家用太陽能熱水器及生產設備存在問題探討
發布時間：2015-06-10 點擊量：2623
（中國太陽能產業資訊薦） 從20世紀80年代我國第一根太陽能集熱管問世以來，經過30年的發展，我國太陽能熱利用行業已形成完整產業鏈。到目前為止形成了以真空管為核心集熱元件的真空管式太陽能熱水器及熱水系統、以平板吸熱板為核心吸熱元件的平板式太陽能熱水器和熱水系統。
經過行業內外各界人士多年來的共同努力努力，太陽能熱水系統在產品、裝備、生產工藝、質量檢測、安裝、售后、標準等一系列相關技術方面取得了一定的成績。由于太陽能熱利用產業僅僅具有20多年的時間，太陽能熱水系統技術還存在著許多不足，并且，隨著技術的不斷進步和創新，新的技術也將逐步應用到太陽能熱水系統中，不斷地促進太陽能熱水系統技術的發展，滿足企業、市場、用戶不斷增長的需求。基于此，本文從太陽能熱水器各部件、裝備等方面提出現有太陽能熱水系統的不足之處，并提出相關改進意見。
一、家用太陽能熱水系統存在問題
家用太陽能熱水器按結構分類有直插式太陽能熱水系統和分離式太陽能熱水系統兩種。目前市場仍以非承壓直插式太陽能熱水系統為主，而分離式太陽能熱水系統則主要以承壓式陽臺壁掛熱水器為主。家用太陽能熱水系統主要包括4大部件，分別為全玻璃真空太陽集熱管、保溫水箱、支架和控制器。
1.集熱管
全玻璃真空太陽集熱管關鍵技術主要包括選擇性吸收涂層和結構。選擇性吸收涂層主要包括鋁氮鋁選擇性膜系和銅鋁不銹鋼膜系，在現有技術和裝備條件下，兩個膜系都可以達到較高的性能，吸收比均可達到0.94以上，發射比低于0.05。因此，對于選擇性吸收涂層技術而言，在低溫熱水應用的全玻璃真空太陽集熱管上已經達到了極限。罩玻璃管的透射比一般在0.90左右，為進一步提升集熱管的熱性能，可以通過在罩玻璃管表面制備AR膜，以提高罩玻璃管的透射比，進而提升集熱管吸熱性能。一般通過在罩玻璃管表面制備AR膜，罩玻璃管透射比可提升3%～6%。
罩玻璃管的材質為硼硅玻璃3.3，該材質屬于高硼硅系列玻璃，具有較高的硬度和耐水性，滿足全玻璃真空太陽集熱管管中有水的使用條件。基于成本考慮，絕大部分全玻璃真空太陽集熱管壁厚為1.6mm，為同直徑條件下可選用玻璃管的最薄壁厚，過薄的壁厚容易造成集熱管在生產、運輸、使用過程中破損。GB/T 29159-2012《全玻璃真空太陽集熱管用玻璃管標準》的頒布和實施，為提升全玻璃真空太陽集熱管的質量和品質提供可支持性技術文件，通過對玻璃管的等級分級，使玻璃管和集熱管生產廠家可以有效地控制玻璃管的質量。但目前能夠以此標準建立的玻璃管檢測實驗室的廠家較少，絕大多數毛坯管和集熱管生產廠家都沒有建立毛坯管質量檢測實驗室，使毛坯管的質量分級和質量控制基本處于失控狀態。
現有太陽能熱水系統的核心部件——集熱管仍以雙層同軸全玻璃真空太陽集熱管為主，其特征為管內有水，以管中水受熱對流形式進行換熱。該結構基本解決了太陽能熱水系統的集熱和換熱問題。但也存在著一些致命的問題，主要表現為：
1）集熱管為玻璃制品，雖然硼硅玻璃3.3具有優良的性能，但因外力導致一支集熱管破損時，集熱管中的水會流出，造成整臺熱水系統的水都會流出，造成水資源的嚴重浪費，同時也導致熱水系統無法正常使用。
2）集熱管溫度很容易達到60℃以上，因此，集熱管內管內壁極容易結水垢，尤其在水質較差的地方更為明顯。集熱管長期結水垢造成集熱管堵塞，集熱換熱效率下降，嚴重時導致集熱管性能喪失。
