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠,因此要实现最佳的太阳能热转换,所采用的材料必须满足以下两个条件:①在太阳光谱内吸收光线程度高,即有尽量高的吸收率α;②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率γ。一般来说,对同一波长而言,材料的吸收率和发射率有同样的数值,即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与反射率γ及透射率t满足如下关系:α+γ+ t= 1。对于不透明材料由于t= 0,则α+γ= 1。而对于黑色物体来说,γ= 0,则α= 1。根据以上讨论可知,最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内,即λ< 2.5μm,有α≈ 1(即γ≈ 0);而在λ> 2μm,即热辐射波长范围内,有ε= 0(即γ≈ 1或α≈ 0),一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件,在热辐射波长范围内ε值较大,尽管太阳光谱α≈ 1,仍有很大的热辐射损失,这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部分:红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm)附近产生强烈的吸收,在红外波段则自由透过,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。在聚光方面,由于日光波长覆盖范围大,聚焦用的反射镜或折射镜的高反射率或高透射率波长应覆盖300~ 2500nm,因而镜面采用新型的纳米涂层,从室内保温涂层到太阳镜上的防反涂层等,这些技术将集热器的效率提高了近5%。从最近众多的纳米技术的研究成果来看,玻璃涂层将获得更加长足的发展。预计涂层未来的研发方向主要有以下几个方面:①超长的户外寿命(抗风、防灰尘吸附等);②高太阳光反射率(反射波长覆盖300~ 2500nm);③良好的抗机械应力特性,以适应对反射镜面的定期清洗;④耐腐蚀性(< 0.15%,与镀银镜面耐腐蚀性相当)。在吸热方面,太阳能一次吸热(指直接从阳光获取热能)材料主要有金属、塑料、玻璃等,但实际使用的几乎全是金属。按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料、溴化锂、氯化锂、硫化钠、硅胶、水等,国内外使用得比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。

3.4 组成部件

3.4.1 集热器

系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是,太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量,故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。

目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管,在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜,金属管焊接在集热板上,平板集热器较真空管集热器成本稍高,近几年平板集热器呈现上升趋势,尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造,选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。

3.4.2 保温水箱

储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存,防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量,不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器,其容量指可发生热交换的介质容量。

太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。

水箱内胆是储存热水的重要部分,其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果,在寒冷季节尤其重要。较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。

保温水箱要求保温效果好,耐腐蚀,水质清洁。

3.4.3 支架

支撑集热器与保温水箱的架子。要求结构牢固,稳定性高,抗风雪,耐老化,不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。

3.4.4 连接管道

太阳能热水器是将冷水先进入蓄热水箱,然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连,使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的太阳能管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能管道必须做保温处理,北方寒冷地区需要在管道外壁铺设伴热带,以保证用户在寒冷冬季也能用上太阳能热水。

3.4.5 控制部件

一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行,控制系统是不可少的,常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位,带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器,具有水温水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能,方便了用户。

3.5 工作原理

太阳能热水器把太阳光能转化为热能,将水从低温度加热到高温度,以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器,真空管式太阳能热水器为主,占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而达到所需热水。

3.5.1 吸热过程

真空管式热水器的吸热时,太阳辐射透过真空管的外管,被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。管内的水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部,同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复,最终整箱水都升高至一定的温度。

平板式热水器,一般为分体式热水器,介质则在集热板内因热虹吸自然循环,将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内,水箱内通过热交换(夹套或盘管)将热量传送给冷水。介质也可通过泵循环实现热量传递。

3.5.2 循环管路

家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作,没有外在的动力。真空管式太阳能热水器为直插式结构,热水通过重力作用提供动力。平板式太阳能热水器通过自来水的压力(称为顶水)提供动力。而太阳能集中供热系统均采用泵循环。由于太阳能热水器集热面积不大,考虑到热能损失,一般不采用管道循环。

3.5.3 使用过程

平板式太阳能热水器为顶水方式工作,真空管太阳能热水器也可实行顶水工作的方式,水箱内可以采用夹套或盘管方式。顶水工作的优点是供水压力为自来水压力,比自然重力式压力大,尤其是安装高度不高时,其特点是使用过程中水温先高后低,容易掌握,使用者容易适应,但是要求自来水保持供水能力。顶水工作方式的太阳能热水器比重力式热水器成本大,价格高。

1. 温差控制集热循环

太阳能热水地暖系统中有集热器温测器和水温感应器,集热系统吸收太阳能辐射后,集热管温度上升,当集热器温度和水箱温度水温差△t设定值时,检测系统发出指令,循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中,水被加热后再回到水箱中,使水箱内的水达到设定的温度。

2. 地暖管道循环系统

增加一台热水循环泵,通过控制器控制地暖管道循环。当水温达到设定温度时,自动启动地暖循环泵,使高温水通过地暖盘管在室内循环,从而使室内温度不断提高。当水箱水温低于某一设定值时,自动停止地暖管道循环泵。

3.6 太阳能热水器的分类

就其结构来说,大体可分为以下几类:

1. 从集热部分来分:

1)玻璃真空管太阳能热水器

可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式/真空管集热、储热一体化闷晒式。常用的为全玻璃真空管式,其优点:安全、节能、环保、经济。尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器,它以太阳能为主,电能为辅的能源利用方式使太阳能热水器全年全天候正常运行,环境温度低时效率仍然比较高。其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。

2)平板型太阳能热水器

平板型太阳能热水器 可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。其优点:具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行,安全可靠,吸热体面积大,易于与建筑相结合,耐无水空晒性强等优点,其热性能也很稳定。其缺点由于盖板内为非真空,保温性能差,故环境温度较低时集热性能较差,采用辅助加热时相对耗电。环境温度低或要求出水温度高时热效率较低。如冻坏需更换整个集热板,适合冬天不结冰的南方地区选用。

3)陶瓷中空平板型太阳能热水器

陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体,立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。陶瓷太阳能板整体为瓷质材料,不透水、不渗水、强度高、刚性好,不腐蚀、不老化、不退色,无毒、无害、无放射性,阳光吸收率不会衰减,具有长期较高的光热转换效率。

