如何判定全玻璃真空集熱管性能好壞

1、如何判定全玻璃真空集熱管性能好壞全玻璃真空太陽集熱管（以下簡稱真空集熱管）是當(dāng)前我國太陽能光熱領(lǐng)域產(chǎn)量最大，使用最廣，節(jié)能效果最突出的太陽熱水系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)元件。所以它的性能好壞，直接關(guān)系到熱水器的熱性能。目前，國內(nèi)生產(chǎn)真空集熱管的廠家與品牌眾多，技術(shù)水平參差不齊，價(jià)格高低懸殊，宣傳口徑也很不一致。那么，怎樣判斷真空集熱管的性能好壞呢？    國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員在2005年5月25日聯(lián)合發(fā)布了新的國家標(biāo)準(zhǔn)全玻璃真空太陽集熱管（GB/T 170492005）。新標(biāo)準(zhǔn)自2005年11月1日開始實(shí)施，從而取代了1997年發(fā)布，已經(jīng)實(shí)施達(dá)8年之久

2、的舊標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 170491997）。因此，我們判斷真空集熱管的性能優(yōu)劣，只能以新發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。新舊標(biāo)準(zhǔn)相比，主要技術(shù)內(nèi)容變化有：    提高了真空集熱管及其材料的光熱性能指標(biāo)    增加了罩玻璃管直徑為58mm的真空集熱管的技術(shù)規(guī)定增加了真空集熱管的真空品質(zhì)檢測    增加采用鋼球進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)1.太陽透射比    新國標(biāo)中規(guī)定的玻璃管材料的太陽透射比 0.89（AM1.5）。這是針對(duì)名為“硼硅玻璃3.3”的一種高硼硅玻璃材料的理化性能指標(biāo)。 

3、60;  “硼硅玻璃3.3”的平均線熱膨脹系數(shù)（20300）=（3.3±0.1）×10-6K-1。我們習(xí)慣把它稱為“硼硅玻璃3.3”。用“硼硅玻璃3.3”制作的玻璃管，其太陽透射比0.89（AM1.5）?！癆M1.5”即大氣質(zhì)量為1.5。    所有制作真空集熱管的廠家，都會(huì)說自己使用的原材料是“硼硅玻璃3.3”。但是，如果制作真空集熱管的玻璃不是“硼硅玻璃3.3”，或是其含有過多的其他元素（如鐵），玻璃顏色就會(huì)帶有其他顏色（如綠色）。這樣的玻璃材料制作出的真空集熱管，太陽透射比會(huì)大大低于0.89（AM1.5），因而嚴(yán)重影響集熱管的熱

4、性能。    2.太陽吸收比與半球發(fā)射比    太陽吸收比與半球發(fā)射比是對(duì)太陽選擇性吸收涂層的技術(shù)要求。    新國標(biāo)規(guī)定：吸收涂層的太陽吸收比0.86（AM1.5），與舊國標(biāo)相同。半球發(fā)射比h0.080(80±5)，比舊國標(biāo)（0.09）降低了0.01；對(duì)于真空集熱管來說，既要有較高的太陽吸收比，還要有很低的發(fā)射比，集熱管的熱效率才會(huì)得以提高。因此，這是兩個(gè)極為重要的參數(shù)。    目前，我國制作真空集熱管普遍采用的仍然是多層鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層制造技術(shù)。這一

5、技術(shù)是清華大學(xué)殷志強(qiáng)教授和他的同事們于1984年發(fā)明，1985年申報(bào)國家專利，1987年獲得批準(zhǔn)的（專利號(hào)：zl851001424）。    這一技術(shù)的基本原理是在鍍膜機(jī)內(nèi)，設(shè)置單圓柱鋁靶的磁控濺射系統(tǒng)。鍍膜機(jī)內(nèi)一次裝載數(shù)十只作為集熱管內(nèi)管的玻璃管，在“行星”機(jī)構(gòu)傳動(dòng)下，玻璃管做公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)。立式圓柱鋁靶在中心位置，在氬氣中非反應(yīng)濺射沉積鋁底層，再注入流量可控的氮?dú)?，制備多層鋁氮復(fù)合薄膜材料作為吸收層。    這一被稱為漸變鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層的制造技術(shù)，其太陽吸收比可達(dá)0.93，發(fā)射比約0.05（80）。這是世界上第一次只采用

