平板太阳能热水器

平板型太阳能集热器的发展和应用展望

从国内外太阳能光热利用出发，结合太阳能集热器的应用，综述了平板型太阳能集热器

的发展概况；对平板型太阳能集热器的国内外市场进行了分析；展望了平板型太阳能集热器

和热水器规模应用的前景。

引言

作为技术相对成熟的太阳能光热利用产品，太阳能热水器（系统）在全球已得到了广泛

的应用。它在减少常规能源消耗、促进节能减排中已发挥并继续发挥着重要的作用。

我国拥有全球最大的太阳能热水器（系统）的生产能力，也是全球最大的太阳能热水系

器（系统）的应用市场。根据我国的可再生能源发展规划，2010年和2020年太阳能热水器

（系统）安装量将达到1.5亿m2和3亿m2，每千人拥有量为109m2和203m2。目前，随着

世界能源价格的不断上涨和全世界环保意识的增强，面对严峻的节能减排形势，我国正在加

速发展和利用可再生能源，太阳能技术和产品的进步以及太阳能热水器与建筑结合技术的发

展，将使太阳能热水器（系统）继续保持快速增长的势头。

1、国内外平板型太阳能集热器的发展概况

平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管它早在17世纪后期已

被发明，但直至1960年以后它才真正被深入研究并进入实际应用。

太阳能热水技术是太阳能光热利用中技术最成熟、实际应用最多并在经济上能与常规能

源相竞争的一种可再生能源利用技术。二十世纪初，美国最先开始使用太阳能热水器，用来

获取生活热水。二次世界大战后，以色列和澳大利亚等一些国家也相继开展了研究、开发、

生产和使用太阳能热水器的工作。

1955年，国际太阳能利用会议第一次提出了选择性涂层的概念，并研制成实用的黑镍

等选择性涂层，为高效集热器的发展打下了基础。1973年出现“能源危机”后，世界上形成

了研究、开发、利用太阳能的热潮。发展太阳能利用技术和产品以节约常规能源，受到了工

业化国家政府的普遍的重视。对太阳能热利用技术的研发和产品的产业化，各国都给予了大

力的支持和鼓励。

1980年在联合国新能源大会的筹备会上，联合国的专家小组对太阳能热水器的发展前

途给予了肯定的评价。

1996年，在津巴布韦召开的联合国世界太阳能高峰会议发表了《哈拉雷太阳能与持续

发展宣言》，太阳能利用的研究开发在世界范围内形成了又一个热潮。许多国家相继制定了

太阳能发展计划。例如美国的“百万屋顶计划”，德国的“1000屋顶计划”，意大利的“全国太

阳能屋顶计划”，日本的“七万屋顶计划”和“太阳计划”等。这些计划的实施，有力地促进了

世界各国太阳能利用的发展：澳大利亚政府规定，在其北部地区新建的房屋一定要设置太阳

能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器;日本现在每年安装的太阳能

热水器约50万台，计划以后家庭安装太阳能热水器的普及率超过25%;在丹麦，Marstal太

阳能供热厂为Aeroe岛上1250户居民提供了区域供热。8000平方米的太阳能集热器阵列与

2100立方米的储热水箱相联。6、7、8月间可100%由太阳能供热，全年能供给全区热需求

的12.5%;以色列政府制定了法规，要求新建住宅必须装有太阳能热水器。目前以色列已有

65%的住宅装有太阳能热水器，实现了太阳能热水器与建筑一体化的住宅设计计划；2003

年，奥地利等欧洲国家、印度、中国、日本、澳大利亚及美国等21个国家的太阳能发展报

告显示出1982~2001太阳能集热器及热水器的制造及销售都有很大的发展。欧洲在2004年

安装的太阳能集热器面积为1500万㎡，计划到2010要达到1.0亿㎡。

大面积太阳能热水系统的研究只是近十几年的事。现时情况下其规模只占小型家用太阳

能热水系统的20～30%。瑞典和德国已进行大面积屋顶集热模块的研制。它是作为建筑的

一个构件和建筑结合，以实现太阳能热水系统和建筑的一体化，从而降低成本，提高建筑的

整体性和美观性。

我国最早的太阳能热水淋浴室在1958年建成。70年代初世界上出现的开发利用太阳能

热潮，对我国也产生了巨大的影响。1975年，在河南安阳召开的“全国第一次太阳能利用工

作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。1979年在西安召开了重点在推广

和应用太阳能产品的第二届全国太阳能会议。1992年世界环境与发展大会后，我国政府制

定了《中国21世纪议程》，进一步明确了以太阳能为重点的发展项目。1995年国家计委、

国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》(1996～2010)，明确提出我

国在1996～2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。

