太陽能熱水器：技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)永不停息
發(fā)布時間：2015-07-03 點擊量：2603
從全玻璃真空太陽集熱管到家用太陽能熱水系統(tǒng)，一系列國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺實施，催生了太陽能集熱產(chǎn)業(yè)，使我國太陽能熱水器市場從無到有、從無序到規(guī)范，推動著太陽能熱水器產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升、能效水平不斷升級。
技術(shù)發(fā)明者也是標(biāo)準(zhǔn)制定者
1996年，《全玻璃真空太陽集熱管》國家標(biāo)準(zhǔn)開始制定。此項技術(shù)的發(fā)明者，清華陽光公司積極投入到該項國家標(biāo)準(zhǔn)的編制中。
20世紀(jì)70年代末，幾經(jīng)波折的清華大學(xué)電子系終于從綿陽分校搬遷回清華園。教師學(xué)者們在綿陽更多地經(jīng)受勞動鍛煉，專業(yè)研究已經(jīng)擱置多年。回校后，世界科技發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新的階段，而作為原來電子系核心專業(yè)的電真空專業(yè)，由于受到半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展的沖擊，原來的電子管相關(guān)技術(shù)發(fā)展基本停滯。新的研究方向如何確立，成為擺在重新回到教學(xué)研究崗位上，熱情高漲的學(xué)者們面前的迫切問題。
美籍華人貝聿昆先生早年畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，是世界極具權(quán)威的玻璃、陶瓷和新能源專家，在玻璃和陶瓷領(lǐng)域擁有45年的豐富經(jīng)驗和大量發(fā)明，對玻璃材料有著較為深厚的了解。上世紀(jì)70年代，美國為了應(yīng)對能源危機(jī)，加大了對新能源的研究投入。在美國政府的資金支持下，貝聿昆先生發(fā)明了全玻璃真空集熱管。但由于成本問題，當(dāng)時并沒有得到推廣，加之石油危機(jī)結(jié)束，美國政府支持資金大量減少，太陽能的研究暫時擱置。
1978年是70年代能源危機(jī)末期，國內(nèi)對于新能源開發(fā)的緊迫性也有所認(rèn)識，北京市太陽能研究所開始籌建。貝聿昆先生將其在美國的研究成果——全玻璃真空太陽集熱管的樣品帶到國內(nèi)進(jìn)行了展示，引起了學(xué)者們的濃厚興趣。清華陽光首席科學(xué)家殷志強(qiáng)教授敏銳地感覺到這個產(chǎn)品的應(yīng)用前景廣闊，在他的推動下，1979年清華大學(xué)成立了全玻璃真空太陽集熱管研究小組。以殷志強(qiáng)教授為首的團(tuán)隊對于電子管等電子器件有較深入的研究，對于真空獲得及保持、鍍膜、玻璃加工等有著較深的造詣。因此，我國第一支全玻璃真空太陽集熱管很快就在實驗室誕生了。但是，全玻璃真空太陽集熱管及其熱水系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化是個系統(tǒng)工程，還涉及硼硅玻璃3.3的生產(chǎn)、薄板不銹鋼焊接、機(jī)械加工、生產(chǎn)線建設(shè)等一系列問題。該產(chǎn)品的成功還結(jié)合了清華大學(xué)其他院系及其他單位諸多專業(yè)人員的智慧，是多領(lǐng)域混合式的技術(shù)創(chuàng)新。
在殷志強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)科研小組制成全玻璃真空太陽集熱管樣品的同時，上海硅酸鹽研究所和沈陽玻璃二廠也研制出了全玻璃真空太陽集熱管樣品。1984年，殷志強(qiáng)教授發(fā)明“磁控濺射漸變鋁—氮/鋁太陽選擇性吸收涂層”，使太陽能集熱管的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用成為可能，直接催生了我國太陽能熱水器市場的形成，成為我國國家級產(chǎn)學(xué)研項目的光輝典范。
