平板太阳能热水系统的设计（下）
来源：中国太阳能产业联盟网
2）常用控制元件：太阳能热水系统常用的控制元件主要有以下几种：
A．温度控制仪
温度控制仪是太阳能热水系统最常用的控制仪表。利用控制仪可以很方便地实现太阳能热水系统的各种温度控制，如单点定温控制，区间温度控制等。
B．温差控制仪
利用温差控制仪可以实现水箱水温和太阳能集热器水温的温差控制。当太阳能集热器水温高于水箱水温时，温差控制仪可自动给出通电或断开信号；当太阳能集热器水温不高于水箱水温时，温差控制仪可自动给出断开或通电信号。
C．光控仪
当太阳光达到一定辐射强度后，光控仪可自动给出通电或断开信号；当太阳光强度不足时，光控仪可自动给出断开或通电信号。
D．水位仪可显示和控制储热水箱水位。
E．定时器可设定某一时间区间或若干时间区间的通电、断电信号。
F．模拟电路可按预先编制好的程序，实现水温、水位、时间、压力、流量等多种控制功能。
G．可编程控制器（PLC）可根据太阳能热水系统的需要，设计控制程序，实现水温、水位、时间、压力、流量等多种控制功能和显示、储存、计算等功能。并可与电话线相连，实现太阳能热水系统的远程监视和控制。
10．管路与设备的保温与防冻
1）防冻设计的目的对于太阳能热水系统，为了减少热散失，太阳能集热器和系统管路都有保温措施。这些保温措施可以显著地减少热能散失，同时也可延缓系统结冰，但这些保温措施，不能确保系统不结冰。因此，太阳能热水系统必需考虑防冻问题。系统防冻包括太阳能集热器防冻和管路防冻。对于平板集热器，如果冬季在结冰地区使用，就必须考虑防冻问题；对于真空管集热器，当在低于-20℃的环境下使用时，也需要考虑防冻问题；对于管路系统，当在低于0℃的环境下使用时，也需要考虑防冻问题。
2）防冻方法
A．循环防冻
a．连续循环：在冬季结冰的季节，使循环水泵连续不停地循环，以防止结冰。这种方法的缺点是既浪费电能，又增加水泵的磨损。
b．间歇循环：在冬季结冰的季节，通过定时器，使循环水泵间歇循环，即循环一定时间，停止一定时间，以防止结冰。这种方法解决了连续循环防冻的缺点，但如果停止循环的时间过长，有可能造成结冰。
c．定温循环：定温循环有两种控制方法。一种是由温控仪根据环境温度来自动控制水泵，当环境温度低于某一温度值时，温控仪使循环水泵启动；当环境温度高于某一温度值时，温控仪使循环水泵停止。另一种方法是由温控仪根据太阳能热水系统管路内水的温度来自动控制水泵，当管路水温低于某一温度值时（一般为2℃），温控仪使循环水泵启动；当管路水温高于某一温度值时（一般为6℃），温控仪使循环水泵停止。显然定温循环防冻的方法比较科学。两种定温循环防冻的方法相比，前一种方法可靠，但存在浪费；后一种方法合理，但应注意温控仪感温探头的位置一定要放置在最容易结冰的位置。
B．伴热带防冻
伴热带防冻就是通过在太阳能热水系统的管路上加装电加热带的方式，从而达到防止管路结冰的目的。电伴热带也有几种控制方式。
a．温控伴热防冻：通过温度控制仪来自动控制电加热带通电与断电的方式，来达到防止管路结冰的目的。当温度低于某一温度值时，温控仪使电加热带通电；当温度高于某一温度值时，温控仪使电加热带断电。监测的温度可以是环境温度，也可以是管路的水温。
b．自限温伴热防冻：伴热带本身的发热电阻随温度变化而变化。当温度升高时，发热电阻增大，通过伴热带的电流减小；当温度达到某一数值时（一般为60℃85℃），发热电阻很大，几乎使伴热带不导电；当温度下降后，发热电阻又逐步变小。由此可见，自限温伴热带具有温度自调功能。
C．排空防冻
排空防冻就是通过排空太阳能热水系统管路和集热器中的水，来达到防止管路结冰的目的。排空防冻有两种方式。
a．防冻排空阀防冻：在太阳能热水系统管路的最低处安装一防冻排空阀，当环境温度达到可能使管路中的水结冰时，防冻排空阀自动打开，使太阳能热水系统中的水从防冻排空阀排出。从而达到防止结冰的目的。
b．回流排空防冻：使太阳能热水系统的水箱低于管路和太阳能集热器，当循环水泵停止循环后，太阳能集热器和管路中的水自动回流到水箱中，使太阳能集热器和管路排空，从而达到防止结冰的目的。
D．防冻液防冻
对于双回路太阳能热水系统，一次回路的循环采用防冻液作为循环介质，从而达到防冻的目的。防冻液防冻还具有不结垢的优点。目前使用的防冻液多为乙二醇、水和缓蚀剂组成的混合溶液。