6、一種金屬材料，既制備金屬底層又制備復(fù)合薄膜材料的選擇性吸收涂層。清華陽光公司利用此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的曬樂牌紫金系列真空集熱管，經(jīng)國家輕工業(yè)玻璃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測，其太陽吸收比=0.95（AM1.5）；半球發(fā)射比h= 0.050（80±5）。    殷志強(qiáng)教授發(fā)明的漸變鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層的制造技術(shù)所需的真空設(shè)備比較簡單，工藝控制更為方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收涂層。因此，這一研究成果迅速推動(dòng)了我國太陽能光熱利用的發(fā)展，同時(shí)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，獲得了較高的評(píng)價(jià)。2005年，殷志強(qiáng)教授在世界太陽能大會(huì)上榮獲“維克斯實(shí)業(yè)成就獎(jiǎng)”和中國

7、發(fā)明協(xié)會(huì)頒發(fā)的“發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)”特等獎(jiǎng)，并被授予“當(dāng)代發(fā)明家”榮譽(yù)稱號(hào)。    目前，國內(nèi)還出現(xiàn)了使用鋁、不銹鋼、銅三靶鍍膜的技術(shù)。這種鍍膜技術(shù)生產(chǎn)的真空管被稱為干涉型吸收涂層，它雖然有可能生產(chǎn)出比漸變型選擇性吸收涂層更高的太陽吸收比和更低的發(fā)射比，但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陰極材料利用率低，性能與漸變膜又無太大提高，在實(shí)際應(yīng)用中并未普及。僅有一些廠家利用此項(xiàng)技術(shù)，制作了少量的集熱管，價(jià)格也很昂貴。因此，其宣傳效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的使用效果。市場上，一些經(jīng)銷商提出的所謂干涉型膜淘汰漸變型膜工藝，純屬無稽之談。 實(shí)際上，漸變鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層的層與層之間，同樣

8、存在著干涉，原理上是相同的，只是強(qiáng)調(diào)點(diǎn)不一致而已。3.集熱管材料性能文字表述部分    值得指出的是舊國標(biāo)中關(guān)于抗機(jī)械沖擊用“應(yīng)在徑向尺寸不大于25mm的冰雹襲擊下無損壞”的描述，被更加科學(xué)，更加準(zhǔn)確的“應(yīng)承受直徑30mm的鋼球，于高度450mm處自由落下，垂直撞擊集熱管中部而無損壞”所取代。這實(shí)際上是對(duì)玻璃管的強(qiáng)度提出了更高的要求。    一些集熱管廠家為了降低成本和售價(jià)，以較薄的玻璃原材料制作集熱管，雖然每噸集熱管能多出幾十只集熱管，但卻是以犧牲集熱管強(qiáng)度為代價(jià)的。生產(chǎn)廠家應(yīng)當(dāng)明確，如果不能“承受直徑30mm的鋼球，于高度450m

9、m處自由落下，垂直撞擊集熱管中部而無損壞”。 這樣的集熱管，實(shí)際上是不合格的。    另一方面，個(gè)別廠家把集熱管的外表做得很漂亮，鍍膜顏色瓦藍(lán)、釉亮（實(shí)際上，這種集熱管的鍍膜層數(shù)少、膜層薄，鍍膜時(shí)間短，真空度很低），實(shí)測結(jié)果，其太陽吸收比遠(yuǎn)未達(dá)到國標(biāo)的要求。這樣的真空集熱管市場售價(jià)很低，但絕不能采用，因?yàn)樗麄兊臒嵝屎艿汀Ｏ喾?，一些著名廠家更加注重的是真空集熱管的內(nèi)在性能。他們?cè)谡婵斟兡すに囈?guī)范上毫不含糊，生產(chǎn)出的真空集熱管，作對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)熱水的溫度往往高出對(duì)比管34。    談到鍍膜的顏色，一般來說，漸變鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收

10、涂層的顏色是藍(lán)色偏黑。但也有時(shí)鍍膜的顏色不甚一致。人們可能就此懷疑真空集熱管的質(zhì)量是否出現(xiàn)問題。其實(shí)，這是一種誤覺。集熱管的顏色與熱性能沒有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。太陽能光譜范圍在0.352.5m，這是一個(gè)相當(dāng)寬的波長范圍。在這么寬的波長范圍內(nèi)，人們?nèi)庋勰芸吹降目梢姽庾V的波長只有0.4<<0.7m，這是太陽光譜中很窄的一端。在生產(chǎn)中，往往使用分光光度計(jì)來調(diào)試鍍膜機(jī)。由于每臺(tái)鍍膜機(jī)的性能參數(shù)不同，膜色是有可能出現(xiàn)些許偏差的，這并不影響真空集熱管的集熱效率。全玻璃太陽真空集熱管的選擇性吸收涂層顏色應(yīng)均勻，膜層不得起皮或脫落。理想的吸收表面應(yīng)該是黑色的，所以也有把吸收表面俗稱黑膜的，但由于可見光

