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家用太阳能热水器及生产设备

家用太阳能热水器及生产设备

    我们只有一个地球,使用清洁能源,保护自己的家园,是每个人的使命;节能环保,是使环境不再恶化的必由之路,是功在当代、造福后代的善举,所以我们要共同提倡节能环保的生活方式;太阳能,是最清洁的能永远,也是龙田人的选择和贡献,希望通过研发、生产、推广使用太阳能热水器,为环保事业奉献出我们的一份力量

       从20世纪80年代我国第一根太阳能集热管问世以来,经过30年的发展,我国太阳能热利用行业已形成完整产业链。到目前为止形成了以真空管为核心集热元件的真空管式太阳能热水器及热水系统、以平板吸热板为核心吸热元件的平板式太阳能热水器和热水系统。 

   经过行业内外各界人士多年来的共同努力努力,太阳能热水系统在产品、装备、生产工艺、质量检测、安装、售后、标准等一系列相关技术方面取得了一定的成绩。由于太阳能热利用产业仅仅具有20多年的时间,太阳能热水系统技术还存在着许多不足,并且,随着技术的不断进步和创新,新的技术也将逐步应用到太阳能热水系统中,不断地促进太阳能热水系统技术的发展,满足企业、市场、用户不断增长的需求。基于此,本文从太阳能热水器各部件、装备等方面提出现有太阳能热水系统的不足之处,并提出相关改进意见。 

     一、家用太阳能热水系统存在问题 

     家用太阳能热水器按结构分类有直插式太阳能热水系统和分离式太阳能热水系统两种。目前市场仍以非承压直插式太阳能热水系统为主,而分离式太阳能热水系统则主要以承压式阳台壁挂热水器为主。家用太阳能热水系统主要包括4大部件,分别为全玻璃真空太阳集热管、保温水箱、支架和控制器。 

     1.集热管 

    全玻璃真空太阳集热管关键技术主要包括选择性吸收涂层和结构。选择性吸收涂层主要包括铝氮铝选择性膜系和铜铝不锈钢膜系,在现有技术和装备条件下,两个膜系都可以达到较高的性能,吸收比均可达到0.94以上,发射比低于0.05。因此,对于选择性吸收涂层技术而言,在低温热水应用的全玻璃真空太阳集热管上已经达到了极限。罩玻璃管的透射比一般在0.90左右,为进一步提升集热管的热性能,可以通过在罩玻璃管表面制备AR膜,以提高罩玻璃管的透射比,进而提升集热管吸热性能。一般通过在罩玻璃管表面制备AR膜,罩玻璃管透射比可提升3%~6%。 

    罩玻璃管的材质为硼硅玻璃3.3,该材质属于高硼硅系列玻璃,具有较高的硬度和耐水性,满足全玻璃真空太阳集热管管中有水的使用条件。基于成本考虑,绝大部分全玻璃真空太阳集热管壁厚为1.6mm,为同直径条件下可选用玻璃管的最薄壁厚,过薄的壁厚容易造成集热管在生产、运输、使用过程中破损。GB/T 29159-2012《全玻璃真空太阳集热管用玻璃管标准》的颁布和实施,为提升全玻璃真空太阳集热管的质量和品质提供可支持性技术文件,通过对玻璃管的等级分级,使玻璃管和集热管生产厂家可以有效地控制玻璃管的质量。但目前能够以此标准建立的玻璃管检测实验室的厂家较少,绝大多数毛坯管和集热管生产厂家都没有建立毛坯管质量检测实验室,使毛坯管的质量分级和质量控制基本处于失控状态。 

  现有太阳能热水系统的核心部件——集热管仍以双层同轴全玻璃真空太阳集热管为主,其特征为管内有水,以管中水受热对流形式进行换热。该结构基本解决了太阳能热水系统的集热和换热问题。但也存在着一些致命的问题,主要表现为: 

  1)集热管为玻璃制品,虽然硼硅玻璃3.3具有优良的性能,但因外力导致一支集热管破损时,集热管中的水会流出,造成整台热水系统的水都会流出,造成水资源的严重浪费,同时也导致热水系统无法正常使用。 

  2)集热管温度很容易达到60℃以上,因此,集热管内管内壁极容易结水垢,尤其在水质较差的地方更为明显。集热管长期结水垢造成集热管堵塞,集热换热效率下降,严重时导致集热管性能丧失。 

