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 0引言

低碳是未來建筑的方向。我國建筑能耗占社會總能耗的30%~40%，應用太陽能可使建筑能耗大大降低，實現太陽能與建筑結合，是建筑節能最有效的手段之一。事實上，太陽能與建筑“聯姻”已經倡導多年，但迄今為止并沒有取得實質進展。目前，我國應用較多的是真空管集熱器和平板集熱器如圖1所示。

1背景

聚合物在集熱器上的應用可以解決傳統集熱器使用中出現的問題，具有成本低、重量輕、耐腐蝕、低溫不結硬水垢等優點，最為重要的是，太陽能光熱建筑一體化一直是國家主推的節能建設方式，建筑風格的多變必然要求集熱器在形狀、顏色上迎合建筑物的需求。而聚合物集熱器由于都是通過模具制造，可以有很好的精度，制成的集熱器尺寸易變、造型多樣且易于安裝，比起傳統真空管、平板集熱器，聚合物集熱器更易搭配不同風格的建筑，為漂亮建筑“錦上添花”，從根本上解決了傳統太陽能集熱器破壞建筑美感的應用難點。

聚合物集熱器在低溫傳導的應用上具有極為廣闊的前景，應用于民用、公用建筑中，可得到適宜溫度的生活熱水；應用于工業熱源的預熱，可節省傳統能源的消耗；應用于泳池加溫，可延長泳池的使用時間；用于農業種植水產養殖，可豐富菜籃子工程等。目前，太陽能集熱產品應用范圍不斷擴大，市場對產品的要求越來越高，聚合物太陽能集熱器具有諸多的優點和卓越的性能，有望成為以后發展的趨勢，非常有必要對其展開進一步的研究。

2國內外塑料集熱器產業現狀

盡管早在1983年，美國Ramada Energy Systems公司就開始研制全塑料家用太陽能熱水器；巴西的Aquecedor Solar Transsen公司也相信塑料吸熱體的前景，已啟動安裝有聚丙烯吸熱體的新型PortoSeguro平板集熱器生產線；2010年，挪威奧斯陸AS 公司的Aventa 生產出一種耐高溫的聚苯硫化物（PPS）集熱器，但總體來說，這些產品并未突破傳統集熱器的思維禁錮，管路、結構設計與平板雷同，塑料易加工成型的優點沒能充分體現。

在國內，市場很少有蓋板的塑料集熱器，就連無蓋板集熱器產品也很少，企業對聚合物集熱器研究極少，產業停滯于初級階段。聚合物材料存在的太陽能光譜選擇性吸收性能差、熱傳導率低、易紫外老化等問題，也未曾得到很好的解決。總體來講，由于技術的落后，目前我國聚合物太陽能集熱器的銷售額很不樂觀。太陽能聚合物集熱器如2所示。

3新型聚合物集熱器的研發

針對目前的產業現狀，聚合物集熱器的關鍵在于攻克太陽能光譜選擇性吸收性能差、熱傳導率低、易紫外老化、結構原始、顏色單調的難點，開發出一種熱效率高、使用壽命長、安裝方便、風格多變的建筑一體型高效聚合物太陽能集熱器。廣州能源研究所太陽能實驗室在此方向進行多年的研究，獲得了一定的成果。

3.1太陽能光譜選擇性吸收聚合物材料研究

使用具有太陽能光譜選擇性吸收性能的涂層，可以最大限度采集太陽能的同時盡可能減少熱損失，從而提高太陽能集熱器的效率，在傳統的真空管、平板集熱器中使用非常廣泛，顏色局限為黑色和藍色。但是在聚合物基底上很難實現，因為聚合物集熱器采用高分子材料基底，有別于真空管、平板集熱器的玻璃或金屬基底，一方面高分子基底一般不具備低發射特性，另一方面聚合物材料熱脹冷縮率大，采用化學電鍍、磁控濺射或噴涂等后天制備的涂層在惡劣的戶外使用環境下很易脫落。

