[科普中国]-全玻璃真空太阳集热管

发展历史

真空管热水器全名为全玻璃真空太阳集热管热水器，其集热部件为全玻璃真空太阳集热管。全玻璃真空太阳集热管最初在上世纪 70 年代问世，基于 1977 年澳大利亚悉尼大学发明的渐变膜的基础上，由美国欧斯公司率先研制出来，在一定温度下有很好的集热和保温特性。80 年代初期，美籍华人贝律昆先生将其引入国内，之后经过沈阳玻璃设计厂工程师的艰苦研究，使得真空管进而在中国问世。1984 年，清华大学殷志强教授发明了渐变“Al N/Al”选择性吸收涂层技术，这种选择性膜层目前已在国内多家公司大规模生产，其出色的性能奠定了中国太阳能热利用行业大发展的基础，开创了全玻璃真空太阳集热管在中国的产业化生产。2

目前，中国太阳能热水器累计安装量的 90%为真空管热水器，这一使用总量则占世界使用总量的 97%。

产品结构全玻璃真空太阳能集热管由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同轴的罩玻璃管构成，内玻璃管一端为封闭的圆顶形状，由罩玻璃管封离端内带吸气剂的支承件支承；由罩玻璃管、内玻璃管或直径在罩玻璃管和内玻璃管之间熔封一封闭段为冷凝段，在密闭空间内有热管的工作液体。

全玻璃真空太阳能集热管由内、外两根同心圆玻璃管构成，具有高吸收率和低发射率的选择性吸收腊沉积在内管外表面上构成吸热体，内外管夹层之间抽成高真空，其形状像一个细长的暖水瓶胆，如图下图所示。它采用单端开口，将内、外管口予以环形熔封；另一端是密闭半球开有圆头，由弹簧卡支撑，可以自由伸缩，以缓冲内外管热胀冷缩引起的应力。弹簧卡上装有消气剂，当它蒸散后能吸收真空运行时产生的气体，保持管内真空度。3

工作原理全玻璃真空太阳能集热管的工作原理是太阳能透过外玻璃照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热流体，由于夹层之间被抽真空，有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。

因其真空夹层的存在，减少了热量通过气体对流和传导向环境的散失，因而高温运行时，真空管热水器的热性能要优于平板型热水器。2

性能要求玻璃国家标准 《全玻璃热管真空太阳集热管》（GB/T 26975-2011）3规定：生产制造全玻璃真空集热管的玻璃材料应采用硼硅玻璃3.3。该材料具有很好的透光性能，玻璃中的氧化铁含量为0.5%以下；热稳定性能好、热膨胀系数低，为3.3×10ˉ6/℃;耐热冲击性能好、耐热温差大于200℃；有较高的机械强度，有较好的抗化学侵蚀性并适合于加工。

真空度确保真空集热管的真空度是提高产品质量，保证产品使用年限的重要指标，根据国家标准规定，集热管的真空度应小于或等于5×10ˉ2Pa.

要使集热管内长期保持较高的真空度，在排气台排气时，必须对玻璃真空集热管进行较高温度与较长时间的保温烘烤，以消除管内水蒸气及其他气体，此外，在真空集热管内还放置了蒸散吸气剂，它蒸散在抽真空封口一端的管壳内表面上，像镜面一样，能在运行时吸收集热管内释放出的微量气体，以确管内真空度的保持。一旦银白色的镜面消失，就说明该真空集热管的真空度受到损坏，管子也就报废了。

选择性吸收涂层采用光谱选择性吸收膜作为光热转换材料是真空集热管的又一重要特点。对于真空集热管的选择性吸收膜需要考虑两个特殊要求：一是真空性能；二是耐温性能。工作时要求不影响管内真空度，其他性能指标也不能下降。

真空集热管选择性吸收膜需使用专门设备进行制作，我国真空集热客管选择性吸收膜绝大多数采用磁控溅射工艺。例如，铝-氮-铝选择性吸收膜，它的太阳辐射吸收比α大于0.93红外发射比ε约0.06；而国家标准α≥0.86，ε≤0.08。