真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空太陽集熱管，它采用了真空夾層，消除了氣體的對(duì)流與傳導(dǎo)熱損，并應(yīng)用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低。
玻璃真空太陽集熱管分為“全玻璃”與“玻璃和金屬結(jié)構(gòu)”兩大類。太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽赏ㄟ^聯(lián)集管內(nèi)的傳熱工質(zhì)（如水）或先通過熱管與傳熱工質(zhì)進(jìn)行熱交換將熱能輸送到貯熱水箱。從應(yīng)用上分為用于生活熱水（低溫），空調(diào)和海水淡化等（中溫）和太陽能熱發(fā)電（高溫人真空管太陽集熱器能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運(yùn)行。玻璃和金屬結(jié)構(gòu)真空太陽集熱管承壓好，還能工作在中、高溫。全玻璃真空太陽集熱管結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可靠性強(qiáng)和成本低，適宜在低中溫運(yùn)行。
全玻璃真空集熱管像一個(gè)拉長的暖水瓶膽，先由美國歐文斯一依利諾伊（OwenS－illinoiS）公司推出商品，其構(gòu)造如圖1所示，由兩根同軸圓玻璃管組成，內(nèi)、罩玻璃管間抽成高真空，太陽選擇性吸收涂層（表面、膜系）沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體，將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。全玻璃真空集熱管采用單端開口的設(shè)計(jì)，通過一端內(nèi)、罩管環(huán)形熔封起來，其內(nèi)管另一端是密閉半球形圓頭，帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管回頭支承在罩玻璃管的排氣內(nèi)端部。當(dāng)吸熱體吸收太陽輻射而溫度升高時(shí)，吸熱體玻璃管圓頭形成熱膨脹的自由端，緩沖了工作時(shí)引起真空集熱管開口端部的熱應(yīng)力。吸氣劑蒸散后吸收真空集熱管在存放及工作過程中所釋放的微量氣體。
經(jīng)歷以下幾個(gè)發(fā)展階段：
l）科研與開發(fā)(1979—1985),發(fā)明了單靶磁控濺射制備鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層。
2）科技成果向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)
a．小生產(chǎn)（1986—1989），年產(chǎn)能力3萬支真空集熱管，期間，清華大學(xué)完成了國家“七·五”科技攻關(guān)專題“玻璃真空管熱水器技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“選擇性吸收表面光性下降機(jī)理的研究”；中生產(chǎn)（1990—1993）。清華大學(xué)組建公司，年產(chǎn)能力15萬支，1992年市場迅速擴(kuò)大，出現(xiàn)供不應(yīng)求。
b．1993年至今，作為國家產(chǎn)學(xué)研工程，清華大學(xué)與北京玻璃儀器廠組建了北京清華陽光能源開發(fā)有限責(zé)任公司，1994年9月建成年產(chǎn)能力90萬支集熱管生產(chǎn)線。1996年9月建成年產(chǎn)能力300萬支集熱管生產(chǎn)線。1998年建成年產(chǎn)能力400萬支集熱管生產(chǎn)線。1998年在北京昌平建成了全玻璃真空管太陽集熱器及熱水器生產(chǎn)線并以100％的年增量發(fā)展。目前，年產(chǎn)能力30萬臺(tái)全玻璃真空管太陽集熱器及熱水器。
2 全玻璃真空太陽集熱管的核心技術(shù)
2.1太陽選擇性吸收涂層