3）在北方冬季，因集熱管內有水，在連續無太陽輻照條件下，集熱管內的水容易結冰，嚴重時將集熱管凍炸，造成集熱管損壞及熱水系統無法使用，嚴重時導致房頂跑水、結冰，造成嚴重的物質損失。
4）目前絕大部分家用太陽能熱水系統都采用非承壓落差式結構，集熱管中的水一般無法使用，造成系統熱效率下降。而且，由于是采用對流換熱方式，換熱效率低，使熱水系統的熱性能較低。
針對上述問題，提出了全玻璃熱管真空太陽集熱管，利用全玻璃熱管真空太陽集熱管無水相變換熱技術，徹底解決了有水管存在的諸多問題，實現了全玻璃真空太陽集熱管從有水、少水到無水方向的蛻變。目前，僅有清華陽光、滕州光普等兩三家集熱管生產企業掌握全玻璃熱管真空太陽集熱管的全部產品、生產工藝和裝備等核心技術。能夠實現規模化生產。一部分廠家也開始進入全玻璃熱管真空太陽集熱管的研制和試產。因此，全玻璃熱管真空太陽集熱管——相變無水管全面替代有水管是集熱管技術發展的必然趨勢，但還有很長的路要走。
2.水箱
儲熱水箱的主要問題有：內膽漏水、發泡保溫和水箱使用中的排氣補氣。
儲熱水箱內膽主要采用SUS304-2B不銹鋼材料，一般采用氬弧焊接技術。但若焊接工藝控制不好，則容易出現過熱問題或焊接不足的問題，長時間使用，易造成氯離子腐蝕，可能會導致焊縫漏水，產品質量出現問題。因此，可通過提高工人技術、技術管理水平、一次焊接合格率等，來提高產品品質。目前有一些水箱生產企業為解決氬弧焊接難于控制的問題，提出了免焊技術。
為了控制成本，一些生產企業，在選擇內膽不銹鋼板材時，較大幅度地降低了不銹鋼板的厚度，甚至采用了0.37mm、0.31mm的不銹鋼板。而在GBT 25969-2010《家用太陽能熱水系統主要部件選材通用技術條件標準》中，明確要求內膽的壁厚應不小于0.5mm，過薄的內膽難以保證水箱具有較長的使用壽命。
儲熱水箱常用的保溫材料為聚氨酯，為提高保溫性能，滿足北方寒冷地區的使用，部分產品采用加厚的聚氨酯保溫層，厚度可達到55mm～65mm。聚氨酯保溫的問題主要在于發泡時可能產生空洞，該現象主要存在無壓力多次打料的立式發泡工藝。通過采用臥式帶壓發泡可以很好地解決聚氨酯發泡空洞問題，能夠滿足儲熱水箱的保溫要求。但大部分熱水器廠家仍沒有采用帶壓發泡技術。
儲熱水箱使用中排氣補氣問題在北方地區比較突出，這主要是因為在北方地區冬季，水箱中的水蒸氣在通過排氣管排出時，容易在排氣管孔處冷凝結冰，并最終將排氣孔堵死。當室內用水時，因管口被堵死，無法向水箱內正常補氣，造成水箱內膽吸癟問題。不合理的排氣補氣結構對北方地區家用太陽能熱水器的使用是致命的。這導致一大部分家用太陽能熱水器在北方冬季不敢使用或不能使用。通過合理的排氣補氣結構的設計，確保排氣口不被凍堵，則可以很好地保證冬季的正常使用。
3.支架
家用太陽能熱水系統支架分為3種：鋁合金支架、碳鋼支架、不銹鋼支架。早期以清華陽光為代表的鋁合金桿式支架結構合理，抗風、抗拉、抗壓、抗腐蝕能力強。隨著市場的發展，以皇明為代表的碳鋼塔式支架開始引領市場。
與鋁合金支架對比，塔式支架的最大優點是外觀更美觀，更符合消費者感官的需求。而在耐候、耐腐蝕、抗風能力方面塔式支架則不如鋁合金桿式支架。鋁合金支架一般由鋁合金型材拉制而成，質量穩定、可靠性好。而碳鋼塔式支架需要表面鍍鋅、噴塑防腐處理，對工藝和質量控制要求較高。目前，不銹鋼支架因成本較高而在逐漸退出市場。
