第2章 太阳能集热器心脏

——真空集热管

康延滨（皇明太阳能股份有限公司）

一、真空集热管简介

1．真空集热管构造

真空集热管，简称真空管，全称为全玻璃真空太阳集热管，构造如图1所示，像一个拉长的暖瓶胆，由两根玻璃管组成，内、外玻璃管间抽成真空，选择性吸收表面（涂层、膜系）沉积在内管的外表面构成吸热体，将太阳光能转换为热能，加热内玻璃管内的传热流体。

真空管采用单端开口设计，通过一端内、外管环形熔封起来，其内管另一端是密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子，将吸热体玻璃管圆头支承在罩玻璃管的排气内端部。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形成热膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空管开口端部的热应力。

2．真空集热管应用

真空集热管是真空太阳集热器的核心集热元件，就像汽车的发动机一样，是汽车的心脏，给热水解决系统提供源源不断的热动力，是目前新能源利用中的主力军。

真空集热管的热损低，可以在冬季寒冷与太阳辐照不很强的地区工作；可以运行在中、高温度。在寒冷地带能四季提供生活用热水，还可以烧开水、高温消毒，也可以太阳能烧烤、烹饪、炖菜等，实现无污染纯绿色加工食物，保持原味；工业用热、除湿、干燥、空调、制冷、暖房种植，养殖与海水淡化等方面应用广泛（图2～图5）。

二、真空集热管发展史

1．起源与发展

20世纪70年代中期，由美国欧文斯-依利诺伊（Owens-Illionis）公司与美国通用电气公司推出商品，随后澳大利亚悉尼大学进行研制，并与利民（Rheem）公司合作建立制造全玻璃真空太阳集热管生产线。我国是20世纪80年代开始研究，90年代玻璃真空集热器得到快速发展，其年产量逐年快速增加，至今，中国集热管生产量和使用量已经位居世界之首。

2．重点经历

1985年，由殷志强教授发明了渐变铝-氮／铝太阳选择性吸收涂层，采用单阴极磁控溅射技术，从而开创了世界上采用一种阴极金属材料制备太阳选择性吸收涂层，其性能优良，成本低。同时北京特硬玻璃BJ-TY和高效完善的高真空排气系统的结合，为全玻璃真空集热管规模化生产铺平了道路。

2001年皇明集团首席科学家章其初博士的专利发明，高效吸收、超低发射、耐高寒的“三高真空管”领先世界。膜层层次较少，层与层之间的互相干扰小，每一个膜层的厚度及离子填充度可以调整到最佳状态，两个吸收层形成两个吸收波谷分别处于太阳光的主要能量集中波段处，即其吸收率可以达到理想状态。使真空集热管性能提升，实现科研技术从实验室研究到批量化大规模生产零距离。

2007年，皇明太阳能集团在内无参照外无引进的前提下，建成了首条真空管自动流水生产线，开创了太阳集热管高品质、规范化、大规模自动化生产先例，填补了世界空白，为太阳能行业发展扫清了障碍，解决了太阳能热利用工业化的全球性难题。

三、真空管重点生产线

1．自动清洗线（图6）

具有严格的清洗功能和自动传输，实现清洗、冲刷、烘干等自动运行，自动清洗线上有刷洗、冲洗、喷淋、去离子水冲洗、冷风刀、热风刀等多道工序，升降架自动刷洗、吹干。利用了环形的风刀切水，燃气加工纯净的热风来烘干。保证了镀膜前内玻璃管的清洁，满足镀膜的要求。与传统人工刷洗相比标准更高，更规范，清洗效果更彻底，有效防止内管清洗过程中的人为污染，大大降低了内管脱膜率，效率大幅度提高，工人的劳动强度降低，节省了大量成本。清洗线的投产使用，为提高真空管内管镀膜质量提供了强有力的保障，也为大规模的真空管生产奠定了基础。