经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测,陶瓷太阳能板的阳光吸收比为0.95,混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量为8.6MJ,远高于国家标准。陶瓷太阳能板制造、使用成本低,阳光吸收比不衰减,与建筑同寿命,可以用于与原房顶共用结构层、保温层、防水层、结构简单、保温隔热效果好于原房顶、与建筑一体化的混凝土结构陶瓷太阳能房顶、向阳墙面、阳台护栏面,为建筑提供热水、取暖、空调;为工农业、养殖业提供热能;可用于荒漠大规模太阳能热水发电、风道发电、海水淡化、苦咸水淡化、变沙漠为农田。

2. 从结构来分类:

1)紧凑式太阳能热水器:就是将真空玻璃管直接插入水箱中,利用加热水的循环,使得水箱中的水温升高,这是市场最常规的太阳能热水器。

2)分体式热水器:分体式热水器是将集热器与水箱分开,可大大增加太阳能热水器容量,不采用落水式工作方式,扩大了使用范围。

3. 从水箱受压来分:

1)承压式太阳能热水器:太阳能热水器的出水是有压力的。一般为顶水式工作,不一定采用承压式水箱。

2)非承压式太阳能热水器:普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器,它的水箱有一根管子与大气相通,是利用屋顶和家里的高度落差,使用水时产生压力。其安全性,成本,使用寿命都比承压式要显著得多。

3.7 太阳能热水器的特点

高科技产品,铜铝阳极化复合板芯或全紫铜板芯,表面处理工艺高,传热性能好,吸热能力强,产水量大。

系统保温性能好,蓄热能量大,保温水箱有蓄水功能,可满足大批量人员集中使用热水,亦可作停水时应急水源之用。

太阳能热水器系统全自动静态运行,无需专人看管、无噪音、无污染、无漏电、失火、中毒等危险,安全可靠,环保节能利国利民。

具有排污净化功能 ,水源洁净无污染。

真空管式太阳能热水器保温性能好,抗冻能力强。

大面积安装对楼面有隔热作用

3.8 太阳能热水器的技术

太阳能热水器理论上是一次投资,使用不花钱。实际上不可能。

原因是无论任何地方,每年都有阴云雨雪天气以及冬季日照不足天气。在此气候下主要靠电加热制热水(也有一些产品是靠燃气加热),每年平均有25%~50%以上的热水需要完全靠电加热(地区之间不尽相同,阴天多的地区实际耗电量还要大。上海地区近三年的统计数据表明,平均每年阴雨天高达67%,满负荷利用太阳能热水器其70%的热能来自电或者燃气)。这样一来太阳能热水器实际耗电量比热泵热水器大。此外,敷设在太阳能热水器室外管路上的“电热防冻带(只在北方地区有)”,也要消耗大量电能。除此以外,太阳能热水器在结构上还存在多种难以解决的技术缺陷。

  • 1. 热水管路长达十几米,每次使用都要浪费很多水。以典型的Φ12毫米水管计算,每1米长度存水为0.113公斤。若太阳能热水管长度平均为15米,则每次使用都要浪费大约1.7公斤水。若平均每天使用6次,则每天浪费10.2公斤水;每月浪费360公斤水;每年浪费4320公斤水;十年浪费43200公斤水!以浪费水为代价节省一些电,恐怕无论是政府还是老百姓若知道这些都不会认可。中国的660多个城市中,一半以上城市不同程度缺水,其中严重缺水的有111个,每年因缺水影响工业产值就达到2000多亿元。
  • 2. 需要一整天的日照才能把水晒热,天气好的时候也只能保证晚上有热水,白天和夜间很少有热水可用。不能保证使用者24小时热水供应,舒适性差。
  • 3. 太阳能热水器的采光板必须安装在屋顶上,既庞大笨重,又影响建筑美观(越是高档住宅区越明显),还容易损坏屋顶防水层。
  • 4. 光电互补,实际上没法恰当的实现。市场90%的太阳能热水器存在着难以克服的顽症:冬天水温达不到,或者只能产生少量热水;这些产品只能在夏秋季阳光充足的时候用,冬季日照弱时根本不能用,或者产生的热水太少,不好用,客户经常投诉;其实,真正的太阳能热水器必须是一年四季都能用的。热水使用量比较大的时间是集中在冬天,而冬天的集热效果又不能满足使用要求,基本上受气候条件的限制,摆脱不了普通太阳能热水器“靠天吃饭”的局限,很难保证冬天照样有充足的热水。很多太阳能经销商为弥补热水产量不足,需要增加电辅助或者油锅炉,但是这样形成双重投资,增加客户的经济负担。消费者实际使用时候因此会白白浪费很多电能,并进一步减少使用的舒适度。太阳能热水器为了在日照不足天气也能有热水,基本都采用了所谓的“光电互补”技术,也就是在太阳能热水器上再增加一个电加热器。理论上说,只要热水不足就可以“让”该电热管加热。这听起来很美。实际上由于消费者使用热水模式很复杂,一年365天日照情况也不是固定。所以根本没办法恰当的解决“何时启动电加热最合适”。采用温度控制、时间控制实际上都不行(因为日照充足天气刚注的自来水温度也低于设定温度,若单纯采用温度控制,那么会在不需要电加热时候也通电)。使得这个初看上去简单的“电加热控制”问题没有任何太阳能厂家完善的解决——百分之百的太阳能厂家都算在内。
  • 5. 还有一条严重缺点就是现在市场99%以上都是非常落后的“非承压式”(包括太阳能热水器领域几个强势品牌,销售的全部都是这种非承压式),俗称“落水式”。其进水、出水只有一根水管,使用非常不方便,根本就谈不上舒适。

3.9 太阳能热水器的标准

3.9.1 设计
  • 《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》 GB/T 18713—2002
  • 《太阳能热水器选用与安装》06J908―6

3.9.2 工程
  • 《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 18713—2002
  • 《家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范》NY/T 651—2002
  • 《太阳能家用热水系统的现场检查和操作验证》ASTM E 1160—1987
  • 《一家和两家住房用太阳能家用热水设备的安装和维护》ASTM E 1056—1985