  3)在北方冬季,因集热管内有水,在连续无太阳辐照条件下,集热管内的水容易结冰,严重时将集热管冻炸,造成集热管损坏及热水系统无法使用,严重时导致房顶跑水、结冰,造成严重的物质损失。 

  4)目前绝大部分家用太阳能热水系统都采用非承压落差式结构,集热管中的水一般无法使用,造成系统热效率下降。而且,由于是采用对流换热方式,换热效率低,使热水系统的热性能较低。 

  针对上述问题,提出了全玻璃热管真空太阳集热管,利用全玻璃热管真空太阳集热管无水相变换热技术,彻底解决了有水管存在的诸多问题,实现了全玻璃真空太阳集热管从有水、少水到无水方向的蜕变。目前,仅有清华阳光、滕州光普等两三家集热管生产企业掌握全玻璃热管真空太阳集热管的全部产品、生产工艺和装备等核心技术。能够实现规模化生产。一部分厂家也开始进入全玻璃热管真空太阳集热管的研制和试产。因此,全玻璃热管真空太阳集热管——相变无水管全面替代有水管是集热管技术发展的必然趋势,但还有很长的路要走。 

     2.水箱 

   储热水箱的主要问题有:内胆漏水、发泡保温和水箱使用中的排气补气。 

   储热水箱内胆主要采用SUS304-2B不锈钢材料,一般采用氩弧焊接技术。但若焊接工艺控制不好,则容易出现过热问题或焊接不足的问题,长时间使用,易造成氯离子腐蚀,可能会导致焊缝漏水,产品质量出现问题。因此,可通过提高工人技术、技术管理水平、一次焊接合格率等,来提高产品品质。目前有一些水箱生产企业为解决氩弧焊接难于控制的问题,提出了免焊技术。 

  为了控制成本,一些生产企业,在选择内胆不锈钢板材时,较大幅度地降低了不锈钢板的厚度,甚至采用了0.37mm、0.31mm的不锈钢板。而在GBT 25969-2010《家用太阳能热水系统主要部件选材通用技术条件标准》中,明确要求内胆的壁厚应不小于0.5mm,过薄的内胆难以保证水箱具有较长的使用寿命。 

  储热水箱常用的保温材料为聚氨酯,为提高保温性能,满足北方寒冷地区的使用,部分产品采用加厚的聚氨酯保温层,厚度可达到55mm~65mm。聚氨酯保温的问题主要在于发泡时可能产生空洞,该现象主要存在无压力多次打料的立式发泡工艺。通过采用卧式带压发泡可以很好地解决聚氨酯发泡空洞问题,能够满足储热水箱的保温要求。但大部分热水器厂家仍没有采用带压发泡技术。 

  储热水箱使用中排气补气问题在北方地区比较突出,这主要是因为在北方地区冬季,水箱中的水蒸气在通过排气管排出时,容易在排气管孔处冷凝结冰,并最终将排气孔堵死。当室内用水时,因管口被堵死,无法向水箱内正常补气,造成水箱内胆吸瘪问题。不合理的排气补气结构对北方地区家用太阳能热水器的使用是致命的。这导致一大部分家用太阳能热水器在北方冬季不敢使用或不能使用。通过合理的排气补气结构的设计,确保排气口不被冻堵,则可以很好地保证冬季的正常使用。 

    3.支架 

  家用太阳能热水系统支架分为3种:铝合金支架、碳钢支架、不锈钢支架。早期以清华阳光为代表的铝合金杆式支架结构合理,抗风、抗拉、抗压、抗腐蚀能力强。随着市场的发展,以皇明为代表的碳钢塔式支架开始引领市场。 

    与铝合金支架对比,塔式支架的最大优点是外观更美观,更符合消费者感官的需求。而在耐候、耐腐蚀、抗风能力方面塔式支架则不如铝合金杆式支架。铝合金支架一般由铝合金型材拉制而成,质量稳定、可靠性好。而碳钢塔式支架需要表面镀锌、喷塑防腐处理,对工艺和质量控制要求较高。目前,不锈钢支架因成本较高而在逐渐退出市场。 

  目前支架存在的主要问题是为降低成本而采用薄的碳钢板,冷镀锌钢板代替热镀锌钢板,结构设计比较单薄,导致支架耐腐蚀能力、抗风能力和支撑能力大幅度下降,造成热水器用不了几年就破损,倒塌。 