1985年，清華大學(xué)將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給北京紡織局，開始具有年產(chǎn)3萬支集熱管的能力。1989年，清華大學(xué)得到凱利公司的支持，建成年產(chǎn)15萬支的集熱管生產(chǎn)線。1991年，清華大學(xué)殷志強(qiáng)教授等舉辦太陽能熱水器培訓(xùn)班，無償提供熱水器圖紙。1992年以后，全玻璃真空太陽集熱管開始供不應(yīng)求，同時清華大學(xué)又將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給揚州華揚公司和山東泰安鐵將軍公司。
隨著全玻璃真空太陽集熱管市場需求的出現(xiàn)，市場準(zhǔn)入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定成為行業(yè)關(guān)注的熱點。為了保證質(zhì)量和規(guī)范產(chǎn)品，1995年，賈鐵鷹(現(xiàn)任中國太陽能標(biāo)準(zhǔn)化委員會秘書長)多次找到殷志強(qiáng)教授探討關(guān)于制定集熱管標(biāo)準(zhǔn)的事情。1996年，《全玻璃真空太陽集熱管》國家標(biāo)準(zhǔn)開始制定。因為是此項技術(shù)的發(fā)明者，清華陽光公司積極投入到該項國家標(biāo)準(zhǔn)的編制中。經(jīng)國家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)《全玻璃真空太陽集熱管》(GB/T17049—1997)于1997年11月3日發(fā)布，并于1998年4月1日實施。此項標(biāo)準(zhǔn)的實施保證了全玻璃真空太陽集熱管的產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)了太陽熱水器產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，也有利于與國際市場接軌。
由于當(dāng)時國際上沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，因此清華陽光提出了熱性能和材料兩大指標(biāo)。在熱性能方面，經(jīng)過研究開發(fā)和多次試驗，提出了空曬性能參數(shù)、悶曬太陽輻照量和平均熱損系數(shù)3個熱性能參數(shù)。悶曬太陽輻照量和平均熱損系數(shù)是由殷志強(qiáng)和吳家慶經(jīng)過大量的試驗才確定了的。在此之前，國際的研究和論文中只有空曬溫度這個名詞，在測試過程中，殷志強(qiáng)和吳家慶發(fā)現(xiàn)太陽輻照度和環(huán)境溫度對空曬溫度有影響，那么如何才能將太陽輻照度和環(huán)境溫度的影響體現(xiàn)出來?經(jīng)過大半年的反復(fù)計算和測試，空曬性能參數(shù)才被制定成功。
標(biāo)準(zhǔn)要代表先進(jìn)生產(chǎn)力
作為標(biāo)準(zhǔn)起草人的殷志強(qiáng)堅持在國標(biāo)中規(guī)定必須使用硼硅玻璃3.3，以保證產(chǎn)品在戶外的長期安全穩(wěn)定運行。
關(guān)于對材料的要求方面，當(dāng)時有硼硅玻璃的國際標(biāo)準(zhǔn)，但對透射比卻沒有要求，為此清華陽光提出了玻璃管的太陽透射比，同時對太陽選擇性吸收涂層規(guī)定了吸收比和半球發(fā)射比的指標(biāo)。在研發(fā)階段，使用的是膨脹系數(shù)比3.3玻璃要大的玻璃，在制定國標(biāo)時將3.3寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)曾遭到不少人的反對。當(dāng)時北京玻璃儀器廠的沈長治廠長給予了大力支持，因為當(dāng)時北玻廠正在引進(jìn)硼硅玻璃3.3的生產(chǎn)線。編寫組認(rèn)為，國家標(biāo)準(zhǔn)要代表先進(jìn)生產(chǎn)力，因此最后還是將玻璃材料定成硼硅玻璃3.3。經(jīng)過十幾年的市場考驗，這一舉措被證明是完全正確的。