清華大學(xué)電子工程系用“濕法”在玻璃上制備了“(Ni·Zn)S/Cu太陽選擇性吸收涂層”（197—1981）太陽吸收比0．88—0．90，發(fā)射比0．12（80℃）；用真空蒸發(fā)技術(shù)在玻璃上制備“Cr2O3/Cr2O3+Cr/A1太陽選擇性吸收涂層”（1980—1984）太陽吸收比約0．90，發(fā)射比0.04（80℃）；磁控濺射技術(shù)的工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收涂層。從1980年以來，致力于采用磁控濺射技術(shù)，研究和開發(fā)多種選擇性吸收涂層。其中發(fā)明專利漸變（多層）鋁-氮/鋁(A1-N/A1）選擇性吸收涂層是我們研究最深入、應(yīng)用最廣泛的涂層，其太陽吸收比可達(dá)0．93，發(fā)射比約0．05(80℃)
在世界上開創(chuàng)了使用一種金屬作為磁控濺射的陰極材料制備包括低發(fā)射金屬薄膜底層、吸收層（復(fù)合薄膜）和減反層（化合物介質(zhì)薄膜),在制備原理上改變了以往認(rèn)為需要兩種或兩種以上的金屬材料才能制備優(yōu)質(zhì)的太陽選擇性吸收涂層，與澳大利亞悉尼大學(xué)專利一多層不銹鋼一碳/銅涂層（作為低、中溫應(yīng)用于 1980年前后處于世界領(lǐng)先地位）相比，二者光．熱性能相近，但后者需用兩個(gè)陰極（靶）材料一不銹鋼和銅，其間需用大屏障隔開以免交叉沾污，這樣造成陰極材料的利用率低，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。使用單陰極磁控濺射制備太陽選擇性吸收涂層大大減化了磁控濺射鍍膜機(jī)的構(gòu)造，使材料利用率增加約一倍，濺射過程中不需要切換陰極引起的輝光放電中止，提高了生產(chǎn)效率。圖2中描述漸變鋁-氮/鋁”吸收涂層的結(jié)構(gòu)及其反射比譜。獲1988年國家發(fā)明三等獎(jiǎng)。“漸變鋁-氮/鋁”太陽選擇性吸收涂層為規(guī)模生產(chǎn)全玻璃真空太陽集熱管的產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備了技術(shù)條件。進(jìn)一步研究制備了“AI-N－F/A1-N/A1”太陽選擇性吸收涂層，涂層的太陽吸收比0．954，紅外發(fā)射比0．060（100℃）；還深入研究了干涉一吸收型Al-N/A1太陽選擇性吸收涂層，膜系為A2O3/AIN/（LMVF）A1-N/（HMVF）A1-N/A1，其中HMVF是金屬粒子體積比（填充因子）較高的吸收次層，而LMVF是金屬粒子體積比較低的吸收次層，具有更高的太陽吸收比與更低的熱發(fā)射比。在規(guī)模化生產(chǎn)中，選用了工藝參數(shù)穩(wěn)定性好和生產(chǎn)效率高的A1-N/A1太陽選擇性吸收涂層膜系，對(duì)于獲得生活熱水，至今該吸收涂層有著最好的性能價(jià)格比。
2．2開發(fā)三代制備太陽設(shè)擇性吸收涂層的磁控濺射鍍膜機(jī)和國住面上太陽選擇性吸收涂層太陽吸收比的測定方法
第一代：1985—1986年，設(shè)計(jì)與制造了我國第一臺(tái)制備太陽選擇性吸收涂層的磁控濺射鍍膜機(jī)，采用了電磁臥式結(jié)構(gòu)。
第一代：后來又開發(fā)了第一代立式前開門生產(chǎn)1．Zm長全玻璃真空太陽集熱管的選擇性吸收涂層使用的磁控濺射鍍膜機(jī)，一次裝載30支內(nèi)玻璃管，磁場為永久周期磁場。
第三代：開發(fā)創(chuàng)新了大回路閉合濺射軌跡柱狀磁控靶，俗稱旋轉(zhuǎn)磁場，具有旋轉(zhuǎn)磁場的陰極，真空室圓柱面曲率半徑約350nun，高約2000mm生產(chǎn)1.5m長全玻璃真空太陽集熱管的選擇性吸收涂層使用的磁控濺射鍍膜機(jī)，使陰極材料利用率提高到約5倍以上，降低了成本，而且濺射的吸收涂層的質(zhì)量更為穩(wěn)定。