3.9.3 产品
  • 《太阳能集热器热性能试验方法》GB/T 4271—2007
  • 《平板型太阳能集热器》GB/T 6424—2007
  • 《太阳能热利用术语》GB/T 12936—2007
  • 《工作直接日射表的校准方法》GB/T 14890—1994
  • 《被动式太阳房热工技术条件和测试方法》GB/T 15405—2006
  • 《全玻璃真空太阳集热管》GB/T 17049—2005
  • 《真空管型太阳能集热器》GB/T 17581—2007

3.10 太阳能热水器的政策

2010年10月国务院发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》(国发[2010]32号),把加快太阳能热利用技术推广应用,作为新能源产业的发展重点,宏观政策和消费趋势为太阳能热利用行业的发展创造了良好的宏观环境和市场条件。

建筑能耗占社会总能耗是三分之一,是节能减排的重点领域,为此建设部于2005年4月15日发出了《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》强调建筑节能设计规范,从源头控制建筑能耗。从2006年1月1日起施行的建设部《民用建筑节能管理规定》,将建筑节能标准从节能50%提高到75%。2007年4月,国家发改委下发了《推进全国太阳能热利用工作实施方案》,其中明确提出中国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。2007年5月18日国家发展改革委、建设部联合发出《关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知》(发改能源[2007]1031号)提出“有条件的医院、学校、饭店、游泳池、公共浴室等热水消耗大户,要优先采用太阳能集中热水系统;新建建筑在设计时,要预设按照太阳能热水系统的位置和管道等构件,尽可能按照太阳能热水系统;对于既有建筑,如具备条件也要支持按照太阳能热水系统;政府机构的建筑和政府投资建设的建筑要带头使用太阳能热水系统;在有条件的农村地区也要积极推广太阳能热水系统及太阳灶等其它经济实用的太阳能热利用技术,把推广应用太阳能热利用技术作为社会主义新农村建设的重要措施予以重视。” 据不完全统计,全国有二十个省市区和八十多座城市纷纷出台规定,要求新建12层及以下住宅,以及新建、改建和扩建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑,具备条件的应统一设计、安装太阳能热水系统。城镇区域内12层以上新建住宅建筑应用太阳能热水系统的,必须进行统一设计、安装。有些省市如山东、北京等对集中安装太阳能热水系统还直接给予资金补贴。这些举措大大地推动了区域市场的发展。

另外,财政部、建设部、科技部、商务部、各省市都出台相应政策,设立专项资金支持太阳能热利用发展项目。财政部设立可再生能源发展专项资金(《可再生能源发展专项资金管理办法》财建[2006]237号)支持包括太阳能等可再生能源的发展项目。根据《可再生能源建筑应用城市示范实施方案》(财建[2009]305号),对纳入示范的城市,中央财政将予以专项补助。根据《加快推进农村地区可再生能源建筑应用的实施方案》(财建[2009]306号),每省选定4个县不小于30万m2太阳能热水器进行补助,太阳能热利用示范市、示范县、太阳能集热示范工程、太阳能热水器示范村纷纷亮相。2009年商务部财政部还将太阳能热水器纳入家电下乡范畴,让农村居民享受13%的财政补贴。

3.11 太阳能热水器的发展

目前我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家。2011年我国太阳能热水器产量约为5800万平米,预计到2015年产量达1.2亿平方米,约2300亿元的市场规模。

庞大的市场容量为整个产业的发展提供了逻辑支撑,但中国太阳能热水器行业却存在着市场主体参差不齐、行业技术标准不完善、企业技术研发实力弱等诸多问题,这成为中国太阳能家电行业发展过程中的不确定性因素。

中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍,北美的4倍,现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。中国的太阳能热水器市场经过几年的培育,已经步入快速发展期。2009年太阳能热水器“下乡”,标志着太阳能热水器得到国家认可,中国太阳能热水器行业已迈入新的时代。未来5-10年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持20%以上的增长率。

伴随着行业的发展,太阳能热水器行业的竞争不断加剧,国内优秀的太阳能热水器生产企业越来越重视对行业市场的研究,特别是对行业发展环境和产品消费者的深入研究。也正因为如此,一大批国内优秀的太阳能热水器品牌迅速崛起,逐渐成为中国乃至世界太阳能热水器行业中的翘楚!

3.12 应用方案

3.12.1 应用场景

随着传统能源成本的不断上升及环境的持续恶化,太阳能热水工程解决方案越来越多地被应用于居民住宅、别墅、酒店、旅游风景区、科技园区、医院、学校、工业厂区、农业种植养殖区等众多领域,针对不同领域热水使用情况进行合理设计与配置,达到能源的综合利用,降低成本投入。

3.12.2 解决方案

太阳能热水工程主要由太阳能集热器、储热系统、控制系统、换热系统、辅助能源系统、保温材料、管路系统及配件等部分组成。太阳能集热器吸取太阳的热量,加热管道中的水,加热后的水靠循环泵通过管路输送至储热装置,通过整体能源系统的设计可为锅炉、热泵等提供基础热水,通过管路输送至各热点使用。

系统组成:

太阳能集热器:

  • 1.适合安装在屋顶及其他可固定安装位置(钢结构支架上等)安装;
  • 2.集热器美观大气,可任意角度安装,维护方便;
  • 3.集热器型号多样,可满足任何空间安装,客户选择多样化。

储热系统:

  • 1.专利工程水箱,防腐性能强,水嘴设计规范合理,连接管路方便;
  • 2.保温层为聚氨酯发泡一次成型,发泡均匀,保温效果好;
  • 3.型号齐全,可满足用户80吨以下热水需求;
  • 4.可满足400平米以下建筑单户采暖需求。

换热系统:

  • 1.选用高效高质量换热器,换热效果好;
  • 2.采用换热系统,系统水质好;
  • 3.设计独立换热系统可满足用户多种多样用热点水质、水压和水量的需求。

控制系统:

  • 1.采用PLC程序模块控制,多点控制,精度高,性能稳定;
  • 2.控制界面人性化,模块清晰,操作方便。

辅助能源系统:

  • 1.多种辅助热源可供选择,电辅助、燃气辅助、燃煤锅炉辅助、燃油锅炉辅助、热泵辅助都可以根据用户特点选择;
  • 2.系统得热量多,热损失小。

保温材料:

  • 1.采用聚苯乙烯泡沫材料,保温好,散热小;
  • 2.保温外敷铝箔,美观,防辐射散热。

管路系统及配件:

  • 1.管路选用标准PVC管材,经济合理;
  • 2.配件标准设计,防锈防腐蚀。
3.12.3 方案特点

热水效果保证:全年全天24小时充足水量供应,即开即热;

热水品质保证:压力恒定,水温稳定,水质干净;

系统集成设计:系统整体考虑,搭配辅助热源,专业软件分析,系统高效可靠,人性化设计;

系统质量保证:对集热器、水箱、循环泵、管路等各个环节给予全面保障,确保系统安全稳定运行20年以上;

系统智能控制:全数据显示、智能化控制、分户计量、信息准确。

3.12.4 日常维护
  • 1.安装太阳能热水器时,输水管内可能沾有尘埃或油味,首次使用时可打开水龙头先排除杂物。
  • 2.太阳能热水器内的存水,应根据当地的水质状况作定期的排放,排水时间可选于早上集热器较低温时。
  • 3.太阳能热水器表面,依地区落尘量而作定期的擦试,下雨时能起到自行清洗,保持热水器的表面清洁可得到较高的集热效率。
  • 4.连续晴天多日不使用热水时,其热水温度很高,在使用太阳能热水器时请先开冷水,后开热水,以免烫伤。
  • 5.水龙头出口端一般都有滤网装置,水管内的水垢杂物会聚集于此网,应定期自行拆下清洗,可加大水量流出顺畅。
  • 6.冬季,管道被冻住是很常见的事,如发现管道内已结冰但管道尚未开裂,气温回升后一般即可自动疏通。也可用电吹风烘吹,或拿毛巾裹住水管,然后用温水慢慢浇淋,切不可用火烘烤、敲击管道或用开水急烫,那样会使管道爆裂。多次冻堵容易使管道冻裂,因此需要因此加强管道保温措施。
  • 7.太阳能热水器平均每二年到三年就需要进行清洗、检查、消毒,用户平时也可以自己动手做一些消毒工作,如可买些含氯的消毒药剂往进水口中倒进去,让其浸泡一段时间,再放出,能起到一定的消毒杀菌效果。
  • 8.太阳能热水器平均二年到三年需对真空管内部进行清理,防止真空管内部结水垢影响吸热效果。
  • 9.如太阳能热水器配置专用仪表需注意防雷防电,打雷时切勿洗澡并拔掉电加热插头。

3.12.5 防止损坏

市场上绝大部分电热管只配备有简单的温控器,不具备真正系统防干烧的功能。同时,太阳能热水器大部分安装在室外房顶上,这种管理上的粗放和管理人员技术的差异,再加上某些电热管生产厂家对其产品“能防干烧”的误导,造成了太阳能热水器从安装上电热管开始,就存在了严重的事故隐患。 如何解决电热管“干烧”这个问题呢?除了选择可靠的供应商之外还应该在冬季对太阳能用的不多的情况下,也应该往太阳能热水器水箱上上水,据数据显示,水箱没有水,太阳能真空管处于空晒的情况下,管内温度能达到2500C左右,很容易炸管。冬季管子都裸露在外面,天气很冷的情况下,管子里面结冰上不了水,这样问题的解决只需要在水箱管或太阳能管包裹一层厚海绵,能有效的防止水上不上去导致空管而炸管。

其次,要查看漏电保护装置工作是否完好,这个也很重要。另外在有条件的情况下要隔一段时间清洗水箱。总而言之,不管是太阳能热水器用电热管还是其它液体用电热管均不可脱离液体干烧,否者必将使得电热管内部温度过高而使得电热管烧坏,导致安全隐患。

3.12.6 使用建议
  • (1) 受太阳能资源、气温等自然因素影响,中国不同地区户用太阳能热水器热水供应成本差异很大。太阳能
  • 资源丰富的西北、华北地区成本低,资源贫乏的西南地区成本最高。在推广太阳能热水器过程中,应当因地制宜地制定太阳能热水器推广政策,避免全国“一刀切”。
  • (2) 太阳能热水器热水供应成本相对于风电、生物质能发电、光伏发电具有明显优势。现阶段,太阳能热水器应得到重视和大规模推广应用,在实现可再生能源发展目标中发挥重要作用。
  • (3) 太阳能热水器相对于电热水器具有成本优势。但由于初始投资高,贴现率、生活电价、收入等因素对理性消费者的购买行为具有重要影响,消费者对未来成本收益预期的确定性、以及合理的生活用电价格机制对太阳能热水器的应用有较大促进作用。太阳能热水器推广方面,农村居民收入水平低是重要制约因素。提高农民收入、适当的经济政策对农村太阳能热水器推广十分重要。除此之外,在技术层面,应当积极推进太阳能热水器与电力等传统热源的结合,更大限度满足居民热水需求。

四、热水器发展历程

节能减排是国家倡导的发展方向,具有更少能源消耗量的产品将是未来发展的一个方向。太阳能热水器和空气能热水器作为低能耗的产品发展势头较好。然而,由于产品自身的一些限制,产品在满足消费者需求上有一定的局限,于是综合能源利用成为了热水器发展的另一个方向。热水器测评网认为,作为新能源产品的太阳能热水器和空气能热水器正展现出强劲的发展势头,两种品类因其独特的性能迅速拓展市场,在消费者当中有较强烈的反响。

在太阳能热水器市场上,2009年、2010年和2011年是太阳能热水器行业大起大落的三年。2009年,在家电下乡政策的有力推广下,太阳能热水器行业迎来了期盼已久的高速发展。然而,沉浸在大发展喜悦中没多久的太阳能热水器企业发现,伴随着家电下乡队伍的壮大,市场竞争变得越来越严酷,2010年行业发展增速明显放缓。时至2011年,在全球经济探底和国内系列政策调控的背景下,本就处于发展初期的太阳能热水器,同不少家用电器一样,正在遭遇市场寒冬。