11、光譜范圍僅為太陽光譜的一小部分，所以看起來吸收表面黑并不一定表示吸收表面的熱性能好。實(shí)際上的吸收表面往往是黑里偏藍(lán)、或偏黃、偏紫。新國標(biāo)中有關(guān)熱性能的參數(shù)    1.空曬性能參數(shù)    定義：空曬溫度與環(huán)境溫度之差與太陽輻照度的比值。    本參數(shù)表示在特定的日照強(qiáng)度（太陽輻照度G800W/m2，并在15分鐘內(nèi)，太陽輻照度變化不大于±30 W/m2）和特定的環(huán)境溫度（8Ta30）下，集熱管內(nèi)不充水空曬，即以空氣為傳熱工質(zhì)，在規(guī)定的時(shí)間（每隔5分鐘記錄一次，共記錄4次，取平均值）內(nèi)，溫度的升高與輻

12、照量的比值。公式：空曬性能Y=(Ts-Ta)/G；國標(biāo)GB/T170492005規(guī)定：Y190m2/kW。空曬性能參數(shù)在一定程度上表示集熱性能的高低?？諘裥阅軈?shù)Y值大于或等于190m2/kW，方為合格，Y值越大越好。    現(xiàn)在市場上有些品牌的集熱管吹噓自己“空曬溫度不低于400”。這種連標(biāo)稱單位都不正確的參數(shù)，只能說明這個(gè)數(shù)值可能沒有經(jīng)過正規(guī)檢測單位的科學(xué)測量，或是根本就不明白空曬性能參數(shù)Y的實(shí)際含義。因?yàn)?，即使采用CPC聚光器空曬時(shí)，集熱管內(nèi)溫度也達(dá)不到400。    2.悶曬太陽輻照量    定義

13、：充滿真空集熱管的水的溫度升高一定溫度范圍所需的太陽輻照量。    新國標(biāo)規(guī)定：罩玻璃管外經(jīng)為47mm，太陽輻照度G800W/m2,環(huán)境溫度8Ta30,真空集熱管以水為傳熱工質(zhì)，初始溫度不低于環(huán)境溫度，悶曬至水溫升高35所需的太陽輻照量H3.7MJ/m2。罩玻璃管外經(jīng)為58mm，太陽輻照度G800W/m2,環(huán)境溫度8Ta30,真空集熱管以水為傳熱工質(zhì)，初始溫度不低于環(huán)境溫度，悶曬至水溫升高35所需的太陽輻照量H 4.7MJ/m2。    本參數(shù)的測量是在特定的太陽輻照度G800W/m2，并在15分鐘內(nèi)，太陽輻照度變化不大于±

14、30W/m2下，集熱管內(nèi)充滿水，當(dāng)集熱管內(nèi)水溫從低于環(huán)境溫度的條件下開始逐步升溫，并在達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)開始測量。當(dāng)集熱管內(nèi)水溫升高35時(shí)，其所需的太陽輻照量為該測量管的H值。也就是說，H值所表示的是該真空集熱管內(nèi)水溫升高35所需的太陽輻照量。當(dāng)然，所需的太陽輻照量越少越好。因此，在某種意義上說，H值表示的就是與真空集熱管的集熱效能有關(guān)的參數(shù)，H值越低，集熱效能就越好。  我們的研究證明，悶曬太陽輻照量H值的高低，主要由真空集熱管內(nèi)的太陽選擇性吸收涂層，即所鍍膜系對(duì)太陽能的吸收性能決定。目前國內(nèi)真空集熱管的制作技術(shù)中，有清華大學(xué)殷志強(qiáng)教授發(fā)明的Al-N/Al太陽選擇性吸收涂層（單靶漸變膜

15、），和用鋁、銅、不銹鋼三靶鍍膜技術(shù)制造的三靶干涉膜。不管用單靶，還是三靶，表征集熱管集熱效率的檢測參數(shù)，只能是國標(biāo)規(guī)定的悶曬太陽輻照量H值。    目前，國內(nèi)廣泛使用的仍然是Al-N/Al太陽選擇性吸收涂層（單靶多層膜）。單靶漸變膜工藝，經(jīng)過20多年的改進(jìn)與提高，已經(jīng)臻于成熟。其所制作出的Al-N/Al太陽選擇性吸收涂層的悶曬太陽輻照量H值，完全達(dá)到并優(yōu)于新國標(biāo)規(guī)定的H值標(biāo)準(zhǔn)，甚至高于一些假冒偽劣的三靶干涉膜。三靶干涉膜工藝由于制作成本高，目前市場上并未大量推廣使用。一些廠家也僅僅是利用來作宣傳，真正大量使用的仍然是殷志強(qiáng)教授發(fā)明的Al-N/Al太陽選擇性吸收涂層