過去采用陪片方法，不利于對(duì)真空集熱管產(chǎn)品內(nèi)的選擇性吸收涂層進(jìn)行抽檢。利用常規(guī)的紫外．可見．近紅外分光光度計(jì)與大積分球配合，開發(fā)創(chuàng)新了圓柱面上太陽選擇性吸收涂層的太陽吸收比的準(zhǔn)確測定方法。1996年經(jīng)專家評(píng)議指出：“使用具有直徑為φ150mm的積分球的分光光度計(jì)對(duì)水平放置玻璃圓柱面與平面玻璃片上太陽吸收比不小于0．84（AM2）的選擇性吸收涂層進(jìn)行測試，測試結(jié)果的絕對(duì)偏差不大于土0．005。結(jié)果表明：可以對(duì)圓柱面上的太陽選擇性吸收涂層進(jìn)行直接測量，這樣能更真實(shí)反應(yīng)真空太陽集熱管內(nèi)吸收涂層的太陽吸收比，在制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以采納這種測試方法”。
2．3真空技術(shù)與真空排氣監(jiān)測系統(tǒng)
1）自行設(shè)計(jì)與制造了全玻璃真空太陽集熱管的高效、節(jié)能的真空排氣系統(tǒng)，由臥式排氣臺(tái)發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
成立式排氣臺(tái)，電加熱元件布局合理，配以熱反射屏，烘箱內(nèi)溫度比較均勻，使每根全玻璃真空太陽集熱管烘烤所需電能大為降低。
2）研究開發(fā)了優(yōu)良的真空排氣工藝，使全玻璃真空太陽集熱管具有長的真空壽命。
3）開發(fā)了優(yōu)良的蒸散式吸氣劑的去氣與優(yōu)化的蒸散工藝，以取得近于最大的得鋇量。
4）開發(fā)了全玻璃真空太陽集熱管真空排氣監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一臺(tái)主機(jī)，10臺(tái)分機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)及其通訊接口。
- 各分機(jī)同時(shí)和四臺(tái)真空排氣系統(tǒng)通訊，由通訊接口在真空計(jì)與分機(jī)間交換真空度的數(shù)字信號(hào)。
- 同時(shí)各分機(jī)采集烘箱的溫度，在不符合工藝及真空破壞時(shí)有顯示報(bào)警。
- 各分機(jī)貯存及向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，主機(jī)與計(jì)算機(jī)之間采用電流環(huán)通訊，主機(jī)與分機(jī)之間用巡
檢方式聯(lián)絡(luò)，主機(jī)與計(jì)算機(jī)之間采用電流環(huán)方式和光纖隔離，克服了高頻大功率的強(qiáng)干擾。
- 單片機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)全部自行編寫；24小時(shí)自動(dòng)采集，用表格顯示數(shù)據(jù)，繪制所有工作臺(tái)各自的真空排氣工藝曲線。
全玻璃真空集熱管生產(chǎn)是四班三運(yùn)轉(zhuǎn)，確保了整日的集熱管的真空排氣質(zhì)量。
2．4 硼硅玻璃3.3玻璃管
全玻璃真空管集熱器是在曝曬、風(fēng)吹、雨淋、降雪和冰雹襲擊等環(huán)境條件下工作的。全玻璃真空集熱管宜采用“硼硅玻璃3.3”一 ISo3585：1991（E）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的標(biāo)準(zhǔn)。其耐熱沖擊性好、化學(xué)穩(wěn)定性好和機(jī)械強(qiáng)度高的硼硅玻璃。北京玻璃儀器廠進(jìn)行了不斷的開發(fā)創(chuàng)新工作。
1）ISO3585：1991(E)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)未注明玻璃的太陽透射比。北京玻璃儀器廠生產(chǎn)的厚1.6mm硼硅玻璃3.3（代號(hào)BJ－TY8032）玻璃管，太陽透射比約為0．904（AM1.5）。