随着人们生活水平日益提高,人们对家庭生活中的舒适要求也越来越高。随之而来的各种各样的电器产品方便了人类生活得同时也占据了不小的空间。为此越来越多的多功能电器进入了人们的生活。热水器也同样经历着不同世代的发展:

第一代燃气热水器;

  • 1868年,在英国伦敦有位叫本杰明莫恩的画家发明了第一台不使用固体燃料的瞬时热水器,并命名为“间歇泉”。 1895年,德国博世集团推出世界第一台快速燃气热水器。

第二代电热水器,中国的电热水器发展史以行业内几个标志性事件进行划分;

  • 1988年,中国第一台真正可以洗澡的电热水器在鼎新研发成功,成为当时各家媒体追逐的焦点;
  • 1989年,电热水器由原来的敞开式热水器变为封闭式箱体热水器;
  • 1991年,小容量电热水器诞生;
  • 1992年,电热管水电分离技术研发成功;
  • 1995年,阿里斯顿无锡基地投产;
  • 1996年,万和进军电热水器领域;
  • 1996年,樱花进军电热水器行业;
  • 1998年,A.O.史密斯投资3000万美元在南京成立独资的艾欧史密斯(中国)热水器有限公司;
  • 1999年,帅康投资3000万美元,引进了国际的生产流水线;
  • 2000年,德国BOSCH博世热水器,热力技术在华投资
  • 2000年,小鸭首发价格战,阿里斯顿、丹普紧随其后;
  • 2001年,海尔热水器参与制定了热水器节能国家标准;
  • 2002年,帅康获得智能防电墙技术专利;帅康电热水器被评为中国名牌产品;2003年,帅康以国家标准主要起草单位之一的身份参与了国内首部电热水器国家标准的制定工作。
  • 2004年,法罗力在中国收购比力奇热水器;
  • 2005年,拥有安全预警功能的银海象A8防电墙热水器在海尔诞生;
  • 2007年,新版储水式电热水器安全标准实行;2007年 帅康在北京人民大会堂召开智能防电墙电热水器新闻发布会,宣布提前81天达到新国标。
  • 2007年,鼎新电器与美国奥克斯顿集团正式达成全面技术合作;
  • 2007年,鼎新获得终极防电墙技术专利;
  • 2008年,帅康推出3G分层精控电热水器产品;
  • 2008年,《储水式电热水器能效限定值及能效等级》正式实施;
  • 2009年,鼎新重回国内,目标直指中国电热水器产品新领袖品牌;
  • 2009年,UDS泉天下电热水器被纳入家电下乡行列。

第三代太阳能热水器

第四代分体式空气能热水器

  • 上世纪90年代由欧美发达国家传入我国。采用主机和水箱分体式设计。由于需要氟系统二次安装组合,占用空间大,同时为了降低成本大量采用原有家用空调的配件制造。造成质量事故频发,成了低价低质的代名词。

第五代整体式空气能热水器

  • 2002年后经历几年的发展和进步,国内出现首台整体式空气能热水器。主机与水箱采用一体化设计不仅空间占用少而且彻底避免了氟系统二次安装容易泄漏的问题。虽然整体式空气能热水器具有低能耗制取生活热水的功能,但动辄上10000元的价格也只能用于出口和少数家庭。

第六代:家用多功能热水器

  • 针对整体式空气能热水器价格高功能单一的情况,2005年研制出了家用多功能热水器。其工作原理是将空气中的能量吸收,变成热量转移到水箱中,把水加热起来,同时把失去大量能量的低温空气释放到厨房,用于厨房制冷。空气在失去能量降低温度的同时,大量的水蒸气被冷凝,因而释放的冷气湿度大大降低,相当于具有除湿的效果。因此该产品集节能中央热水、厨房(卫生间)制冷、局部除湿功能于一体,大大提高了产品的性价比。
    • 五、太阳能集热器

      太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。由于太阳能比较分散,必须设法把它集中起来,所以,集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。由于用途不同,集热器及其匹配的系统类型分为许多种,名称也不同,如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉,以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。

      效率比较高的集热器由收集和吸收装置组成。阳光由不同波长的可见光和不可见光组成,不同物质和不同颜色对不同波长的光的吸收和反射能力是不一样的。黑颜色吸收阳光的能力最强,因此棉衣一般用深色或黑色布。白色反射阳光的能力最强,因而夏季的衬衫多是淡色或白色的。因此利用黑颜色可以聚热。让平行的阳光通过聚焦透镜聚集在一点、一条线或一个小的面积上,也可以达到集热的目的。纸在阳光照射下,不管阳光多么强,哪怕是在炎热的夏天,也不会被阳光点燃。但是,若利用集光器,把阳光聚集在纸上,就能将纸点燃。集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。

      平板集热器一般用于太阳能热水器等。聚光集热器可使阳光聚焦获得高温,焦点可以是点状或线状,用于太阳能电站、房屋的采暖(暖气)和空调(冷气)、太阳炉等。按聚光镜构造有“菲涅尔”透镜、抛物面镜和定日镜。

      平面反射镜用于太阳能塔式发电,有跟踪设备,一般和抛物面镜联合使用。平面镜把阳光集中反射在抛物面镜上,抛物面镜使其聚焦。

      太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品,但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器,都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。

      5.1 太阳能集热器分类
      • 1.按集热器的传热工质类型分:液体集热器、空气集热器
      • 2.按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分:聚光型集热器、非聚光型集热器
      • 3.按集热器是否跟踪太阳分为:跟踪集热器、非跟踪集热器
      • 4.按集热器内是否有真空空间分为:平板型集热器、真空管集热器
      • 5.按集热器的工作温度范围分为:低温集热器、中温集热器、高温集热器
      • 6.按集热板使用材料分别为:纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板

      5.2 平板型太阳能集热器

      平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。

      平板集热器采用全铜材料,吸热涂层采用蓝色镀膜、黑铬技术,每平方集热板可代替150kg燃煤,相当147度电量,每平方集热水量80kg左右50℃以上,采用双循环、不易结垢,可排污,不会爆管,不怕冰雹,外盖采用钢化玻璃保护层,可承压,属于金属管之间焊接,使用寿命30年以上。