16、（單靶多層膜）。2003年底，殷志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功單靶紫金涂層，其太陽吸收比高達(dá)0.95。在太陽能生活用熱領(lǐng)域，采用單鋁陰極濺射工藝是性能價(jià)格比最好的。單靶可以與三靶有同樣的效果，但是成本低得多。    用戶們可以采用國標(biāo)規(guī)定的作法對(duì)不同廠家的產(chǎn)品作悶曬對(duì)比試驗(yàn)。將對(duì)比管充滿水，管內(nèi)放置溫度測試頭，看一看相同時(shí)間內(nèi)的溫升，便可檢驗(yàn)出真空集熱管的集熱性能。無論是單靶多層膜，三靶干涉膜，還是其他什么管，都將在這樣的測試中顯露他們的本色。    3.平均熱損系數(shù)    定義：在無太陽輻照的條件下，真空集熱管充

17、滿的熱水平均溫度與平均環(huán)境溫度每相差1時(shí)，經(jīng)吸熱體單位表面積散失的熱流量。    新國標(biāo)規(guī)定：真空集熱管的平均熱損系數(shù)ULT 0.85W/(m2.)    新國標(biāo)比舊國標(biāo)：“ULT 0.90W/(m2.)”低了0.05W/(m2.)平均熱損系數(shù)的測量比較復(fù)雜。真空集熱管不但是一個(gè)吸熱元件，在無太陽輻射時(shí)，它也是一個(gè)放熱元件。平均熱損系數(shù)所表征的是真空集熱管的保溫特性，越低說明該集熱管的熱損越小，保溫性能越好。新國標(biāo)規(guī)定，不管是哪種規(guī)格的真空集熱管，其平均熱損系數(shù)至少應(yīng)當(dāng)?shù)扔?.85W/(m2.)，越小越好。  &#

18、160; 真空集熱管的平均熱損系數(shù)大小與太陽吸收比無關(guān)，與集熱管的真空度和涂層的熱發(fā)射比有關(guān)。涂層發(fā)射比高，相應(yīng)集熱管的平均熱損系數(shù)就大。我們知道，真空集熱管內(nèi)外夾層中是抽真空的。內(nèi)外管之間除環(huán)封處相交外，還有一個(gè)相交環(huán)節(jié)，那就是集熱管尾部支撐內(nèi)外管的彈簧卡子。真空集熱管內(nèi)的熱量除從這些接觸點(diǎn)向外傳導(dǎo)熱量外，還透過真空夾層向外輻射能量，通過罩玻璃管的外表面的對(duì)流換熱，散失能量。    4.真空品質(zhì)    定義：真空集熱管真空夾層內(nèi)的氣體壓強(qiáng)。    新國標(biāo)規(guī)定：真空集熱管真空夾層內(nèi)的氣體壓強(qiáng)p5.0

19、15;10-2Pa；    真空品質(zhì)是關(guān)系真空集熱管性能的又一個(gè)重要因素。正是由于它的存在，集熱管的熱損系數(shù)才會(huì)大大降低。但是，真空度又是一個(gè)看得見，摸不著，用人的肉眼無法判斷的參數(shù)。真空集熱管在工廠里制作完成后，真空度就是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)了。高真空度及其長久保持，關(guān)系到真空集熱管的壽命。高真空度一旦喪失，真空集熱管的熱損就會(huì)大大增加，集熱效率大大降低。真空集熱管內(nèi)的鏡面吸氣鋇膜會(huì)變白與透明，這樣的真空集熱管也就報(bào)廢了。    工廠里一般用火花檢漏器判斷真空度是否合格。用火花檢漏器在暗環(huán)境下探測真空集熱管的開口端部分的真空夾層，根據(jù)放電顏色對(duì)真空狀況作定性判斷。在玻璃壁上呈現(xiàn)微弱熒光為合格品。出現(xiàn)輝光放電、火花穿透玻璃壁或火花發(fā)散而玻璃壁上無熒光均為不合格品。實(shí)際上，真空集熱管制作完成后，夾層內(nèi)的氣體壓強(qiáng)是無法檢測的。在朱俊生先生（國家新能源和可再生能源標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)主任）的啟發(fā)下，殷志強(qiáng)教授與周小雯提出了集熱管“真空品質(zhì)”的概念。通過大量試驗(yàn)，新國標(biāo)確定了真空品質(zhì)的試驗(yàn)方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)。即：使真空集熱管的內(nèi)玻璃管處于350下，保持48h,吸氣劑鏡面長度消失率