真空管太阳集热器发展简介

真空管太阳集热器发展简介真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空太阳集热管，它采用了真空夹层，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低。

玻璃真空太阳集热管分为“全玻璃”与“玻璃和金属结构”两大类。太阳光能转变为热能，可通过联集管内的传热工质（如水）或先通过热管与传热工质进行热交换将热能输送到贮热水箱。从应用上分为用于生活热水（低温），空调和海水淡化等（中温）和太阳能热发电（高温人真空管太阳集热器能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行。玻璃和金属结构真空太阳集热管承压好，还能工作在中、高温。全玻璃真空太阳集热管结构简单，制造方便，可靠性强和成本低，适宜在低中温运行。

全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶胆，先由美国欧文斯一依利诺伊（OwenS－illinoiS）公司推出商品，由两根同轴圆玻璃管组成，内、罩玻璃管间抽成高真空，太阳选择性吸收涂层（表面、膜系）沉积在内管的外表面构成吸热体，将太阳光能转换为热能，加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空集热管采用单端开口的设计，通过一端内、罩管环形熔封起来，其内管另一端是密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子，将吸热体玻璃管回头支承在罩玻璃管的排气内端部。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形成热膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力。吸气剂蒸散后吸收真空集热管在存放及工作过程中所释放的微量气体。经历以下几个发展阶段： l）科研与开发(1979—1985),发明了单靶磁控溅射制备铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层。 2）科技成果向生产转化中国太阳能产业联盟网 a．小生产（1986—1989），年产能力3万支真空集热管，期间，清华大学完成了国家“七·五”科技攻关专题“玻璃真空管热水器技术开发与应用”和国家自然科学基金项目“选择性吸收表面光性下降机理的研究”；中生产（1990—1993）。清华大学组建公司，年产能力15万支，1992年市场迅速扩大，出现供不应求。 b．1993年至今，作为国家产学研工程，清华大学与北京玻璃仪器厂组建了公司，1994年9月建成年产能力90万支集热管生产线。1996年9月建成年产能力300万支集热管生产线。1998

年建成年产能力400万支集热管生产线。1998年在北京昌平建成了全玻璃真空管太阳集热器及热水器生产线并以100％的年增量发展。目前，年产能力30万台全玻璃真空管太阳集热器及热水器。 2 全玻璃真空太阳集热管的核心技术 2.1太阳选择性吸收涂层清华大学电子工程系用“湿法”在玻璃上制备了“(Ni·Zn)S/Cu太阳选择性吸收涂层”（197—1981）太阳吸收比0．88—0．90，发射比0．12（80℃）；用真空蒸发技术在玻璃上制备“Cr2O3/Cr2O3+Cr/A1太阳选择性吸收涂层”（1980—1984）太阳吸收比约0．90，发射比0.04（80℃）；磁控溅射技术的工艺控制方便，容易在大面积上获得均匀一致的选择性吸收涂层。从1980年以来，致力于采用磁控溅射技术，研究和开发多种选择性吸收涂层。其中发明专利渐变（多层）铝-氮/铝(A1-N/A1）选择性吸收涂层是我们研究最深入、应用最广泛的涂层，其太阳吸收比可达0．93，发射比约0．05(80℃)

在世界上开创了使用一种金属作为磁控溅射的阴极材料制备包括低发射金属薄膜底层、吸收层（复合薄膜）和减反层（化合物介质薄膜),在制备原理上改变了以往认为需要两种或两种以上的金属材料才能制备优质的太阳选择性吸收涂层，与澳大利亚悉尼大学专利一多层不锈钢一碳/铜涂层（作为低、中温应用于 1980年前后处于世界领先地位）相比，二者光．热性能相近，但后者需用两个阴极（靶）材料一不锈钢和铜，其间需用大屏障隔开以免交叉沾污，这样造成阴极材料的利用率低，而且设备结构复杂。使用单阴极磁控溅射制备