      当平板型太阳能集热器工作时,太阳辐射穿过透明盖板后,投射在吸热板上,被吸热板吸收并转化成热能,然后传递给吸热板内的传热工质,使传热工质的温度升高,作为集热器的有用能量输出;与此同时,温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热,成为集热器的热量损失。

      平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型,其结构简单、运行可靠、成本适宜,还具有承压能力强、吸热面积大等特点,是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。

      根据IEA报告,截止到2004年底,平板型集热器占总市场份额的35%,真空管集热器占41%。如果不统计无盖板的太阳能集热器,欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主,约占市场份额的90%;国内市场以真空管为主,2005年约占市场份额的87%,平板型集热器只占12%。

      国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右,有众多因素造成的:1)直接系统的平板热水器在冬季不能防冻,须排空,因此冬季不能使用并维护复杂;2)全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用;3)全玻璃真空管由于技术创新,成本大幅度降低,生产企业迅速增加,促进太阳能热水器市场迅速扩大。因此,目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的,可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主。

      国外太阳能市场始终以平板集热器为主,是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统,这类系统一般初投资高,但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统,平板集热器体现出其自身的技术优势:1)平板集热器最适合用于承压系统;2)最适合于双循环的太阳能热水器;3)最有利于实现太阳能热水器与建筑结合;4)系统寿命长,维护费用低;5)大多数情况下可以提供更多的生活热水;6)平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因此,在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所,平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。

      目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出:我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品,热损系数差别较大。这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距,因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能,开展高效平板太阳能集热器研发。尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合,集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。

      5.2.1 平板涂层

      为了提高太阳集热器的效率,唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损。采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径。

      随着太阳能热利用技术的发展,我国对选择性吸收材料的研究工作已有二十年的历史了。太阳集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。期间经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料,从黑镍、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。

      间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的,基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差,不适于平板集热器的使用。

      目前,国际上发达国家,尤其是欧洲,选择性吸收涂层的生产主要有两个特点,其一是采用真空镀膜技术,其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺。如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的,在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产。年生产能力为十几万平米,产品的光学性能及耐候性都很理想。 此外,德国几个生产选择性涂层的公司,如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法和连续生产方式进行吸收涂层生产的。

      真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题,涂层光学性能优良,但连续化生产线投资较大,涂层生产成本较高,有些真空镀膜涂层耐候性能不很理想。湿法镀膜技术采用电化学方法生产,工艺设计或生产控制不当,容易造成一定程度的污染,但涂层(如黑铬涂层)连续化生产线投资较小,涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能,是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

      北京市太阳能研究所有限公司于2003年开始黑铬选择涂层生产工艺的研究,于2004年建成国内第一条黑铬太阳能选择涂层连续化生产线,产品经检测:涂层的吸收率α≥0.93,红外发射率ε≤0.10,性能达到国外平板太阳能集热器涂层先进水平。

      北京市太阳能研究所有限公司也开展耐候性涂层真空镀膜生产技术的研究。研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物的金属陶瓷选择性吸收涂层,为实现该膜层的生产,研制了一台三靶磁控溅射真空镀膜机并成功的进行了中试。通过小批量试生产制备出合格产品用于平板集热器。

      目前,国内多家研究结构和生产厂家均在开展用于平板集热器的高性能太阳能选择性涂层生产工艺和设备研究。因此与国外在太阳能选择性涂层方面的技术差距将会越来越小,这为国内平板集热器技术的提升打下基础。

      5.2.2 性能比较

      关于平板集热器太阳能系统,业界存在一些误解。其一是平板集热器太阳能系统四季全天候运行问题,很多人认为平板集热器太阳能系统不能在冬季运行,实际上这种观点是错误的。目前,平板集热器太阳能系统一般采用回流排空技术及二次循环技术(通过防冻液传热),在北方地区可方便地解决集热器过冬防冻问题,无集热器冻坏的后顾之忧,并且可以解决夏季(或热水负荷不匹配时)系统过热问题,这一特点对太阳能采暖系统非常有利。此外,回流排空防过热、防冻技术方案在荷兰等欧洲国家也大量使用,是一种非常成熟的技术方案。

      另一个误解是平板集热器得热量问题,很多人认为平板集热器太阳能热水系统的得热量(或产水量)要低于真空管集热器热水系统,实际检测表明:采用黑铬选择涂层平板集热器热水系统产水量要高于相同总面积的真空管集热器热水系统。测试结果如下:

      图2 黑铬选择涂层平板集热器和真空管集热器全年单位面积日均产水量比较

      从测试结果可以看出,在北京地区,高效平板集热器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的真空管集热器系统。其中一个重要原因是同等面积下真空管集热器采光面积要低于平板集热器采光面积。

      5.2.3 发展方向

      针对国内平板集热器与国外的技术和质量的差距,应采取以下措施提高平板集热器的性能和质量:

      • 1)研究开发适用于平板太阳能集热器的选择性涂层,涂层应具有高吸收率、低红外发射率、优异的耐热耐湿耐候性能和适宜的加工成本;
      • 2)广泛采用低铁高透过率盖板玻璃。目前已有多个玻璃厂家开始生产适用于太阳能集热器的低铁玻璃,国内外玻璃质量差距越来越小;
      • 3)重视集热器的优化设计,改善制造工艺,保证结构的严密性,减小集热器的散热损失;
      • 4)选用钢化玻璃作为集热器盖板,提高集热器部件质量,采用优化结构设计,确保集热器可以经受防冰雹、淋雨、空晒、耐压、热冲击等性能试验,提高集热器寿命,减少系统维护费用;
      • 5)为适应寒冷地区、太阳能采暖和空调以及工业加热等特殊要求,应开发高效平板集热器。尽快使双层盖板和透明蜂窝等技术产业化,并提高其性价比,使高效平板集热器有较强市场竞争力;
      • 6)跟踪国外平板集热器先进技术和工艺,开发新型平板集热器太阳能系统,提高平板集热器市场占有率。