     4.控制器       

  家用太阳能热水系统传感器关键技术难点在于水位传感器。现有水位传感器主要有以下4种形式:浮子式、电极式、电容式和压力传感器式。由于水位传感器是安装在储热水箱内,因此,所使用环境非常恶劣,所出现的问题主要表现在以下几个方面: 

  1)耐高温问题 

    传感器要长期工作在热水器水箱中,热水器水温大部分时间都在50℃以上,短时间不使用热水器,热水器水箱温度能达到100℃左右,长时间空晒条件下可以达到150℃,这就对传感器带来了耐高温问题,传感器的材料在耐高温方面一直存在缺陷,在长期的空晒、水煮、汽蒸过程中,不管是电子器件还是其他的传感器材料都很容易老化、损坏。 

  2)密封问题 

  水位传感器都直接接触水源。一些感光的器件做成探测水位的传感器成本又过高,作为一个热水器配件的成本占整个热水器成本很大一部分也很不合理,同时也超过了人们的购买能力。压力传感器又难逃水垢的影响,使压力传感器的寿命大打折扣。电极式传感器一直是太阳热水器传感器的主流,但是电极、信号线和感温器件的密封问题一直困扰着众多传感器研究者们,如信号线被水汽腐蚀,电阻增大甚至腐蚀断信号线,直接导致控制部件失灵。 

  3)耐水垢问题 

    我国水质各地不一,由于水质问题而来的水垢给传感器带来很多麻烦,水垢附着在电极和感温块上,造成传感器感知水位水温不准确。采用硅胶类或聚四氟乙烯类材料涂敷在传感器表面可以减轻水垢的产生,但很难从根本上解决结垢问题。 

  4)信号传输问题 

    当今社会信息纵横,高压线、低压线、信号塔等电磁干扰源更是多的令人难以想象,这对传感器的信号传输带来很大的影响,以前大多使用电子模拟信号,虽然有滤波电路的保护,但还是不能达到理想的效果。 

     5.生产装备 

     根据家用太阳能热水系统的4个主要部件特点,其生产线也分为4个部分:集热管生产线、储热水箱生产线、支架生产线和控制器生产线。由于太阳能热利用企业众多,绝大部分生产规模都很小,产值达到5亿元以上的仅有皇明、太阳雨、力诺、四季沐歌、清华阳光等极少数的太阳能热利用企业,产值达到1亿以上的企业不足20家,绝大部分企业的生产规模都在几万台以下。其生产线的自动化程度也比较低,绝大部分企业仍然是单机、单件、手工作坊式生产。 

    尽管如此,随着生产装备的技术提升,以及家电企业、电子类企业的逐步介入,产业集中度进一步提升,使企业规模化生产开始显现出来,这促进了储热水箱、支架和控制器的生产开始显示出自动化生产模式。但目前大部分集热管生产企业仍然采用单机手工作坊式生产,产品质量难以保证,其产业装备有待进一步升级。 

     目前我国家用太阳能热水系统无论在使用中还是在生产中都存在不少问题,要想得到解决,只有从加快制定产品、质量、安装、安全等强制性标准入手,为家用太阳能热水系统升级提供支撑。要以强制性标准为基础,强制提升太阳能热水系统及相关零部件的质量,提升太阳能热水系统的品质,保证太阳能热水系统高质量、高性能,保证用户使用安全、可靠。另外,加速自动化生产设备研发,加大自动化设备和生产线建设,淘汰手工作坊式落后生产方式,提高产品质量,降低生产成本,降低人为因素降低产品质量的风险。只有这样,才能提高太阳能热水系统的生产品质和使用效果保证。

       俗语说:工欲善其事、必先利其器!为确保产品的制造精度和提高生产效率,保证太阳能热水器的整机质量。安阳市龙田太阳能公司在建厂初期就瞄准行业标杆,购置了行业最先进的大型平台丝印机、制版机、UV光固机(以上设备深圳生产)、多工位数控冲床(每分钟冲孔180次)、数控直缝氩弧焊机、数控双头翻边机、数控丝头环焊机(以上设备上海生产)、高压发泡机、发泡生产线、试压机(以上设备北京生产)等太阳能行业内最先进的设备;辅以严格的员工5S培训、数控设备专项操作及维护培训,从制作源头上确保了产品的优质品质。

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