经过20多年的研究和科技成果转化，我国太阳热水技术已日趋成熟。太阳能热水器以

其安全、节能、环保和实用等优点受到了广大用户的喜爱，太阳能热水器产业在一些地区已

成为新的经济增长点。到2000年底，全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装服务

的企业已达1000多家，年产量达610万平方米，产值超过60亿元，全国太阳能热水器的保

有量达2600万平方米，居世界第一。到2005年，产量已达1500万平方米,占世界总产量的

75.6%;太阳能热水器保有量为7500万平方米,占世界总保有量的60.6%。

在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。但为了提高效

率，降低成本，为了满足特定的使用要求，人们必须继续研究开发新型的热性能优异的平板

集热器。

根据传热工质种类的不同，平板型太阳能集热器可分为空气集热器和液体集热器两大

类。目前大量使用的是液体集热器；根据吸热板芯使用材料的不同，平板集热器可分为钢

板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构型式的不

同可分为管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器以及带平面反射镜的集

热器和逆平板集热器等；按盖板种类可分为单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、

透明隔热材料盖板集热器等。目前，国内外普遍使用的平板集热器是全铜集热器和铜铝复

合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊。1995年我国

也开发成功全铜高频焊集热器。八十年代中期我国从加拿大引进铜铝复合生产线，后经过

消化吸收，国内现在已建成十几条铜铝复合生产线。

为了提高对太阳能的吸收，减少集热器的热损失，提高集热器的整体效率，人们对用于

太阳能集热器的关键部件----太阳能集热条（俗称板芯），特别是板芯所用的选择性太阳能吸

收涂层等持续进行了多年的研究，已取得了相当好的成果。现在，国内已能生产高性能的

TiNO系列选择性光热吸收涂层。另外，为了克服普通平板太阳能集热器的缺点，应用热管

的平板式太阳能集热器和热水器的研究开发，也取得了很好的结果。测试结果表明热管的单

向导热特性大大减少了系统通过集热器的热损失。这种具有实际应用价值的热管平板集热器

对大规模集中供热，特别是实现集热器、热水器与建筑的一体化,是非常有意义的。在高效

涂层、高透过率盖板及密封保温等高新技术的支持下，一大批具有优异热性能的平板集热器

产品如模块式太阳能集热器、热管平板式太阳能集热器和热水器等被生产出来，这对平板式

太阳能集热器进一步的发展及其的规模应用必定能起到实际的促进作用。

2、平板型太阳能集热器的国内外市场分析

随着技术的进步和节能环保的要求，我国的太阳能热水器已经历了70年代的闷晒式、

80年代的平板式、90年代的平板式和真空管式集热器的发展。闷晒式集热器结构简单，可

分有胆(闷晒盒内装有黑色塑料或金属)和无胆(即浅池热水器)两种形式。80年代发展出效率

高、技术先进的铜铝复合、全铜和防锈铝的平板式集热器(即管板集热器)。由它可以派生出

许多同类热水器，如翅翼型、波纹板型、塑料压制型热水器等。到90年代，开发出的真空

管式太阳能热水器(包括全玻璃真空管式和热管真空管式)正式进入市场。现在市场上占主

导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。2001年国内市场中，平板型太阳能

热水器份额约占55%;真空管热水器份额约占45%。

在我国的太阳能光热应用中，平板式太阳能集热器是最早得到应用的产品，一度发展得

很快。但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得这种集热器的发展受到了阻碍。首先，作为

太阳能集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率

的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而，太

阳能热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器或热水系统(热水工程),基本都采

用直接加热太阳能集热器中水的方法。如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常

运转,严重时还会导致集热管的涨裂。而随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的