在上世紀(jì)80年代初清華大學(xué)進(jìn)行集熱管實驗室研究的時候，使用的是北京玻璃儀器廠的95料玻璃，因為硼硅玻璃3.3的身價不菲，所以并沒有使用。但是在全玻璃真空集熱管小批量生產(chǎn)的時候，殷志強(qiáng)教授堅持使用硼硅玻璃3.3。全玻璃真空太陽集熱管在室外惡劣環(huán)境下使用，管內(nèi)存水溫差大，同時雙層管之間的真空夾層又對密閉性要求很高，因此對玻璃材料的要求比較苛刻。如果玻璃管在使用中破裂，水箱內(nèi)的水將全部流出，帶給用戶很大的不便。產(chǎn)品如果不能大量穩(wěn)定運行，也將直接影響到新產(chǎn)品的推廣。但是，當(dāng)時國內(nèi)只有北京玻璃儀器廠能夠生產(chǎn)這種玻璃，價格也相對高昂。很多人提出能否使用其他玻璃材料，但是在殷志強(qiáng)的堅持下，最終確定為硼硅玻璃3.3。因此，1997年制定全玻璃真空太陽集熱管國家標(biāo)準(zhǔn)的時候，是否規(guī)定全玻璃真空集熱管必須使用硼硅玻璃3.3，又成為矛盾的焦點。一些專家認(rèn)為不應(yīng)限定玻璃，可以根據(jù)市場需要采用其他玻璃材料。但是，作為標(biāo)準(zhǔn)起草人的殷志強(qiáng)教授和清華大學(xué)的其他老師堅持在國標(biāo)中規(guī)定必須使用硼硅玻璃3.3，因為從行業(yè)的大局和產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，該產(chǎn)品的材料不能輕易降低標(biāo)準(zhǔn)，否則難以保證其在戶外的長期安全穩(wěn)定運行。
全玻璃真空太陽集熱管加工性能優(yōu)越，使用可靠性高，生產(chǎn)損失小，是大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)保證。同時集熱管在我國乃至世界各種氣候條件下穩(wěn)定運行的壽命可以達(dá)到20年，也得益于硼硅玻璃3.3。在我國的引領(lǐng)下，國際太陽能用管也基本都使用這種玻璃，可以說從開始我們就走在了國際前列。
在市場需求的驅(qū)動下，這種玻璃的成本由每噸上萬元快速下降到了現(xiàn)在的只有3000多元，使得全玻璃真空太陽集熱管的制造成本得以大幅度下降，規(guī)模化生產(chǎn)得以實現(xiàn)。正是由于當(dāng)時的高瞻遠(yuǎn)矚，才使得硼硅玻璃3.3和全玻璃真空太陽集熱管相輔相成，走入尋常百姓家。
除了材料之外，在產(chǎn)品試制階段，集熱管的長度、直徑都經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎悖且泊嬖谥恍┡既灰蛩亍８鶕?jù)研究實驗和理論計算，最初選定的集熱管外管直徑是50mm，但是當(dāng)時的產(chǎn)業(yè)還在起步階段，需求量達(dá)不到廠家的最小生產(chǎn)批量。因此，最初規(guī)模化生產(chǎn)的集熱管就選擇了市場上已有的直徑47mm標(biāo)準(zhǔn)玻璃管。當(dāng)時人們還希望等產(chǎn)量上去后，再改回理論上最佳的50mm玻璃管。很快，這個產(chǎn)學(xué)研項目就達(dá)到了年產(chǎn)50萬支的規(guī)模，但是由于已有大批外管直徑為47mm的集熱管和熱水器在市場上銷售，考慮到配件、生產(chǎn)工裝等一系列問題，也就沒有再進(jìn)行改動。后來，部分企業(yè)開始使用外管直徑58mm的玻璃管，并配合鋪天蓋地的廣告。從視覺效果來說，管子變粗變長后，產(chǎn)品確實更加美觀，熱水器溫升水平也可以得到提高，但是其效率是降低的。不過，大管現(xiàn)在卻逐步成為了市場的主流。
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