2）生產(chǎn)出硼硅玻璃管的抗酸和抗水一級(jí)，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，適合內(nèi)玻璃管中的熱水和環(huán)境對(duì)罩玻璃管的侵蝕作用；硼硅玻璃管的熱膨脹系數(shù)低(3.3X100.000001/℃)人具有優(yōu)良的耐熱沖擊性能，以及高的機(jī)械強(qiáng)度。21tyn.com
3） 解決硼硅玻璃3.3玻璃管生產(chǎn)中的技術(shù)難點(diǎn)：熔化溫度高帶來窯爐的耐火材料問題；窯爐內(nèi)下層玻璃流動(dòng)難引起的分層問題；無模成型玻璃管的直徑、圓度和壁厚尺寸的控制；集熱管用玻璃管表面的光潔度和棱線問題，開發(fā)了高溫合金替代石英陶瓷端頭，延長了端頭的使用壽命，提高產(chǎn)量10個(gè)百分點(diǎn)。
4）開發(fā)了無模成型玻璃管拉封機(jī)和臥式環(huán)封機(jī)及集熱管環(huán)封口在線連續(xù)返火生產(chǎn)線等集熱管用玻璃加工專用生產(chǎn)設(shè)備。
5）自行設(shè)計(jì)與制造了硼硅玻璃3.3玻璃管連續(xù)精切烤口的機(jī)械化生產(chǎn)設(shè)備。
2．5國家標(biāo)準(zhǔn)《全玻璃真空太陽集熱管》的制定
對(duì)全玻璃真空太陽集熱管的光一熱性能進(jìn)行了理論分析計(jì)算并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測試工作，確定了罩玻璃管的太陽透射比，太陽選擇性吸收涂層的太陽吸收比和熱發(fā)射比，管內(nèi)氣體壓強(qiáng)四個(gè)材料和工藝參數(shù)，確定了悶曬太陽曝輻量、空曬性能參數(shù)和平均熱損系數(shù)為評(píng)價(jià)全玻璃真空太陽集熱管光一熱性能的三參數(shù)及其定量的數(shù)據(jù)，見表1。這三個(gè)參數(shù)成為起草國家標(biāo)準(zhǔn)“全玻璃真空太陽集熱管”的重要基礎(chǔ)。過去20年來國際上文獻(xiàn)和科技交流中使用空曬溫度表示集熱管的空曬性能。我們采用了一個(gè)參數(shù)，稱為空曬性能參數(shù)，該參數(shù)計(jì)及了空曬溫度、太陽輻照度與環(huán)境溫度，更合理地表征了全玻璃真空太陽集熱管的空曬性能。我們是國家標(biāo)準(zhǔn)《全玻璃真空太陽集熱管》（GB/T 17049—1997）的主要起草人。我國是世界上第一個(gè)建立《全玻璃真空太陽集熱管》國家標(biāo)準(zhǔn)的國家。
3 全玻璃真空管太陽集熱器及太陽能熱水系統(tǒng)
1)SLL型集熱管東--西向放置的全玻璃真空管太陽集熱器
◆ 自行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)了“水在玻璃管”的聯(lián)集管。
◆ 真空太陽集熱管單排南一北向放置，可以自然循環(huán)或強(qiáng)迫循環(huán)。
◆ 真空太陽集熱管東一西向放置，可以是單排或雙排，可工作在定溫放水、強(qiáng)迫循環(huán)或自然循環(huán)。太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
◆ 用1．2m長的真空太陽集熱管50支構(gòu)成東一西向雙排的集熱，稱SLL-1200/50為一個(gè)單元，可靈活地組合成中、大采光面積的真空管太陽熱水系統(tǒng)。
◆ 對(duì)于一個(gè)有上百支或上千支的真空集熱管的太陽熱水系統(tǒng)，往往有幾支真空集熱管與集管的連接處，有少部分滴漏水。后來，開發(fā)出了合適的集管翻邊孔以及密封膠圈的材料與形狀，克服了大面積真空集熱管太陽熱水系統(tǒng)的滴漏水問題。
◆ 為出口需要，從固體力學(xué)角度對(duì)承壓式全玻璃真空管太陽集熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算和試驗(yàn)研究，開發(fā)了能承受3個(gè)大氣壓的具有“水在玻璃管”的真空管太陽集熱器，該產(chǎn)品己安裝在瑞士BCCh市郊等處。
◆ 集熱管東西向排列的熱水系統(tǒng)（拉薩西藏）見圖3如下。