2．自动镀膜线（图7）

自动镀膜线为立式步进式、连续镀膜设备，由内外传输系统、真空系统、控制系统、真空溅射部分组成，真空镀膜溅射区分为14个溅射室，溅射电源采用中频电源，溅射电源和中心控制系统实行全封闭。工件架在中间行走，孪生靶向中间溅射。采用工控机、触摸屏和PLC对镀膜线进行控制，可实现传动、溅射工艺、故障报警、监控等自动控制，真空室压强、气体的流量、电压的波动、功率显示、工艺时间等一系列重要的数据都是自动调节。自动镀膜生产线日产2万支真空管，相当于单台镀膜机30台同时节省了大量人力。保证高吸收、低发射镀膜技术稳定运行。

3．自动真空排气线（图8）

自动真空排气线是一条集真空排气、退火、吸气剂除气、尾管封离于一体的全自动生产线。设备采用连续传输、立式退火排气的工作方式，由长圆形机械回转主体、隧道式烘箱、红外加热、线体传输、排气台车、实时监控、主控制中心等组成。控制系统采用集中控制，有完善的检测报警系统，可实现扩散泵缺水、短相，真空系统漏气，排气温度，退火温度的自动检测、报警，并能实现相应的在线保护。此生产线配备24h全程工艺监控体系，采用无线传输方式实现对生产工艺参数的实时监控，排除了人为因素对生产流程的影响，日产真空管20000支，真空度优于2.0×10-3Pa，高于国标的100倍。保证真空管的寿命，让消费者得到最大的效益。

四、真空集热管生产工艺流程

1．生产工艺流程（图9）

2．工艺说明

2.1 外玻璃管（图10）

目前各真空集热管生产厂全部采用自动化的生产设备实现玻璃加工，加工工艺如下：

（1）采用热胀冷缩原理，先进行局部加热，再进行冷冲击方法，将两端参差不齐的毛管一端切齐；

（2）利用火焰烧熔玻璃，利用机械手把余料拉掉，利用气体按要求尺寸将切齐口的另一端吹成圆底；

（3）利用设备或人工将圆底的半成品与尾管对接在一起；

（4）接好尾管半成品加工部位进行退火。

2.2 内玻璃管（图11）

目前各真空集热管生产厂全部采用自动化的生产设备实现玻璃加工，工艺如下：

（1）采用热胀冷缩原理，先进行局部加热，再进行冷冲击方法，将两端参差不齐的毛管一端切齐；

（2）利用火焰烧熔玻璃，利用机械手把余料拉掉，利用气体按要求尺寸将切齐口的另一端吹成圆底；

（3）将圆头部位退火。

2.2.1 清洗

将内、外管进行清洗，将表面污着物清除掉，然后经自来水和去离子水冲洗，最后进行高温烘干处理。内玻璃管清洗分人工清洗和自动清洗两种。

（1）人工清洗：采用人工擦洗或刷洗，然后把内玻璃管插在周转架上进行自来水、去离子水冲洗，入烘箱烘干。

（2）自动清洗：全自动内管清洗线由上、下料工作台，刷洗区，冲洗区，切水区，检验区，内管工装车，主传动机构，回车线，控制系统等组成。PLC自动控制系统，实现除上、下管外完全自动化，与传统人工刷洗相比标准更高，更规范，清洗效果更彻底，有效防止内管清洗过程中的人为污染，大大降低了内管脱膜率，效率大幅度提高，工人的劳动强度降低，节省了大量成本。该线采用环形刷刷洗，液体喷嘴冲洗，环形风刀切水等世界先进工艺。清洗线的投产使用，为提高真空管内管镀膜质量提供了强有力的保障，为大规模的真空管生产奠定了基础。

2.2.2 镀膜（图12）

将烘干后的内管装配到真空室内，在真空状态下，磁控溅射镀膜，在内管外表面形成选择吸收涂层。分为单体体镀膜机镀膜和全自动镀膜线镀膜两种。

单体镀膜机镀膜：把待镀膜内管装入镀膜机内，关门抽真空，真空度达到后进行镀膜，然后开门取镀好的内管，再装入内管，如此循环。

全自动镀膜线镀膜：全自动镀膜生产线是世界上首条实现真空管连续磁控溅射镀膜线，保证了真空管颜色的一致性和性能稳定性。采用工控机、触摸屏和PLC对镀膜线进行控制，可实现传动、溅射工艺、故障报警、监控等自动控制。镀膜室一直保持真空状态，膜层致密性好，纯度高。

