太阳能专题

太阳能热水器的技术瓶颈及发展趋势

信息来源:互联网更新日期:13-12-16 点击:
一、家用太阳能热水器市场发展的战略机遇与需求
    在能源发展遭遇严峻挑战的时期,节能减排, 大力发展新能源与可再生能源,成为我国能源发展的必由之路,太阳能作为可再生能源将成为解决这一问题的最佳途径。作为产品技术较成熟的太阳能热水器,近5年来以每年30%~35%的速度增长,预计到2015年,全国住宅用太阳热水器将达到2.32亿平方米,行业产值超过1000多亿元,太阳能热水器将成为住宅用热水器最具潜力的种类。
    我国目前在部分地区出台了12层以下新建楼房需安装太阳能热水器的政策;而一些省、市、地区也先后出台了地方性强制实施的措施及对建筑开发商的奖惩制度;国家也在调研针对为老小区住户以政府补贴方式全面更换安装太阳能热水器的可行性,所有措施都为太阳能热水器的进一步发展带来了机遇。同时也对太阳能热水器从产品的工艺、结构、标准化、系列化到能效、质量、安全、成本、寿命以及外观造型等都将提出更高的标准。
 
二、太阳能热水器产品成熟度的分析
    一个具有完善的标准,标准化程度高,主要核心部件实现了标准化、系列化,质量稳定,生产制造工艺成熟,实用性强,无明显功能性缺陷,并拥有一定的受众群体的产品,才可称为成熟产品。
    真空玻璃管集热式家用太阳能热水器基本达到了上述条件。特别是它的核心部件—真空集热玻璃管:辐射吸收比α已高达92%,发射率ε及热扩散系数都非常小,实现了标准化、系列化,生产制造工艺成熟、先进,成本低,单根配套仅在10元左右,说明核心技术和工艺非常成熟。但因(1)该热水器的单位面积集热效率以标准计只有45%,又因真空玻璃集热管内的余水留存,使实际单位面积的热效率仅达34%(尚未计入水箱和支架所占用的面积),制约了太阳能热水器在城镇的发展。(2)真空玻璃集热管内的余水留存,易造成冬季炸管,存在北方地区无法过冬的缺陷。正是因为缺乏成熟的产品支持,才导致了国家新能源战略中,太阳能热水器仅能在部分地区强制实施的不足。
    平板集热式太阳能热水器的集热效率更低,其核心部件的结构和传热介质的性能、寿命及生产制造工艺、成本等都存在一定的问题,有待解决;保温性差的先天性缺陷要解决也非易事;而产品的标准,特别是核心部件的标准化、系列化尚不够完善,说明产品技术尚不成熟,从市场的接受程度也证明了这一点。
    热管集热式家用太阳能热水器的集热效率理论上应是最高的,而实际却是最低的,说明存在系统性的问题有待解决,所以相对也是最不成熟的产品。
 
三、家用太阳能热水器发展的三大技术瓶颈
    1. 真空玻璃集热管的炸管问题
    北方地区因冰雪天炸管无法过冬的问题,已影响到太阳能热水器在北方地区的普及应用,影响到国家政策的制定和实施。随着家电下乡政策的实施,太阳能热水器在乡村的普及率和拥有量均有所增加,但是,因燃放爆竹带来的炸管的问题已经开始显现,有数据显示,仅一个地方性品牌,在一个乡一年就有多起事故发生,造成“水漫金山”。
    2. 与建筑的有机融合的问题
    在国家关于太阳能热水器的安装政策出台前,全国除南京等三个城市外,其它城市新建小区楼房都不允许安装太阳能热水器,提出的理由主要是安全,实质是外观问题影响了整个城市形象。随着新政策的出台,这个问题很有可能将再次被不同的地区提出,是需要企业认真对待和解决的问题。
    3. 单位面积集热效率的问题
    家用太阳能热水器单位面积集热效率偏低对乡村没什么影响,但在城市却意义不同。因城镇小区楼面的装机容量是有限的,而通过提高太阳能热水器单位面积的集热效率可减小其体积,提高装机容量。以真空玻璃管集热式家用太阳能热水器为例,在现有的基础之上仅以标准计,提高10%的集热效率将增加22%的家庭用户量。对于平板和热管集热式的热水器,则更是受困于集热效率低下的问题,是产品开发中亟待解决的关键性技术瓶颈。但平板式和热管式无冬季炸管问题,故解决了其集热效率即解决了家用太阳能热水器在北方地区应用的问题。
 