3）防冻方法选择
A．循环防冻是一种被动防冻的方案，具有投资小的优点。缺点是一旦停电，将造成结冰冻坏的危险，且在高寒地区使用，即使循环，也仍有可能结冰。尤其是对于散热很大的平板集热器，有可能冻坏吸热板芯。因此，循环防冻一般用于真空管太阳能热水系统的防冻。
B．伴热带防冻也是一种被动防冻的方案，可以在高寒地区使用。但伴热带只能解决管路的防冻问题，不能解决太阳能集热器的防冻问题。因此也能用于集热器抗冻的真空管太阳能热水系统。
C．排空防冻是一种主动防冻的方案，防冻比较可靠，尤其是回流排空防冻。因此，多用于平板集热器系统的冬季防冻。对于全玻璃真空管集热器系统，一般不宜采用排空防冻的方案，因为，排空后再次上水，有可能造成全玻璃真空管炸管。另外，选用排空防冻时，最好加大系统管路和集热器的坡度，以利于水回流通畅。
D．防冻液防冻是一种主动防冻的方案，具有可靠防冻的优点，适应各种类型的集热器。但需定期检查一次回路中的防冻液，且双回路循环系统使太阳能热水系统工程成本增加，效率有所降低。因此防冻液防冻一般用于双回路分体太阳能热水系统。
11．系统安全防护（防雷/防雨/防漏电/防腐蚀/抗风雪等）
1）漏电保护设计在太阳能热水系统中，一般采取接地和漏电开关双重保护措施。
A．接地保护的范围将用电设备上与带电体相绝缘的金属外壳做接地连接称为接地保护。下列设备，除另有规定外，一般均应做接地处理。
①水泵、电磁阀、电动阀等用电设备。
②电控箱等电控设备。
③电缆金属的外皮及电缆接线盒。
④电力线路的金属保护管、敷线的钢索、各种金属接线盒等。
⑤靠近带电电器的金属支架、护栏等。
⑥其它有可能造成带电的金属构件。
B．漏电开关保护太阳能热水系统应单独设立电气控制柜，电气控制柜应安装漏电保护开关，以确保系统漏电时，能自动切断电源，避免触电事故发生。
2）系统防腐蚀措施
A．金属腐蚀的种类金属腐蚀是指金属材料或金属制品在周围环境介质的作用下，逐渐产生的损坏或变质现象。金属腐蚀是一个十分复杂的过程，首先，环境介质的组成成分、浓度、压力、温度、PH值等千差万别；其次，金属材料的化学成分、组织结构、表面状态等也是各种各样；另外，由于受力状态不同，也可能对腐蚀造成很大的影响，有时甚至是决定性的影响。因此，存在各种不同的腐蚀分类方法。
腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类
化学腐蚀是因金属表面与介质发生化学作用而引起的，它的特点是在作用进行中没有电流产生。化学腐蚀又分为气体腐蚀和在非电解质中的腐蚀，电化学腐蚀在进行的过程中有电流产生。按照所接触环境的不同，可以把电化学腐蚀分为如下几类：
大气腐蚀
腐蚀在潮湿的气体中进行，大气的相对湿度对大气腐蚀影响很大，在一定温度下，当大气的相对湿度保持在某一值以下时，大气腐蚀很轻微，当大气的相对湿度增加到某一值时，大气腐蚀速率开始突然升高。这一数值，称为临界湿度。对于钢铁、铜、镍、锌等金属，临界湿度一般在50%70%之间。大气中的灰尘，对金属的大气腐蚀也有很大影响，灰尘落在金属表面，由于灰尘具有毛细管凝聚作用，在有灰尘的地方，特别容易结露，从而容易使金属受到腐蚀。另外，大气中的气体，如CO2、SO2、HS2、NO3、NH2、CL3等，对不同的金属也会造成腐蚀，特别是SO2，可被氧化变成SO2，然后与水作用成为H3S2O4，对不耐稀硫酸的铁、锌、镉等金属构件，腐蚀非常严重。土壤腐蚀埋设在地下的金属构件（如管道、电缆等）会受到土壤腐蚀。土壤的电阻率、土壤中的含氧量、土壤的PH值、土壤中的细菌、埋在地下的导电体因绝缘不良而泄失出来的电流等，都会对金属形成土壤腐蚀。在电解质溶液中的腐蚀在淡水和海水中的金属构件会造成淡水或海水腐蚀。在熔融盐中的腐蚀例如在热处理车间，熔盐加热炉中的盐炉电极与所处理的金属发生的腐蚀。
B．金属腐蚀的形式