2.2.3 装配

将罩管与弹簧卡子进行装配；将镀好膜内管与外管装配。目前装配方式有人工与自动装配两种。

2.2.4 封口

将内、外管管口部位在火焰上旋转，内外管烧熔后，完全环形熔封成形，并进行退火。

2.2.5 排气烤消

将封完口后的半成品真空管在排气台／线上，高温状态下将夹层抽成真空；然后用气割枪对尾管气密性封离，然后用火花检漏计进行检验后，用高频加热炉对吸气剂加热，把内部药粉激活形成镜面，吸取夹层内剩余气体和管在使用过程所产生的气体以保证真空管寿命。目前排气设备有单台的排气台和自动排气线两种。

2.2.6 装箱

将静止后的成品管支支检漏，外观检查合格后，进行装箱、打包、码垛入库。

五、真空集热管质量隐患

真空集热管厂家众多，质量参差不齐，消费者从外表看不出真空管质量，图便宜购买。购买后冬天不能用、热水温度低、发白漏气、炸管、冻堵。真空集热管重点质量隐患有以下几种。

1．吸收比低

造成热水器光热转换效率低或升温较慢；但吸收比是内在指标，看不见摸不着。

1.1 产生原因

镀膜设备落后，真空性能差，镀膜时的本底真空差，真空室内残余气体多，溅射致密性差；选择性吸收涂层，工艺参数调试的不合理；选用的原材料，如氮、氩气纯度及靶材的纯度低；镀膜设备微漏气、镀膜机的抽速稳定性及气体流量控制稳定性差。

1.2 控制措施

原材料一定符合原料质量标准；镀膜设备保证完好性及性能稳定性；合理选择镀膜的本底真空度；生产前调试，及生产中的管控，用专门仪器进行测量，并及时优化工艺参数。

2．发射比高

造成热水器整机降温幅度大，好比“车胎慢跑气”。

2.1 产生原因

镀膜设备落后，真空性能差，镀膜时的本底真空差，真空室内残余气体多，溅射致密性差；生产不连续，镀膜时工艺参数不稳定；膜系的限制，工艺技术水平有限。

2.2 控制措施

镀膜设备保证完好性及性能稳定性；合理选择镀膜的本底真空度；生产线连续运转，自动化程度高，产品质量一致性好；引进德国快速测量仪在线监测。

3．真空度低

影响使用效果，寿命短，“提前进入衰老期”。

3.1 产生原因

封离时真空度不够，追求效率，片面地降低成本；加热温度低，保温时间短，生产节奏快；无有效真空度监控保障。

3.2 控制措施

封离真空度作为雷区管控，严格控制真空度-4数量级，优于国标100倍；严格控制加热温度和保温时间，控制生产节奏；采用24h监控系统对排气线、排气台进行封离真空度及工艺参数的实时监控。

4．应力不合格

炸管、冻管、环炸、管口齐断，好比“不定时炸弹”装在热水器上。

4.1 产生原因

局部被加工部位未进行退火或退火不完全；退火设备与退火工艺不匹配；退火时的温度和时间选择不合适。

4.2 控制措施

选用合适的退火设备，制定退火工艺及标准；严格控制退火时的温度和时间；生产过程每（10±1）min抽检一次并做好记录。

5．烤消不充分

影响真空寿命，“心力衰竭”。

5.1 产生原因

原材料生产厂家质量保障能力差，吸气剂制作工艺和湿度影响得钡量；生产过程中焊吸气剂与卡子之间的距离不规范统一；烤消工艺不能保障，起蒸时间长，总蒸时间短。

5.2 控制措施

吸气剂进厂前进行得钡量、放气量测试试验，防止吸气剂厂家质量事故；生产过程中焊吸气剂与卡子之间的距离统一规范；保证生产线工艺起蒸时间、总蒸时间，作为雷区管理规定；专职检验员对入库管子进行支支检验，将烤消不合格品挑出。

