太陽能熱水器：技術與標準永不停息
發布時間：2015-07-03 點擊量：2778
從全玻璃真空太陽集熱管到家用太陽能熱水系統，一系列國家標準的出臺實施，催生了太陽能集熱產業，使我國太陽能熱水器市場從無到有、從無序到規范，推動著太陽能熱水器產品質量不斷提升、能效水平不斷升級。
技術發明者也是標準制定者
1996年，《全玻璃真空太陽集熱管》國家標準開始制定。此項技術的發明者，清華陽光公司積極投入到該項國家標準的編制中。
20世紀70年代末，幾經波折的清華大學電子系終于從綿陽分校搬遷回清華園。教師學者們在綿陽更多地經受勞動鍛煉，專業研究已經擱置多年。回校后，世界科技發展已經進入新的階段，而作為原來電子系核心專業的電真空專業，由于受到半導體技術快速發展的沖擊，原來的電子管相關技術發展基本停滯。新的研究方向如何確立，成為擺在重新回到教學研究崗位上，熱情高漲的學者們面前的迫切問題。
美籍華人貝聿昆先生早年畢業于麻省理工學院，是世界極具權威的玻璃、陶瓷和新能源專家，在玻璃和陶瓷領域擁有45年的豐富經驗和大量發明，對玻璃材料有著較為深厚的了解。上世紀70年代，美國為了應對能源危機，加大了對新能源的研究投入。在美國政府的資金支持下，貝聿昆先生發明了全玻璃真空集熱管。但由于成本問題，當時并沒有得到推廣，加之石油危機結束，美國政府支持資金大量減少，太陽能的研究暫時擱置。
1978年是70年代能源危機末期，國內對于新能源開發的緊迫性也有所認識，北京市太陽能研究所開始籌建。貝聿昆先生將其在美國的研究成果——全玻璃真空太陽集熱管的樣品帶到國內進行了展示，引起了學者們的濃厚興趣。清華陽光首席科學家殷志強教授敏銳地感覺到這個產品的應用前景廣闊，在他的推動下，1979年清華大學成立了全玻璃真空太陽集熱管研究小組。以殷志強教授為首的團隊對于電子管等電子器件有較深入的研究，對于真空獲得及保持、鍍膜、玻璃加工等有著較深的造詣。因此，我國第一支全玻璃真空太陽集熱管很快就在實驗室誕生了。但是，全玻璃真空太陽集熱管及其熱水系統的產業化是個系統工程，還涉及硼硅玻璃3.3的生產、薄板不銹鋼焊接、機械加工、生產線建設等一系列問題。該產品的成功還結合了清華大學其他院系及其他單位諸多專業人員的智慧，是多領域混合式的技術創新。
在殷志強領導科研小組制成全玻璃真空太陽集熱管樣品的同時，上海硅酸鹽研究所和沈陽玻璃二廠也研制出了全玻璃真空太陽集熱管樣品。1984年，殷志強教授發明“磁控濺射漸變鋁—氮/鋁太陽選擇性吸收涂層”，使太陽能集熱管的大規模生產和商業化應用成為可能，直接催生了我國太陽能熱水器市場的形成，成為我國國家級產學研項目的光輝典范。
1985年，清華大學將技術轉讓給北京紡織局，開始具有年產3萬支集熱管的能力。1989年，清華大學得到凱利公司的支持，建成年產15萬支的集熱管生產線。1991年，清華大學殷志強教授等舉辦太陽能熱水器培訓班，無償提供熱水器圖紙。1992年以后，全玻璃真空太陽集熱管開始供不應求，同時清華大學又將技術轉讓給揚州華揚公司和山東泰安鐵將軍公司。
隨著全玻璃真空太陽集熱管市場需求的出現，市場準入技術標準的制定成為行業關注的熱點。為了保證質量和規范產品，1995年，賈鐵鷹(現任中國太陽能標準化委員會秘書長)多次找到殷志強教授探討關于制定集熱管標準的事情。1996年，《全玻璃真空太陽集熱管》國家標準開始制定。因為是此項技術的發明者，清華陽光公司積極投入到該項國家標準的編制中。經國家技術監督局批準，國家標準《全玻璃真空太陽集熱管》(GB/T17049—1997)于1997年11月3日發布，并于1998年4月1日實施。此項標準的實施保證了全玻璃真空太陽集熱管的產品質量，促進了太陽熱水器產業的健康發展，也有利于與國際市場接軌。