一般而言，如果將聚合物本體材料做成黑色，很容易達到高吸收比，但發射比也往往高于0.8，將導致集熱器的熱效率非常低；同時，單調的黑色不利于與建筑風格的融合，無疑是對建筑美感的破壞。

針對聚合物材料的特性，研究一種新型高效、工藝適合的選擇性吸收材料很有必要。金屬氧化物是通過對大量材料的光譜分析選擇出來的特定填料，它保持高吸收比的同時又有較低的熱輻射比。通過控制、優化微納米鋁粉球的氧化層厚度及其在基體中的分布來提高材料的光譜選擇性吸收性能，同時，通過采用材料共混復合而不是單純的表面噴涂的方法，解決塑料基底熱脹冷縮帶來的涂層壽命問題，可采用吹塑、擠出、真空吸塑熱壓的任何一種方法制備。周大綱[7]采用碳黑、金屬氧化物與聚丙烯塑料共混復合方法制成的高光譜選擇、高導熱系數的塑料復合材料，光學性能吸收比0.94，發射比0.3，材料導熱系數為0.94W/m·K，用該材料制成的1.02m²的集熱器，配78.5公斤水量的太陽能家用熱水器平均日效率可達54.3%，平均熱損系數僅為2.34W/m·K，且使用壽命高達9年以上。

建筑風格和顏色的多變必然要求集熱器也能在形狀和顏色上迎合建筑物的需求，但顏色的改變是否會影響集熱器的性能？為此我們制備了不同顏色的小樣品，并進行了用紫外分光光度計進行光學性能的測試。測試結果不同顏色的樣品吸收率分別為黑色：95.78%，灰色：90.17%，綠色86.94%，紅色69.63%，數據表明，吸熱板芯顏色的改變對吸收性能有影響的，但在選擇深色系的顏色時，差異并不明顯，這可為生產不同風格的集熱器奠定了基礎。不同顏色的聚合物樣品吸收比如圖3所示。

3.2高熱導率、耐熱、高機械性能聚合物材料的研究

由于一般聚合物的熱導率都比較低，如聚丙烯的導熱系數為0.17W/m·K，嚴重阻礙聚合物材料在太陽能加熱方面的應用，對材料進行改性，可以通過優化碳納米管在復合材料中的取向程度來提高整個材料的熱導率、降低聚合物基體的熱膨脹系數，如宋鵬程[4]已經使用完全定向的高密度碳納米管相變復合材料的方法，制作出導熱率達到3.15W/m·K 的碳納米管陣列/PMMA 復合材料導熱片。優化石墨在基體中的合理分布來提高復合材料的機械性能，提高材料的扭矩、料溫及時間來提升良好成型加工能力。陶國良[5]采用在聚丙烯基體中合理分布石墨、碳纖維（CF）的方法，將其熱導率提升至2.1W/m·K，拉伸強度達到51.49MPa，顯著提高復合材料的導熱性能和力學性能；聚合物集熱器在使用過程中會因為UV 輻射和高溫環境等因素破壞，可以通過集熱器表面加玻璃蓋板過濾或使用穩定劑來避免紫外輻射老化，發展共混改性材料來避免高溫老化。

3.3高效聚合物集熱器的結構設計與研究

盡管市面上有聚合物集熱器產品，但這些產品并未充分體現塑料容易加工成型的優點，其集熱器的結構、流道設計未突破傳統集熱器的限制，多為管翼式結構，由于塑料的導熱性差，此種結構直接導致集熱器熱效率的低下。