四、家用太阳能热水器产品的技术发展趋势
    1. 真空玻璃管集热式将向热管集热式方向发展
    热管集热式太阳能热水器的成本介于平板和真空玻璃集热管之间,理论上的集热效率最高,不仅无真空玻璃集热管夏季爆管之虑,亦无冬季炸管之忧,能满足北方地区的使用要求;即使“热管”的保温玻璃管破损也不会造成“水漫金山”式的后果,且破损“热管”仍正常工作。热管集热式太阳能热水器因自消耗热能少,故启动速度快,以120L(升)/18(根)/φ47mm(管径),管长1500mm热水器计:真空玻璃集热管的启动热能需要203.2kJ 才开始形成对水箱水加热;而相同尺寸的“热管”式集热管仅需15.8kJ,相差12.8倍;同时不存在因真空玻璃管的管内热水留存造成热能浪费,降低实际得热量的问题。以上例计:使实际集热效率相对增加了26%左右;而具有反向传热截止功能的“热管”,其反向传导的热损比真空集热玻璃管降低了3~5倍,故热扩散损失小;因“热管”结构可承受较大的压强,故水箱和水循环系统可为密闭承压式结构,亦可是非承压结构,使家用太阳能热水器的设计开发更具有实用性,使太阳能集中供热工程的水循环系统的结构设计更加灵活。
    2. 平板集热式将成为最具有发展潜力的产品
    平板集热式的最大优势在于外观,因其可与建筑屋面完全融合,不影响建筑造型和美观,不影响城市形象;同时即无真空玻璃集热管夏季爆管之虑,亦无冬季炸管之忧,能满足北方地区的使用要求;即使钢化玻璃破损也不会对下面的人、物造成较大的损伤,具有很高的安全可靠度,此特点更适合于阳台安装使用;可承压特性使设计开发更具有实用性,亦使结构设计更加灵活,故成为一款备受建筑设计院关注的产品。一但其存在的保温、能效、传热介质的性能、寿命和高成本等缺陷得到适当的弥补,产品趋向成熟,这种关注将成为偏爱,成为最具有发展潜力的产品。
    3. 太阳能“集中供热”系统将成为城市发展的主流
    因太阳能“集中供热”系统无普通家用太阳能热水器上一个个独立的水箱、支架及进排水管等,可大大减小对建筑外观造型的影响;易于建筑一体化的设计施工;利于增加集热器的排放面积,提高屋面的利用率,提高供热水量;并解决了普通家用太阳能热水器,因需排空进出水管中的冷水所造成的水资源浪费。故随着技术的发展,建筑一体化的深入,太阳能集中供热系统必将成为城镇家庭卫浴热水供应的主流,特别是小高层(12层以下)上得到普及并有可能完全替代屋面安装的普通家用太阳能热水器。
    4. 适合阳台安装使用的太阳能热水器将成为新品开发的重点
    (1)客户的需求,发展的需要: 设计开发高效的适合阳台安装使用的太阳能热水器可满足高层住宅楼的住户的需求,也完全贴合国家节能减排,可持续发展的战略需要。因此,这一近于空白的市场,不仅能得到政策的引导和支持,为各生产商提供了巨大的商业价值和社会效益,而且也会成为今后太阳能热水器中新品开发争夺的重点。
    (2)安装阳台垂面的有利因素分析: 一年中,太阳在中天的高度既与地球的夹角是变化的,冬天小,夏天大。因用于阳台的太阳能热水器近似垂直安装,所以在冬天太阳为中天时,获得阳光辐射的正投影面积远远大于夏天同时段,即冬天的集热效率远大于夏天。这是一个非常符合太阳能热水器集热要求的有利因素,其避免了现屋面安装方式带来的夏季热水温度高,易烧开,而住户热水用量反而少,余存高温热水多所带来的诸多弊端。
    (3)冬季三九第五天,阳台垂面安装的集热效率分析:以北纬32°(南京)计,太阳在中天时的高度即照射角度为40.5°。如设热水器与阳台垂面的安装夹角为10°,正投影面积得率N为:
    N=1 × cos [ 80°-(90°-40.5°)] %
    ≈ 77.2%
    冬至时的太阳高度为34.5°,正投影面积得率为91.0%,则分别相当于在屋面以49.5°角安装集热效率的77%和91%。随着纬度的增加,正投影面积损失将减少,集热效率还将增加。计算证明,该热效损失完全可通过增加热水器的集热面积来达到,且阳台垂面也能提供足够的安装空间。
    (4)适合阳台垂面安装的太阳能热水器要求:①安全性:阳台垂面安装要求必须有足够的安全可靠度,因其的悬挂位置,导致产品部件的任何一点破损散落都可能造成难以估量的严重后果。②集热效率:目前单位面积集热效率最高的是“真空玻璃管” 集热式家用太阳能热水器,标准为45%,安装与阳台的太阳能热水器的热效率基本上也应达到该水平,否则通过增加集热面积仍不能补尚,将导致热水供应不足,实用性大幅度下降。原因为:阳台安装的太阳能热水器的水箱结构必须是封闭式,敞开式结构进出气管的蒸汽随时排放,不适合室内使用。封闭式结构的热水排放是冷水由水箱内的水胆底部进入,聚集并逐渐升高排挤热水,使热水从水胆顶部进入出水管排出,故与电热水器相同,同样存在热水输出率的问题。电热水器热水输出率的最高标准一级为:水箱内水温度为65℃;进入冷水为15℃;输出水温不低于45℃时的热水能量输出率为≥70%,现只有一家一流品牌可达80%。冬季洗浴需要水温较高,而太阳能热水器的产热水温度在冬季偏低,冷热水混合将可能使热水输出量进一步降低,此损耗也需通过增加面积来补尚。经计算,只有单位集热效率大于40%左右,才有可能通过增加面积达到水温的实用性要求。
 
五、结束语
    目前,太阳能供热受到各地政府更多的关注和扶持,将加速我国太阳能热水器的技术创新和发展。而制约发展的三大技术瓶颈关键是热效,最主要的是“平板”式和“热管”式的热效率问题解决了,其它问题也就迎刃而解。因此,其理想的结果是:在建筑一体化的实施下,高楼阳台适合的朝向和层次将统一安装太阳能热水器,达到部分或全部住户使用;小高层住宅楼和平楼通过统一规划,阳台安装和集中供热相结合达到全部住户都可使用上太阳能热水器供热。