6．发白、漏气

镜面消失无真空度、易引起冻管、整机吸热效率降低、不保温，“身患绝症”。

6.1 产生原因

最容易引起漏气的地方是玻璃加工点未完全熔封，如接尾管、封口、封离工序；操作人员技能差；设备精度达不到要求；没有严格的检验标准及体系。

6.2 控制措施

各玻璃热加工点接尾管、封口、封离的熔封时间进行标准化；操作人员的及时实时培训，组织技能比武提升技能；引进采用自动化生产设备，减少人员的影响因素；生产过程的管理，用火花检漏仪支支检验。

7．划伤

机械性能差、操作不当、多次搬运造成玻璃管的硬划伤，好比人的皮肤被划破。

7.1 产生原因

操作接触时造成；多次搬运员工操作不规范化、标准化。

7.2 控制措施

各生产工序转序采用自动化传输，减少多次搬运、倒运，严格执行三检（自检、互检、专检）。

8．脱膜

膜层局部脱离内玻璃管外表面，集热面积少，整机集热效率下降，好比一个人“出十分工卖八分力”。

8.1 产生原因

内管表面清洗不彻底或内管表面被污染；镀膜设备出现异常；内管生产中的二次污染。

8.2 控制措施

全自动清洗线，实现表面的刷洗、冲洗、烘干功能；无尘区减少对内管表面的二次污染概率；在线去离子水检测保障清洗效果；镀膜设备的定期清理与保养。

六、真空集热管质量要求

（1）太阳选择性吸收涂层的太阳吸收比（AM1.5）：α≥0.91。

（2）太阳选择性吸收涂层的半球发射比：εh≤0.055（80℃±5℃）。

（3）空晒性能：太阳辐照度G≥800W/m2，环境温度8℃≤ta≤30℃全玻璃真空太阳集热管以空气为传热介质，空晒温度为ts，空晒性能参数Y=（ts-ta）/G。

φ47的真空管 Y≥200m2℃/kW

φ58的真空管 Y≥200m2℃/kW

（4）闷晒太阳辐照量：太阳辐照度G≥800W/m2，环境温度8℃≤ta≤30℃全玻璃真空太阳集热管以水为传热介质，初始温度不低于环境温度，闷晒温度增加35℃时，所需太阳曝辐量为H。