水在不排空的情况下基本不结冰而受到了市场的欢迎。同时，近10年来全玻璃真空管热水

器生产成本大幅度降低，而平板太阳能集热器的生产成本却没有明显下降，再加上全玻璃真

空管热水器被生产厂及商家片面宣传其为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。一度曾占

我国太阳能热水器统治地位的平板太阳能集热器和热水器受到了全玻璃真空管太阳能热水

器的冲击，市场份额有所下降。但最近些年，由于平板集热器技术的进步以及节能减排指标

的要求，我国平板型太阳能热水器产量已从2004年的150万平方米上升到2005年180万平

方米,市场份额在不断增加。

据霍志臣、罗振涛对欧洲15个国家、美洲2个国家、大洋洲1个国家、亚洲3个国家

(21个国家)的统计，国外生产平板式太阳能热水器的厂家(含经销商)共401家,占企业总数

的92.61%;真空管太阳热水器12家,占企业总数的2.77%;简易太阳能集热器20家,占企业总

数的4.62%。显然,平板型太阳能热水器生产经营企业远远多于其它产品类型企业数量。国

外市场中，2003年平板太阳能热水器占市场销售份额的94.88%,真空管太阳能热水器占

2.46%。至目前为止，国外集热器的市场格局仍然是以平板型集热器为主，并且还在不断地

发展壮大。

平板太阳能集热器在国外能获得快速的发展和应用，究其原因主要有下面几点：

(1)平板太阳能集热器能承压、寿命长、容易组成二次回路系统。国外的太阳能热水器

基本上都是双回路承压型分体结构。真空管太阳能热水器若制成承压分体结构产品后,其成

本将显著高于平板型产品。相对而言平板太阳能热水器将更受用户欢迎。

(2)平板太阳能集热器容易与建筑结合，安装后能保持建筑的美观。建筑设计师容易接

受以平板型太阳能集热器与建筑结合的一体化方案。

(3)平板型太阳能集热器多以铜铝等金属材料为主,其产品材料回收利用率高。

(4)产品热性能好。国外平板型太阳能集热器已研发多年,其产品热性能已接近或等同真

空管太阳能集热器。

(5)平板型太阳能集热器和热水系统安全可靠,有效采光面积大，热效率高。国外平板式

太阳能热水工程主要用于热水和采暖。可靠是必要的条件。此外,在同等输出功率条件下，

平板太阳能集热器占地面积小(真空管之间有空隙占地面积较大)。

3、平板型太阳能集热器的应用展望

我国平板型太阳能集热器已有20多年的生产和应用经验。现在，平板型太阳能集热器

和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位,即使在北方地区也有不少用户。近年来

由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运

行等问题，直插式全玻璃真空管集热器在实际中的使用受到了限制。全玻璃真空管太阳能热

水器使用中存在的问题使人们把眼光转向了平板太阳能集热器。于是，平板太阳能集热器得

到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板太阳能集热器及热水器的高效涂层、

高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在

进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。

真空管太阳能热水器在我国的太阳能热水器市场中占有较大的优势。尽管这与国内一些

太阳能热水器研究机构及一些知名企业的推动直接有关,但与它本身所具有的优点也是分不

开的。

首先，真空管太阳能热水器的防冻抗冻性较好，在寒冷的季节使用时既能提供生活所需

的热水,又可以保证热水器能够安全的运行。其次，真空管太阳能热水器的热损系数较小。

热损主要是通过热辐射产生的。而平板型太阳能集热器的损失除了热辐射外,还有对流热损

等。实验测定,真空管太阳能集热器的平均热损系数要比平板型集热器小。真空管太阳能热

水器的热损系数一般为0.9W/m2℃左右,而平板型的热损系数为1.0W/m2℃以上。但是，平板

型太阳能热水器经过几十年的发展，特别是近些年的研究和开发,技术已逐渐成熟,在技术和

产品上呈现出一些显著的优点,主要表现在以下几个方面:

(1)热效率较高

首先,在日平均效率方面,平板型太阳能集热器要优于真空管太阳能集热器。目前,平板型

太阳能集热器热效率一般为60%,而真空管太阳能集热器的热效率一般为50%。集热器内的

水温处于50℃以下时,平板型集热器的瞬时热效率大于真空管集热器。而普通太阳能集热器

的温度一般为中温或低温,即θ0+(20~40)℃。所以普通的太阳能集热器在运行时,平板型集热

器的瞬时效率要高于真空管集热器。平板型太阳能热水器的平均日效率约在48%~58%之间;