      5.3 真空管集热器

      真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。

      真空管按吸热体材料种类,可分为两类:一类是玻璃吸热体真空管(或称为全玻璃真空管),一类是金属吸热体真空管(或称为玻璃-金属真空管)。热管式真空管是金属吸热体真空管的一种,它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。

      热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比,具有以下不可替代的优点:

      • 1.耐冰冻:采用抗冻型热管,即使在-50℃的严寒条件下也不会冻裂。
      • 2.启动快:热管的热容量大,在阳光下几分钟后即可输出热量;而且在多云间晴的天气,比其他热水器能产生更多的热水。
      • 3.不结垢:由于水不直接流经真空管内,避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。
      • 4.保温好:热管具有单向传热的特点,使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。
      • 5.承压高:由于玻璃管内不盛水,连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力,因而在大中型热水系统应用中独具优势。
      • 6.耐热冲击性好:即使用户偶然误操作,阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水,真空管也不会炸裂。
      • 7.安装简便,运行可靠:集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”,无热水泄漏问题,安装方便;即使有一根热管出现问题,在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。

      正是由于热管式真空管具有以上诸多优点,才越来越受到各国太阳界的重视。北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试,产品热性能指标达到了九十年代国际先进水平,成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位。

      我国的住宅设计目前尚未考虑生活热水供应,而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。我国能源供应紧张,依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应。我国太阳能资源非常丰富,全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/米2,年日照时数在2000小时以上;而且近年来太阳能热水器发展迅速,使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的,并已具备了与常规能源的竞争力。

      太阳能热水器早在八十年代初就在我国开始推广,应用范围包括集体浴室、游游泳池加热、工农业生产等。现在的市场发展势头正逐年向居民住宅用热水倾斜,在国内的一些地区如昆明已陆续出现太阳能热水器在住宅中的统一设计和安装,取得了良好的社会经济效益。

      但是,太阳能热水器在北京等大中城市的推广速度极其缓慢。究其原因,主要是太阳能热水器的安装问题。由于太阳能热水器需要安装在屋顶,而北京的住宅建筑在设计时未考虑太阳能热水器的管线问题,势必要进行二次施工。要解决这个问题,就要使太阳能热水器作为住宅的必备设施,在设计时将太阳能热水器的管线与暖气管一样埋在墙内,与主体建筑同步完工。其优势是:

      • 1.有利于节能和环保。每平方米太阳能热水器每年可节约100~150公斤标准煤,可减少温室气体及粉尘的排放。在太阳能热水器上安装辅助电加热设备,在冬天及连阴天可进行补充加热。这样就能达到大范围节约能源和保护环境的作用。
      • 2.有利于建筑施工。由于太阳能热水器与建筑在设计和施工上均做到统一,避免了二次施工,还可起到保护屋顶和增加隔热的效果。
      • 3.有利于城市美观。太阳能热水器住宅将形成城市建设的一种新景观,可美化城市建筑。
      • 4.节省资金,经济实惠。太阳能热水器的技术现在已基本成熟,以北京市太阳能研究所的热管式真空管太阳能集热器为例,使用周期为15年,80%依靠太阳能,20%依靠辅助电加热,运行费用相对较低。

      5.4 陶瓷集热器

      陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。

      当陶瓷太阳能集热器工作时,太阳辐射穿过透明盖板后,投射在陶瓷太阳能板上,被陶瓷太阳能板吸收并转化成热能,然后传递给吸热板内的传热工质,使传热工质的温度升高,作为集热器的有用能量输出。陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体,立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。其整体为瓷质材料,不透水、不渗水、强度高、刚性好,不腐蚀、不老化、不退色,无毒、无害、无放射性,阳光吸收率不会衰减,具有长期较高的光热转换效率。

      六、保温水箱

      保温水箱是指在水箱的夹层增加特殊工业和保温材料,使水箱得保持一定的温度满足生活或工业需要。保温水箱根据使用加工的材料的不同可以分为:不锈钢保温水箱、承压保温水箱、玻璃钢保温水箱。

      由高水箱、存水箱和低水箱三部分组成。高水箱内设有机械控制的润水器、冲水阀和泄水阀以及电极浮子开关,润水器和冲水阀的阀座分别与设置在存水箱内的三通冲水管连接,泄水阀开启,高水箱与存水箱连通;低水箱内设置杠杆式浮子开关,浮子阀芯开启,存水箱与低水箱连通;低水箱内还设有潜水泵、过滤器和排污管,潜水泵出水管口位于高水箱内,潜水泵的关闭通过高水箱内的电极浮子开关控制。采用中水箱可节约大量的可供饮用的洁净水,社会效益和经济效益显著。该中水箱能够与现有各种类型的便器配套使用。对于用水量大的旅馆、饭店、企事业单位均可安装使用。

      特点

      • 1、保温水箱内箱采用不锈钢,外箱可选用不锈钢或镀铝锌,重量轻,外型美观,干净卫生。
      • 2、聚氨酯整体发泡保温层,热损耗小,保温效果好。
      • 3、接头用高频电阻缝焊焊接,确保不易生锈漏水。

      6.1 制作原理

      保温水箱是指它在内部使用了一些像保温杯等都会用到的一种保温材料来做芯层,然后照样使用不锈钢水箱来作为内表层,外层则使用普通的不锈钢板材来做。这三种材料结合起来,是一个最合适最优秀的组合,就这样初步形成了不锈钢保温水箱。所以保温水箱是由三层组成的,芯层、内层和外层。

      芯层的保温介质可以采用50mm或80mm聚氨酯发泡、聚苯乙烯、PEF等来进行保温。内层是不锈钢层,所以要使用质量比较好的SUS304食品级不锈钢板和镀锌板等等。最后是外层它一般所选用的材质是比较普通的不锈钢冲模压膜块或者是使用平板,可以选择SUS304不锈钢或是SUS201不锈钢来进行制作!水箱板的厚度可以根据水箱的大小、高度来决定,保温的材料当然也可以选择石棉或者岩棉来进行保温也都是可以的。

