平板太阳能集热器抗冻研究进展
来源：中国太阳能产业资讯
平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也是世界太阳能市场的主导产品。集热器中常用的循环工质是水，在冬季低温条件下容易结冰，而水结冰是体积膨胀过程，产生的力相当巨大，易使集热器破裂损坏，因此平板集热器的冬季冻结问题一直受到人们关注。
1水的解冻机理
水的结冰过程为：水的温度降到0℃以下，成为过冷水，当过冷水中出现尺寸大于临界尺寸的冰核时，结冰过程开始。冰核在过冷水中长大，最终成为宏观意义上的冰。一定过冷度的过冷水是否发生结冰受到许多因素的影响，其中包括水的流动状态；结冰基体表面集合特性、物理特性、表面面积以及外加的作用力等。研究这些因素对过冷水发生结冰的影响，有助于提出防止结冰发生的新思路，解决寒冷地区输水、过冷水制冰等工业应用中水的结冰问题，特别是解决太阳能热水系统中的防冻问题，推动太阳能热水系统的应用。
1.1影响过冷水结冰的因素研究
对过冷水的冻结机理，各国太阳能热利用行业人士对不同的外界因素对过冷水发生结冰的影响进行了研究。我国太阳能热利用专家在此基础上做了研究。研究结果表明，结冰集体表面粗糙度对过冷水发生结冰没有影响，只有在表面粗糙度达到纳米级的改变时才有较大的改变；结冰基体表面材料对过冷水发生结冰具有明显影响；对结冰基体表面的摩擦和按压将明显提高该表面过冷水发生结冰时的温度；表面磁化处理对过冷水发生结冰具有迟滞作用，流动对过冷水发生结冰没有明显影响；结冰基体的表面积对过冷水发生结冰具有一定的影响，但并不显著。
1.2圆管内水的冻结顺序研究
常用的平板太阳能集热器的流道为圆管，因此圆管内流动水结冰影响因素的研究非常必要。国外一些学者对圆管内流动水结冰的因素进行了研究，我国在国外研究成果的基础上进行了进一步的实验研究，并认为圆管内流动水是否发生结冰仅与圆管内表面最低温度有关，流动对结冰的发生没有影响。
2顺序冻结理论
2.1冻结原理
在自然状态下，管子内水的冻结顺序是轴向由两端向中间冻结，径向由管壁向管的中心冻结。而通过外加热库（热源）可改变冻结顺序，即由冷端冻向热端。如果在一根管子的上端加上一个热水瓶，管子就会由下而上冻结，管中的水因结成冰而产生体积膨胀，将未冻结的水自下而上逐渐挤进热水瓶，因此，不会将管子胀裂。
2.2顺序抗冻热水器
根据顺序冻结理论行业人士设计出一种抗冻太阳能热水器，其上下集管和循环管均采用橡胶材料，而排管则采用高效铜铝复合条带，由于上下橡胶集管直径大、容水多、散热性能远远低于带有肋片、传热性能好的排管，这样上下集管相对于排管而言起到了热源作用，从而实现了排管由中部向两端的冻结顺序。排管中膨胀排除的水排到集管中，因上下循环管的上端与储水箱相连，故水箱对集管起着热源作用。冻结过程从下部开始，逐渐向上，冻结膨胀排出的水流入水箱，上下集管最后完成冻结，其中余下的一部分水冻结膨胀，由于橡胶具有弹性，不会被胀裂。
2.3顺序抗冻太阳能热水器的特点
顺序抗冻太阳能热水器依据顺序冻结理论设计制成，达到了冻而不坏的抗冻目的，其热性能优良。由于采用了橡胶，虽然具有较好的弹性，但在长期日照和冰冻过程中，容易老化，影响了热水器的寿命。
3传热工质（双回路系统）