為進一步提升熱效率，避免聚合物導熱系數低引起的熱損失，可對集熱器的結構進行創新設計，引用聚光結構時，使得太陽能光可以聚集到吸熱管中，引用全流道結構時，成為雙重板型，提高吸熱體與工質的換熱面積。
根據上述材料，設計制作了一款全流道裸板聚合物集熱器的測試系統，包括以下部件：1 張1020mm×800mm的全流道聚合物集熱器、帶保溫的波紋不銹鋼管路、直流無刷循環水泵、水表、40L保溫水箱。測試地點廣州市，水流速度2.4L/min，當天全天藍天無云，風速小于2 米/秒。測試結果如表1所示。集熱系統瞬時效率曲線如圖4所示。

擬合得到的線性方程截距為0.68，熱損系數為5.1W/m²·K。

3.4簡單、高效生產工藝的研究

采用注塑、吹塑或雙板真空吸塑熱壓成型的方式加工的吸熱板芯，一次成型，無需額外接頭。也可以采用擠出的方式擠出一定規格的聚合物管，然后通過熱熔焊的方式將聚合物管拼裝成高選擇性聚合物吸熱管。保溫材料和邊框優選聚氨酯材料，

 

 

這樣可通過模具原位發泡一次成型，同時反光槽也在這一步成型，將透明蓋板覆蓋在聚光吸熱板芯上方，并在保溫層和邊框外部噴涂聚合物保護層，得到聚合物集熱器。

可以看出這種集熱器非常容易生產，加工工藝簡單，整個過程不需要切割、焊接或壓合，也無需螺絲、鉚釘或內楔件等的組裝，節省了大量的人工，極大提高了生產效率。而一維全聚合物太陽能聚光集熱器采用擠出一次成型方式加工，生產效率極高。

3.5集熱器風格與建筑的適應性研究

由于聚合物非常容易成型，集熱器外觀可以是正方形、長方形、六邊形、多邊形的任何一種，蓋板可以是平面結構和非平面結構。這種多變的外觀使得聚合物集熱器可更加靈活地應用在現代建筑上，是傳統的真空管、平板集熱器所望塵莫及的。

在保證光熱轉換效率、使用壽命等綜合性能前提下，可通過專業、貼近用戶的工業設計，研制出多種結構、形狀、顏色和適于建筑相結合的高效聚合物集熱器，突出滿足80 后、90后消費群體對個性定制、多變風格效果的訴求，實現了對太陽能集熱器產品的顛覆。太陽能聚合物集熱器及陣列如圖5所示。

4展望

隨著可持續發展戰略在世界范圍內的實施，太陽能的開發利用已被推到新的高度，至本世紀中葉，世界范圍內的能源問題、環境問題的最終解決將依靠可再生能源特別是太陽能的開發利用。聚合物太陽能集熱器生產工藝簡單、性能高效、成本低廉，非常符合利用可再生能源、進行可持續發展的戰略要求，具有廣闊的市場前景。但是，目前從事這方面研究的機構、企業甚少，未能形成規模效應和示范效果，另外，聚合物材料的耐老化性能還應進一步在應用中獲得檢驗。

 參考文獻

1.Silingiris P T T.Towards making solar water heating technology feasible-the polymer solar collector approach [J].Energy Conversion and Management，1999，40：1237~1250.

2.Davidson J H，Mantell S C，Jorgensen G J，et al．Status of the development of polymeric solar water heating systems[J].Advances in Solar Energy，2003，15：149~186.

3.Dimitrios M，Zarkadas，Kamalesh K，et al.Polymeric hollow fiber heat exchangers-An alternative for lower temperature applications[J].Ind Eng Chem，2004，43：8093~8106.

4.宋鵬程，劉長洪.碳納米管復合導熱材料的結構與性能研究[D].清華大學，2007：1~57.

5.陶國良，涂善東.石墨/ 碳纖維/ 聚丙烯高強導熱材料的研究[J].中國塑料，2004，40（11）：32~35.

6.吳嘉輝，楊麗庭，宋科明，林少權.聚合物太陽能集熱材料研究進展[J].廣東化工，2011，1（38）：90~93.

7.周大綱.太陽能光熱轉換塑料材料研究[J].上海塑料，2001，2：19~21.

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