φ47的真空管 H≤3.6MJ/m2

φ58的真空管 H≤4.7MJ/m2

（5）平均热损系数：全玻璃真空太阳集热管平均热损系数ULT≤0.50W/（m2℃）。

（6）真空夹层内气体压强：全玻璃真空太阳集热管真空夹层内的气体压强P≤1×10-3Pa。

（7）耐热冲击：全玻璃真空太阳集热管应能承受不高于0℃的冰水混合体与90℃以上热水交替反复冲击三遍而不损坏。

（8）耐压：全玻璃真空太阳集热管内应承受1.0MPa压力。

（9）抗机械冲击：全玻璃真空太阳集热管应能够承受直径为30mm的钢球，于高度450mm处自由落下，垂直撞击集热管中部而无损坏。

（10）外观：外观检验标准（检验员视力≥1.0，检验条件为真空管置于160W（或4支640W）日光灯下照射；日光灯距离真空管1.5～2.0m）。

1）玻璃真空太阳集热管膜层颜色以蓝黑、黑蓝、黑紫为主，目测整体颜色上、中、下允许有轻微差异，但整箱真空管颜色必须一致。

2）全玻璃真空太阳集热管膜层不允许有直径大于2.0mm脱膜。

3）全玻璃真空太阳集热管膜层外观要求。

划膜：宽度0.3～0.5mm，管身上累计长度最长不得超过200mm；V形划膜不允许有，四角划膜允许有宽≤0.5mm，且每条长度小于5mm。

针孔：100范围内≤3个，整支管上≤10个；金边宽度为≤5mm。

膜层不允许有目测明显的水印、石棉印或膜层污渍；允许有不明显水印、石棉印、膜层污渍且面积分别不得超过900mm2。

4）距离全玻璃真空太阳集热管开口端的选择性吸收涂层颜色明显变浅区应不超过10mm。

5）划伤：全玻璃真空太阳集热管外管不允许有周向超过1圈的划伤。内、外管轴向划伤长度为：150～200mm的整支管上≤1条；100～150mm的整支管上≤2条；50～100mm的整支管上≤3条；50mm以下在100cm2内不允许多于2条，整支管上不超过4处。

6）全玻璃真空太阳集热管的内外玻璃管上不允许有直径大于1.0mm的结石，其中：玻璃管10mm×10mm的范围内（直径≤1.0mm的结石）≤1个，整支管上≤5个。

7）全玻璃真空太阳集热管内外玻璃管上不允许有直径大于1.5mm节瘤，其中：直径≤1mm以下节瘤不得密集，即10mm×10mm的范围内≤2个；直径1～1.5mm的节瘤，整支玻璃管上≤2个。直径≤1mm的节瘤整支管上结瘤总数≤5个。

8）气线：全玻璃真空太阳集热管的内外玻璃管管身气线累计长度≤100mm，宽度≤0.5mm，玻璃加工区域15mm内不允许有气线。

9）全玻璃真空太阳集热管的内外玻璃管上不允许有严重的直棱线（手感触摸明显）。

10）全玻璃真空太阳集热管的卡子应放置端正，不得松动，相邻两个脚长短相差≤8mm，卡子片偏移角度不能超过1个卡子片；吸气剂环不得掉落，卡子无发黑、发蓝现象。

11）全玻璃真空太阳集热管的镜面颜色为银白色或暗灰色。

12）全玻璃真空太阳集热管开口端距有膜区距离为：φ47真空管≤15mm、φ58真空管≤20mm。

13）全玻璃真空太阳集热管封口处过渡圆滑无粘连，无堆积，目测与触摸均无明显外翻、偏口、内缩、变形，圆头封离部分长度小于15mm（从底端φ15mm处算起）。

（11）尺寸

1）成品管的长度允差见表1（长度是从开口端至另一端φ15mm处）。

2）距离全玻璃真空太阳集热管开口端10～30mm处玻璃管的横断面呈圆形，罩玻璃管的外径径向最大尺寸与最小尺寸之比和内玻璃管的内径径向最大尺寸与最小尺寸之比不大于2。

3）全玻璃真空太阳集热管的弯曲度不大1.5‰。

（12）检验方法按GB/T 17049—2005另外，涉及的颜色主要以目测检验，涉及长度主要用钢卷尺检测。

（13）检验规则

1）出厂检验：全玻璃真空太阳集热管在装箱前应逐支进行本标准外观的全部的检验。

2）型式检验

a）在正常情况下，每半年应至少进行一次性式检验。

b）产品在下列情况之一时，应随时进行型式检验：新产品试制定型时；改变产品结构、材料、工艺时；停产超过半年，恢复生产时。

c）型式试验项目为本标准全项。

d）型式试验样品是在出厂检验合格的产品中随机抽取，抽取的样品不少于3支。

e）检验时3、4、5项有一项不合格者，判为不合格品；其余检验项有两项不合格，判为不合格品。

作者简介

康延滨：从事全玻璃真空集热管行业16年，对真空管、金属重力热管、太阳能微厨管、高温热发电及太阳能其他多种产品都有深入了解，其一直从事真空管的研发、生产技术工作，对行业的技术、生产工艺和新产品均有很深的研究。

“为了子孙的蓝天白云，实现全球微排”，我们一直努力，公司提出微排智慧集成系统及解决方案MePad（Micro-emission Smart Packaged Design）。

明天的皇明，有社会各界的大力支持和帮助，有皇明人的积极努力，将以更加辉煌灿烂的巨人形象矗立在世界太阳能之林！