由于當時國際上沒有相關的標準，因此清華陽光提出了熱性能和材料兩大指標。在熱性能方面，經過研究開發和多次試驗，提出了空曬性能參數、悶曬太陽輻照量和平均熱損系數3個熱性能參數。悶曬太陽輻照量和平均熱損系數是由殷志強和吳家慶經過大量的試驗才確定了的。在此之前，國際的研究和論文中只有空曬溫度這個名詞，在測試過程中，殷志強和吳家慶發現太陽輻照度和環境溫度對空曬溫度有影響，那么如何才能將太陽輻照度和環境溫度的影響體現出來?經過大半年的反復計算和測試，空曬性能參數才被制定成功。
標準要代表先進生產力
作為標準起草人的殷志強堅持在國標中規定必須使用硼硅玻璃3.3，以保證產品在戶外的長期安全穩定運行。
關于對材料的要求方面，當時有硼硅玻璃的國際標準，但對透射比卻沒有要求，為此清華陽光提出了玻璃管的太陽透射比，同時對太陽選擇性吸收涂層規定了吸收比和半球發射比的指標。在研發階段，使用的是膨脹系數比3.3玻璃要大的玻璃，在制定國標時將3.3寫進標準曾遭到不少人的反對。當時北京玻璃儀器廠的沈長治廠長給予了大力支持，因為當時北玻廠正在引進硼硅玻璃3.3的生產線。編寫組認為，國家標準要代表先進生產力，因此最后還是將玻璃材料定成硼硅玻璃3.3。經過十幾年的市場考驗，這一舉措被證明是完全正確的。
在上世紀80年代初清華大學進行集熱管實驗室研究的時候，使用的是北京玻璃儀器廠的95料玻璃，因為硼硅玻璃3.3的身價不菲，所以并沒有使用。但是在全玻璃真空集熱管小批量生產的時候，殷志強教授堅持使用硼硅玻璃3.3。全玻璃真空太陽集熱管在室外惡劣環境下使用，管內存水溫差大，同時雙層管之間的真空夾層又對密閉性要求很高，因此對玻璃材料的要求比較苛刻。如果玻璃管在使用中破裂，水箱內的水將全部流出，帶給用戶很大的不便。產品如果不能大量穩定運行，也將直接影響到新產品的推廣。但是，當時國內只有北京玻璃儀器廠能夠生產這種玻璃，價格也相對高昂。很多人提出能否使用其他玻璃材料，但是在殷志強的堅持下，最終確定為硼硅玻璃3.3。因此，1997年制定全玻璃真空太陽集熱管國家標準的時候，是否規定全玻璃真空集熱管必須使用硼硅玻璃3.3，又成為矛盾的焦點。一些專家認為不應限定玻璃，可以根據市場需要采用其他玻璃材料。但是，作為標準起草人的殷志強教授和清華大學的其他老師堅持在國標中規定必須使用硼硅玻璃3.3，因為從行業的大局和產業長遠發展的角度考慮，該產品的材料不能輕易降低標準，否則難以保證其在戶外的長期安全穩定運行。
全玻璃真空太陽集熱管加工性能優越，使用可靠性高，生產損失小，是大規模生產的基礎保證。同時集熱管在我國乃至世界各種氣候條件下穩定運行的壽命可以達到20年，也得益于硼硅玻璃3.3。在我國的引領下，國際太陽能用管也基本都使用這種玻璃，可以說從開始我們就走在了國際前列。
在市場需求的驅動下，這種玻璃的成本由每噸上萬元快速下降到了現在的只有3000多元，使得全玻璃真空太陽集熱管的制造成本得以大幅度下降，規模化生產得以實現。正是由于當時的高瞻遠矚，才使得硼硅玻璃3.3和全玻璃真空太陽集熱管相輔相成，走入尋常百姓家。
除了材料之外，在產品試制階段，集熱管的長度、直徑都經過了嚴謹的計算，但是也存在著一些偶然因素。根據研究實驗和理論計算，最初選定的集熱管外管直徑是50mm，但是當時的產業還在起步階段，需求量達不到廠家的最小生產批量。因此，最初規模化生產的集熱管就選擇了市場上已有的直徑47mm標準玻璃管。當時人們還希望等產量上去后，再改回理論上最佳的50mm玻璃管。很快，這個產學研項目就達到了年產50萬支的規模，但是由于已有大批外管直徑為47mm的集熱管和熱水器在市場上銷售，考慮到配件、生產工裝等一系列問題，也就沒有再進行改動。后來，部分企業開始使用外管直徑58mm的玻璃管，并配合鋪天蓋地的廣告。從視覺效果來說，管子變粗變長后，產品確實更加美觀，熱水器溫升水平也可以得到提高，但是其效率是降低的。不過，大管現在卻逐步成為了市場的主流。
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