2）SLU型具有U形管鋁翼和軋花鋁漫反射平板的“水在金屬管”的全玻璃真空管太陽集熱器承受工作壓力為6個(gè)大氣壓（0.6MPa），經(jīng)德國Fraunhofer太陽能集熱設(shè)備檢測中心檢測全面通過歐洲標(biāo)準(zhǔn)PrEN12975。特別是創(chuàng)新了與U形管配合的鋁翼的結(jié)構(gòu)形狀，順利通過內(nèi)熱沖擊實(shí)驗(yàn)。該集熱器的集熱性能優(yōu)良，瞬時(shí)效率方程為：
德國將測得的太陽集熱器的瞬時(shí)效率方程和入射角修正系數(shù)轉(zhuǎn)換到德國維爾茲堡地區(qū)的全年的集熱性能，是該中心檢測以來最優(yōu)的五臺(tái)之一。
SLU型全玻璃真空管太陽集熱器在歐洲使用例見圖4如下。
3）XR型熱管型全玻璃真空管集熱器，分為干式與濕式兩種聯(lián)集管，具有不少優(yōu)點(diǎn)，推廣前景良好。
4 全玻璃真空管太陽熱水系統(tǒng)
全玻璃真空管集熱器加上貯熱水箱構(gòu)成熱水器。采用不銹鋼貯熱水箱其壁較薄，不銹鋼選材要求嚴(yán)格，焊接工藝要求高，制造時(shí)耗能小，水箱內(nèi)無需安置鎂合金棒。提高技術(shù)，改進(jìn)工藝，有以下幾個(gè)方面：
l）水箱的容積尺寸與材料厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2）貯熱水箱采用304及316不銹鋼。盡可能減少焊區(qū)過熱，避免氧、氮侵入焊接區(qū)，提高焊接區(qū)抗晶界腐蝕的能力。
3）焊縫經(jīng)著色（滲透）及試板金相抽樣檢查（光鏡或電鏡），對(duì)焊縫的成分進(jìn)行抽檢。以普通100升落水式的貯熱水箱為例，水箱壁厚0.6mm，進(jìn)行破壞性耐壓試驗(yàn)時(shí)，水壓達(dá)到10.5kg/Cm2時(shí)才在縱焊縫上破日。對(duì)于水箱壁厚為lmm端頭為1.2mm的128升的貯熱水箱，經(jīng)8萬次以上自動(dòng)加壓（4．5個(gè)大氣壓），沒有滲漏。
4)對(duì)全玻璃滅空管太陽熱水器的整體進(jìn)行風(fēng)載試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，使熱水器支架強(qiáng)度高和抗風(fēng)性好。
5）采用軋花出漫反射平板，其漫反射比高，表層有微米級(jí)三氧化二鋁薄膜抗腐蝕，置于集熱管背面，提高集熱器及熱水器的集熱性能；設(shè)計(jì)與生產(chǎn)模塊式漫反射器，便于拼裝不同采光面積的集熱器與熱水器。
6）熱水器水溫水位計(jì)和電子控制儀
水在玻璃管直插緊湊式家用熱水系統(tǒng)見圖5如下。
5 全玻璃真空太陽集熱管、集熱器及熱水系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)與市場
5.l真空管太陽集熱器的應(yīng)用開發(fā)研究開發(fā)太陽能暖棚種植，在北京地區(qū)全年試驗(yàn)種植瓜果蔬菜；在秦皇島進(jìn)行了海水淡化試驗(yàn)；以及著于進(jìn)行太陽能供暖、空調(diào)和生活用熱水綜合應(yīng)用試驗(yàn)等，以開辟全玻璃真空太陽集熱管應(yīng)用的新領(lǐng)域。
5．2經(jīng)濟(jì)效益
北京清華陽光能源開發(fā)有限責(zé)任公司2000年的銷售額和利稅分別為1994年的34倍和64倍。
6 結(jié)論
經(jīng)20年的年的研究、開發(fā)與生產(chǎn)的不懈努力，“全玻璃真空太陽發(fā)熱管、集熱器及熱水系統(tǒng)”于2000年榮獲了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。展望可再生能源與環(huán)境，將是21世紀(jì)的重大課題和新型產(chǎn)業(yè)。在國家產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的推動(dòng)下，讓我們?cè)俳釉賲枺瑘F(tuán)結(jié)奮斗，向太陽索取