由于水冰点高，结冰体积膨胀，是造成集热器冻结的原因。于是人们又提出一种思路，如果将传热工质换成其他冰点低于环境温度的液体，在水箱中加一个换热器，将传热工质带来的热量通过换热器间接传递给水箱中的水，就能很好地解决防冻问题。这就是双回路系统。目前，双回路系统是发达国家太阳能热水系统的主流，集热器回路大多是强制循环式（温差控制强制循环），也有自然循环式（如澳大利亚的Sofahart)。
双回路系统的传热工质是防冻防腐的介质，能够有效防冻，并解决了硬水结构的问题。
4外加控制器
为了解决集热器的解冻问题，一些专家提出了外加控制器的方法。当集热器的温度在有可能结冰的情况下，将集热器中的水从防冻阀中排出，避免冻坏集热器，根据采用控制器的不同，采用不同的强制循环系统方案。下面以温差控制间接强制循环回排系统为例。
图1为温差控制间接强制循环回排系统，以水作为工质，回排水箱用于收集系统管道中的存水，是专为防冻和抗冻而设置的。当泵停止工作时，集热器和管路中的水靠重力自动排空；当泵工作时，水充满了系统，并进行循环。通过水箱中的换热器将集热器获得的热量传递给水箱中的水。
从图1可知，温差控制间接强制循环回排系统不仅防冻，而且通过在水箱中加入电加热器，在阴雨天可以利用辅助能源（电能）对水箱进行加热，保证了用户的全天候使用，但由于结构复杂，给安装和安全可靠带来了麻烦。
5集热器结构
太阳能集热器结构抗冻的基本思路是利用集热器六道本身的特殊结构和材料特性，使流道在温度降低时，能够吸纳水冻结时体积的膨胀；而在温度上升冰融化成水时，又能自动恢复原来的形状，并能保证这种功能的多次重复，以保障设备长期运行的安全性。
5.1弹性元件抗冻
早在20世纪90年代，我国就有人提出了一种弹性管道抗冻解决方案，其特制吸收体含有与翅板或管板换热元件相结合的弹性管或弹性内层复合管壁，还含有弹性输水管和一个蒸汽输送管与弹性输水管紧贴的蒸汽发生器，可以很好地吸纳水冻结时体积膨胀。利用管元件的三通和产生负压的特性和双金属单向受热打开特性，利用太阳集热元件闷晒产生的蒸汽自动对输水管解冻。根据这种抗冻方法设计了一种平板—真空直流太阳热水器系统。
云南的研究机构提出了一种弹性抗冻集热片，直接使用每块太阳能集热片中集热管自身弹性，预先压制形成一定弹性变形量的预变形体，以完成抗冻功能。
5.2菱形流道结构抗冻
甘肃太阳能研究所对平板集热器结构抗冻原理、流道设计、材料性能和制造工艺进行了广泛研究，并在优化设计和材质分析对比的基础上，研制成一种菱形流道的铁索体型不锈钢结构抗冻平板太阳集热器。这种太阳集热器结构简单、热效率高、水质清洁、使用寿命长，适于在我国北方和高海拔地区全年使用。经过实验研究证明，这是一种平板太阳集热器越冬的有效、实用、可靠的方法。
5.3异性管抗冻
昆明理工大学太阳能工程研究所提出了一种异型管抗冻型太阳能集热器。这种集热器的排管和集管都采用椭圆管结构，当管内水冻结而体积增大时，椭圆管容易产生变形而胀大，管子不会因应力过大而破坏。这种特殊的太阳能集热器经过多年年工程试用，未出现冻坏现象。但其工作过程及冻结过程的机械行为、基础理论还有待进一步研究。
6结语
本文简单介绍了目前主要几种太阳能热水器抗冻的思路，并对提出的相应太阳能热水器（系统）的优劣进行了阐述。强制循环系统成本较高、不易安装，可靠性不高；双回路系统在国外市场上很受欢迎，结构简单，但为占据国内主要市场。顺序抗冻热水器受使用寿命的限制；结构抗冻热水器特别是异型管抗冻型太阳能集热器，结构简单、经济性好，可能成为太阳能热水器（系统）抗冻研究的一个新的发展方向。