太阳选择性吸收涂层大大减化了磁控溅射镀膜机的构造，使材料利用率增加约一倍，溅射过程中不需要切换阴极引起的辉光放电中止，提高了生产效率。图2中描述渐变铝-氮/铝”吸收涂层的结构及其反射比谱。获1988年国家发明三等奖。“渐变铝-氮/铝”太阳选择性吸收涂层为规模生产全玻璃真空太阳集热管的产业化准备了技术条件。进一步研究制备了“AI-N－F/A1-N/A1”太阳选择性吸收涂层，涂层的太阳吸收比0．954，红外发射比0．060（100℃）；还深入研究了干涉一吸收型Al-N/A1太阳选择性吸收涂层，膜系为A2O3/AIN/（LMVF）A1-N/（HMVF）A1-N/A1，其中HMVF是金属粒子体积比（填充因子）较高的吸收次层，而LMVF是金属粒子体积比较低的吸收次层，具有更高的太阳吸收比与更低的热发射比。在规模化生产中，选用了工艺参数稳定性好和生产效率高的A1-N/A1太阳选择性吸收涂层膜系，对于获得生活热水，至今该吸收涂层有着最好的性能价格比。 2．2开发三代制备太阳设择性吸收涂层的磁控溅射镀膜机和国住面上太阳选择性吸收涂层太阳吸收比的测定方

法第一代：1985—1986年，设计与制造了我国第一台制备太阳选择性吸收涂层的磁控溅射镀膜机，采用了电磁卧式结构。第一代：后来又开发了第一代立式前开门生产1．Zm 长全玻璃真空太阳集热管的选择性吸收涂层使用的磁控溅射镀膜机，一次装载30支内玻璃管，磁场为永久周期磁场。第三代：开发创新了大回路闭合溅射轨迹柱状磁控靶，俗称旋转磁场，具有旋转磁场的阴极，真空室圆柱面曲率半径约350nun，高约2000mm生产1.5m 长全玻璃真空太阳集热管的选择性吸收涂层使用的磁控溅射镀膜机，使阴极材料利用率提高到约5倍以上，降低了成本，而且溅射的吸收涂层的质量更为稳定。过去采用陪片方法，不利于对真空集热管产品内的选择性吸收涂层进行抽检。利用常规的紫外．可见．近红外分光光度计与大积分球配合，开发创新了圆柱面上太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比的准确测定方法。1996年经专家评议指出：“使用具有直径为φ150mm的积分球的分光光度计对水平放置玻璃圆柱面与平面玻璃片上太阳吸收比不小于0．84（AM2）的选择性吸收涂层进行测试，测试结果的绝对偏差不大于土0．005。结果表明：可以对圆柱面上的太阳选择性吸收涂层进行直接测量，这样能更真实反应真空太阳集热管内吸收涂层的太阳吸收比，在制定有关标准时可以采纳这种测试方法”。 2．3真空技术与真空排气监测系统1）自行设计与制造了全玻璃真空太阳集热管的高效、节能的真空排气系统，由卧式排气台发展太阳能产业联盟成立式排气台，电加热元件布局合理，配以热反射屏，烘箱内温度比较均匀，使每根全玻璃真空太阳集热管烘烤所需电能大为降低。2）研究开发了优良的真空排气工艺，使全玻璃真空太阳集热管具有长的真空寿命。3）开发了优良的蒸散式吸气剂的去气与优化的蒸散工艺，以取得近于最大的得钡量。4）开发了全玻璃真空太阳集热管真空排气监测系统。该系统有一台主机，10台分机，一台计算机及其通讯接

口。 - 各分机同时和四台真空排气系统通讯，由通讯接口在真空计与分机间交换真空度的数字信号。 - 同时各分机采集烘箱的温度，在不符合工艺及真空破坏时有显示报警。 - 各分机贮存及向主机传送数据，主机与计算机之间采用电流环通讯，主机与分机之间用巡检方式联络，主机与计算机之间采用电流环方式和光纤隔离，克服了高频大功率的强干扰。 - 单片机软件和计算机软件系统全部自行编写；24小时自动采集，用表格显示数据，绘制所有工作台各自的真空排气工艺曲线。全玻璃真空集热管生产是四班三运转，确保了整日的集热管的真空排气质量。 2．4 硼硅玻璃3.3

玻璃管全玻璃真空管集热器是在曝晒、风吹、雨淋、降雪和冰雹袭击等环境条件下工作的。全玻璃真空集热管宜采用“硼硅玻璃3.3”一 ISo3585：1991（E）国际标准化组