目前支架存在的主要問題是為降低成本而采用薄的碳鋼板，冷鍍鋅鋼板代替熱鍍鋅鋼板，結構設計比較單薄，導致支架耐腐蝕能力、抗風能力和支撐能力大幅度下降，造成熱水器用不了幾年就破損，倒塌。
4.控制器
家用太陽能熱水系統傳感器關鍵技術難點在于水位傳感器。現有水位傳感器主要有以下4種形式：浮子式、電極式、電容式和壓力傳感器式。由于水位傳感器是安裝在儲熱水箱內，因此，所使用環境非常惡劣，所出現的問題主要表現在以下幾個方面：
1）耐高溫問題
傳感器要長期工作在熱水器水箱中，熱水器水溫大部分時間都在50℃以上，短時間不使用熱水器，熱水器水箱溫度能達到100℃左右，長時間空曬條件下可以達到150℃，這就對傳感器帶來了耐高溫問題，傳感器的材料在耐高溫方面一直存在缺陷，在長期的空曬、水煮、汽蒸過程中，不管是電子器件還是其他的傳感器材料都很容易老化、損壞。
2）密封問題
水位傳感器都直接接觸水源。一些感光的器件做成探測水位的傳感器成本又過高，作為一個熱水器配件的成本占整個熱水器成本很大一部分也很不合理，同時也超過了人們的購買能力。壓力傳感器又難逃水垢的影響，使壓力傳感器的壽命大打折扣。電極式傳感器一直是太陽熱水器傳感器的主流，但是電極、信號線和感溫器件的密封問題一直困擾著眾多傳感器研究者們，如信號線被水汽腐蝕，電阻增大甚至腐蝕斷信號線，直接導致控制部件失靈。
3）耐水垢問題
我國水質各地不一，由于水質問題而來的水垢給傳感器帶來很多麻煩，水垢附著在電極和感溫塊上，造成傳感器感知水位水溫不準確。采用硅膠類或聚四氟乙烯類材料涂敷在傳感器表面可以減輕水垢的產生，但很難從根本上解決結垢問題。
4）信號傳輸問題
當今社會信息縱橫，高壓線、低壓線、信號塔等電磁干擾源更是多的令人難以想象，這對傳感器的信號傳輸帶來很大的影響，以前大多使用電子模擬信號，雖然有濾波電路的保護，但還是不能達到理想的效果。
5.生產裝備
根據家用太陽能熱水系統的4個主要部件特點，其生產線也分為4個部分：集熱管生產線、儲熱水箱生產線、支架生產線和控制器生產線。由于太陽能熱利用企業眾多，絕大部分生產規模都很小，產值達到5億元以上的僅有皇明、太陽雨、力諾、四季沐歌、清華陽光等極少數的太陽能熱利用企業，產值達到1億以上的企業不足20家，絕大部分企業的生產規模都在幾萬臺以下。其生產線的自動化程度也比較低，絕大部分企業仍然是單機、單件、手工作坊式生產。
盡管如此，隨著生產裝備的技術提升，以及家電企業、電子類企業的逐步介入，產業集中度進一步提升，使企業規模化生產開始顯現出來，這促進了儲熱水箱、支架和控制器的生產開始顯示出自動化生產模式。但目前大部分集熱管生產企業仍然采用單機手工作坊式生產，產品質量難以保證，其產業裝備有待進一步升級。
目前我國家用太陽能熱水系統無論在使用中還是在生產中都存在不少問題，要想得到解決，只有從加快制定產品、質量、安裝、安全等強制性標準入手，為家用太陽能熱水系統升級提供支撐。要以強制性標準為基礎，強制提升太陽能熱水系統及相關零部件的質量，提升太陽能熱水系統的品質，保證太陽能熱水系統高質量、高性能，保證用戶使用安全、可靠。另外，加速自動化生產設備研發，加大自動化設備和生產線建設，淘汰手工作坊式落后生產方式，提高產品質量，降低生產成本，降低人為因素降低產品質量的風險。只有這樣，才能提高太陽能熱水系統的生產品質和使用效果保證。
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