全玻璃真空管太阳能热水器的平均日效率约在45%~55%之间。平板型太阳能热水器的热效

率比全玻璃真空管太阳能热水器高约5%。即使在南方的冬季,相同条件下,平板型太阳能热

水器的平均日效率也比全玻璃真空管太阳能热水器高约4%。所以一年之中,在相同条件下,

平板热水器能够提供更多的热水,即使是在寒冷的冬季,使用平板热水器也能够得到不错的效

果。

(2)有利于循环系统的使用

目前国内的太阳能热水器主要是采用紧凑式自然循环系统,这种系统的特点是制造简

单、价格低廉。但如果从太阳能热水器的重量、使用方便、安全、以及操作性等方面来看,

分离式强制循环系统更能满足人们的要求。平板型集热器一般是金属制成的,集热器与储水

箱之间的连接采用的是金属连接,因此可以承受较高的水压,密封性能也较好。而真空管热水

器的集热管与储水箱之间的连接一般是用塑料或橡胶来密封,因此在承压及密封方面效果

差。在平板型太阳能集热器中,传热介质可以在集热器与贮水箱内的换热器之间无障碍地流

动,通过换热器去加热贮水箱内的水,完成系统的双循环,这一点也是平板太阳能热水器明显

的优势所在。

(3)良好的承压性能

好的承压性是太阳能热水器的一个发展趋势。而平板型太阳能热水器的一个显著的优点

就是具有良好的承压性能。

(4)组成大系统时性能稳定

对于一些大型的场所,如宾馆、游泳馆、学校、工厂、医院等地方,在使用太阳能热水器

时,往往需要用很多块太阳能集热器以组成大规模的供水系统。平板型太阳能集热器与系统

之间的连接是金属连接,受环境的影响较小,能保证整个系统的稳定性。

(5)是最理想的太阳能与建筑一体化的热水器

实现太阳热水器与建筑一体化，是国际环境和世界节能减排的直接要求，是太阳热水器

产业发展的必然趋势，也是太阳热水器技术发展的主要方向。我国全玻璃真空管太阳能热水

器产品绝大多数为紧凑直插式，是采用一次循环、非承压的系统。紧凑式系统的最大问题是

水箱只能和集热器一起放置在屋顶上，不易实现与建筑外观的融合。而平板型太阳能集热器

是最适合用于承压系统和二次循环系统的太阳能集热器。同时在与建筑结合方面，还具有与

建筑立面容易结合，便于安装、运行和维护、寿命长等等优势。因此，无论从整体外型、结

构强度、产品性能，还是从安装调试、维护保养、运行寿命等方面考虑，以平板型太阳能集

热器为主体的太阳热水器和热水系统，都是最适合实现太阳能与建筑相结合的，也是最受建

筑设计师欢迎的产品。同时，平板太阳能集热器还能够代替传统建筑物的屋顶和屋面,显著

地降低成本。从实现太阳热水器与建筑一体化的前景上看，全玻璃真空管太阳能热水器显然

无法跟平板型太阳能热水器相抗衡。

结合上述平板型太阳能集热器的诸多优势，在充分借鉴国外经验、进行技术创新的基础

上，我国已开发出具有独立自主知识产权的高性能的选择性吸收涂层和高性能的新型平板型

集热器和热水器。这对于完成我国的可再生能源规划，实现我国节能减排的阶段性目标，有

着非常重要的意义。

结语

平板型太阳集热器和热水器在太阳能光热利用中，特别是在应对世界环境和完成节能减

排的指标中有着极大的优势。随着社会和技术的不断进步,在太阳能与建筑一体化方面,平板

型太阳能热水器近年来已取得了较大的技术进步。居民生活水平的提高也使得开发、生产高

品质的太阳能热水器产品成为今后的发展方向。随着平板型太阳能集热器和热水器技术水平

的提高，平板型太阳能集热器和热水器将会获得更大的发展,在市场中所占的份额也将不断

增加。