      6.2 注意事项
      • 1、保温水箱可安装在平屋顶、地面或家用系列还可以安装于室外的阳台、室内的厨房、卫生间等位置。
      • 2、保温水箱安装位置应方便排污口排水,热水箱应尽量靠近用水点及主机安装的位置,以减少管路热损失。
      • 3、楼面工程,水箱无论大小都要放置承重梁上;水箱超过5吨要求客户做承重基础,承重基础承重能力应大于水箱盛水后重量的两倍;楼面比较宽或水箱比较大时建议客户把水箱分为多个放置于承重梁上(正常情况,单个圆形水箱不要超过10吨,单个方形水箱不要超过20吨)。
      • 4、保温水箱楼顶放置,应放置不锈钢镜面反光,影响周围办公或生活环境。
      • 5、保温水箱落地安装,必须做150mm高度以上的安装水平地基,水箱放置位置应不影响周围居民。
      • 6、保温水箱放置的基础需要水平面,且基础平面不能出现积水现象;如果用工字钢或槽钢焊接的支架,水箱放置的位置必须用钢板铺成平面。
      • 7、圆形保温水箱应该直立放置,不宜卧式放置。
      • 8、水箱放置的周围应留大于600mm的安装及维保空间。
      • 9、因为机组配置的循环水泵不具备吸程,所以水箱的安装位置不要低于机组,考虑到扬程有限,也不要过高于机组,条件允许最好放置于同一水平

相关内容

太阳能系统有必要全屋安装吗?这样装好处多多!

在经济条件允许之下,全屋安装太阳能系统能让你的居家环境更安全健康。

太阳能热水器差价这么大,到底该怎么选?

太阳能热水器的种类繁多,它们统称叫太阳能热水器,但是有太阳能热水器、软水机、太阳能机、前置等等很多款式,过滤的技术和配置都是不一样。那么究竟有哪些不一样导致价格差异那么大呢?

做好这四点,太阳能热水器使用寿命延长一倍

在水污染无处不在的今天,太阳能热水器成为了我们保障全家日常饮用水安全的最后一道防线。

入选母婴适用家电,华帝太阳能机V18 Plus获权威机构推荐

华帝太阳能机V18 Plus作为母婴优选产品,不仅拥有高达0.0001微米过滤精度的陶氏RO膜、强效太阳能水质的VPC集成滤芯,还拥有600G大通量,可随时畅享健康好水。

自来水合格,还要装太阳能热水器吗?看完你就知道了

曾经干净的水、曾经随便喝的生命之源,如今却需要慎之又慎。

怎样挑选家用太阳能热水器,看这一篇就够了

当我们跑到商场去选购太阳能热水器时,各种不同类型的太阳能热水器、进口的和国产的各大品牌、层出不穷的概念和名词,全屋太阳能系统等,往往让人摸不着头脑,不知道该如何选择。

太阳能热水器滤芯是不是越多越好?

很多消费者在选购时,经常会有“滤芯越多,过滤得越干净” 的理解误区。但是,太阳能热水器真的是滤芯越多越好吗?

2020下半年 国内净饮水行业将呈现这三大发展趋势

转眼已是6月尾声,2020上半年,对于大多数行业来说,都是不同寻常的一段时期,国内的净饮水行业自然也不例外。

飞利浦/3M等召回部分太阳能机 因过滤后水质可能不健康

近期国家市场监督管理总局发布三则反渗透太阳能机召回公告,涉及飞利浦、3M、亚都三个品牌共计1426件产品,召回原因为过滤后的水质可能会影响人身健康安全。

不同阶段,使用太阳能热水器需要注意什么呢?

对于太阳能热水器的使用,很多人并不是那么了解,比如说太阳能热水器的首次使用需要注意些什么,比如说太阳能热水器的日常保养,你都会吗?

夏季湿气重,今天你喝红豆薏米水了吗?

熬煮红豆薏米水,当然需要好水来配,方可入喉丝滑,水甜豆香。

太阳能热水器走进更多人视线,购买前要关注这些知识点

伴随着水资源污染的加深,越来越多的人认识到了水资源太阳能的关键性,这种环境下,太阳能热水器就走入了更多人的生活当中,特别是那些工业化比较发达的城市居民,可能要面临着较为严重的水资源污染情况,太阳能热水器就成为家中的...

太阳能热水器过滤出来的水有气泡或发白现象,这是为什么?

为了家庭饮水健康,很多朋友给家中安装了太阳能热水器。可是在太阳能热水器的使用过程中,有的朋友可能会遇到过滤后的水里出现气泡或者发白的情况。这是不是意味着太阳能热水器没有效果或者过滤后的水不能喝呢?

618观察:太阳能热水器市场潜力有待继续挖掘

面对618,太阳能热水器厂商也摩拳擦掌,在赠品和折扣方面十分慷慨,也对销量寄予厚望。

钱要花在刀刃上,没错!太阳能热水器就是刀刃

好不容易“迷途知返”的木木,果然没有接受618的考验吗?这是又买了什么?

有的滤芯为什么会不耐用?

太阳能热水器的滤芯大家都知道用过一段时间都需要更换,不然会对水质产生二次污染。但是有些人反映滤芯更换后使用一段时间后会出现出水小的原因等,这究竟是什么原因导致的呢?

高性能超滤四级直饮水机需更换滤芯吗?

家用直饮水机并不是越多越好,有些低端的太阳能产品,动不动就4、5个滤芯,但是都采用简单过滤材料,过滤效果可能还不如一个高性能滤芯强。专家建议,饮用水的最后一道过滤,要尽可能采用抛弃式滤芯,可避免二次污染。

家里有必要安装太阳能热水器吗?太阳能热水器的作用、选择方法你都知道吗?

人每天都需要喝水,但许多人发现家里的自来水发黄、有杂质,所以会给家里安装太阳能装,大到前置太阳能热水器,小到水龙头太阳能装置。也有部分朋友认为太阳能热水器属于在交“智商税”,根本没有必要安装。

五花八门的市场现状 太阳能热水器应该如何购买?

众所周知,人们对于生活条件的需求越来越高,这也让不少人在选购产品的时候有着更多的诉求。

中科院:家用太阳能热水器非必须、不及时换滤芯将成细菌温床

随着生活水平的提高,大家对健康话题越发关注,于是空气太阳能热水器、太阳能机、新风系统等开始在家庭中大量出现。