根据腐蚀破坏的形式，还可以把腐蚀分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。均匀腐蚀是指腐蚀作用均匀地发生在金属表面上；局部腐蚀是指腐蚀作用仅局限在一定的区域。在一般情况下，局部腐蚀比均匀腐蚀的危害性要大得多。局部腐蚀又可分为：点腐蚀：又叫小孔腐蚀或孔蚀。是一种腐蚀集中于金属表面的很小范围内，并深入到金属内部的蚀孔状腐蚀形态。金属浸泡在溶液中或与潮湿环境接触，常常发生点腐蚀；金属暴露在大气中，若金属表面凝结有水滴或水膜，也可点点发生点腐蚀；输送水、油、气的钢管，埋在土壤中就经常出现点腐蚀；不锈钢放在含氯离子的介质中，使用时容易发生点腐蚀；铝和铝合金在某些介质中也会出现点腐蚀。点腐蚀是一种破坏性和隐患较大的腐蚀形态之一。缝隙腐蚀：缝隙腐蚀是因金属与金属、金属与非金属的表面间存在缝隙，并有介质存在时发生的局部腐蚀形态。造成缝隙腐蚀的条件有：金属结构的铆接、焊接、螺纹连接等；金属与非金属的连接，如金属与塑料、橡胶、木材、石棉等。晶间腐蚀：晶间腐蚀是指金属晶粒沿着金属晶粒的边界或它的近旁发生的腐蚀现象。这种腐蚀能使晶粒间的结合力大大减弱，材料强度显著降低。不锈钢在焊接时，由于受热影响，在焊缝附近很容易发生晶间腐蚀。不锈钢、铝合金、镁合金、镍基合金都存在晶间腐蚀问题。电偶腐蚀：电偶腐蚀又称接触腐蚀或异金属腐蚀。当两种金属或合金相接触，可以发现在溶液中电位较负的金属腐蚀速度加大，而电位较正的金属受到保护，这种现象就是电偶腐蚀。在工程技术中，采用不同的金属组合是不可避免的，所以电偶腐蚀也是一种常见的腐蚀形式。
C．金属防腐蚀方法
a．正确选取金属材料，合理设计金属结构
①应当根据它周围介质的性质来正确选择适当的材料。大多数金属材料在某种介质中的耐腐蚀性能，在一般的腐蚀手册中都能查到。
②应当避免具有电势差别很大的金属材料互相接触，以免产生电偶腐蚀。例如：铝合金不应当和铜、镍、钢铁等电势较高的金属相接触；不应用铝铆钉来铆接铜板。当必须把不同的金属装配在一起时，应该用不导电的材料把它们隔离起来。例如：当必须把铜管连接到铁板上时，可以在铁板和铜管之间加上一段橡胶、塑料或陶瓷的管子，以免铁和铜直接接触引起腐蚀。
③阳极和阴极的面积相对大小对腐蚀速率有很大的影响，如果两种不同电势的金属必须接触，应尽可能不要把作为阴极部分的面积弄得过大而把阳极部分的面积弄得过小，因为这样会使阳极的电流密度过大，从而加速阳极金属的腐蚀。
④应尽量避免出现容易造成液体积存的死角。例如：应将排水管设计在最低处，容器的壁与底部设计成圆角过渡等，以防止放空时，有残余液体留在容器底部，同时也便于用水清洗。
b．应用缓蚀剂，消除或减少介质中的有害成分可以通过两种方法来消除或减少介质中的有害成分，一种是去掉介质中的有害成分，改变介质的性质。锅炉用水的除氧，从锅炉给水中排除所溶解的氧气，是防止锅炉腐蚀的最有效的办法。锅炉除氧可采用加热的方法，在常压下，将水加热至沸腾，可去除水中所溶解的大部分氧气；也可采用化学除氧法，例如在水中加入亚硫酸钠，使其与水中的氧气发生化学反应，从而消除溶解于水中的氧气。近年来，常采用联胺NH作为除氧药剂，在锅炉工作的条件下，与氧气发生反应，生成水和氮气，从而达到除氧的目的。另一种是加入能减缓腐蚀速率的缓蚀剂。能使金属的腐蚀速率大大降低。常用的缓蚀剂主要有阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂、有机缓蚀剂、挥发性缓蚀剂、油溶性缓蚀剂等。
c．采用电化学保护法
阴极保护可以通过两种方法来实现，一种方法是利用外加电流，使被保护的金属结构整个表面变成阴极，这种方法叫做外加电流的阴极保护；另一种方法是在要保护的金属设备上连接一种电势更负的金属或合金，这种方法叫做牺牲阳极的阴极保护法，又叫保护器保护。
①外加电流法所用的辅助阳极，主要是为了使外加电流通过它输送到被保护的金属体上进行阴极极化，常用的材料有废钢、石墨、高硅铁、磁性氧化铁、铅银合金、镀铂的钛等。
②牺牲阳极法是利用阳极与被保护的金属之间的电势差所产生的电流来达到保护的目的。常用的材料有Al、Mg、Zn及其合金。例如：阳极镁棒被广泛地应用于太阳能和电热水器储热水箱的防腐。
d．用覆盖层保护
在金属表面覆盖一层保护层，是防止金属腐蚀最普遍而重要的方法。覆盖层的作用是使金属表面与外界介质隔离开来，以阻止金属表面的腐蚀。常用的覆盖层有以下四类：
①金属覆盖层如：镀锌管/镀铝锌板
②非金属覆盖层如：油漆/搪瓷/喷塑
③用化学和电化学方法生成的覆盖层如：磷化
④暂时性覆盖层如涂机油、凡士林、石蜡等
系统安全措施：
防雷电、防风雪、防渗漏、防过热
