太阳能集热器铜流道

【摘要】本文主要介绍了目前市场普遍使用的太阳能热管集热器和太阳能U型管集热器铜流道的空晒氧化，和铝翅片与铜流道间发生化学腐蚀反应及电化学附属反应而造成集热器报废的情况，以及对这两种情况采取的解决方案的初步探讨。

【关键词】太阳能集热器;铜;流道;传热翅片;空晒;高温氧化;化学腐蚀反应;电化学腐蚀反应

引言

铜因其具有较强的耐腐蚀性能和好的传热性能，一直受到太阳能行业的青睐。无论是太阳能热管集热器还是太阳能U型管集热器，其传热部件大都是采用铜流道+铝翅片的结构形式。然而，经过多年的市场验证，证明铜这种材料作为集热器的内胆并不是一种十分理想的材料。原因有两个：第一，铜抗高温氧化的能力达不到太阳能集热器的要求;第二，铜与铝合金翅片间存在发生化学腐蚀反应和电化学腐蚀反应的隐患。

1.集热器空晒引起的铜流道高温氧化

众所周知，铜在空气中经过高温很容易被氧化而生成CuO，2Cu+O2===2CuO

理论上讲铜表面的CuO对铜基体起到了一种保护的作用，使铜基体免遭腐蚀。但是，CuO是一种粉末状的结构，其附着力比较差，工作环境的温度较高时（200℃以上）就会从铜基体上脱落下来。因此太阳能集热器的铜流道在高温环境下其表面氧化生成一层氧化铜，氧化铜受到高温后从铜流道表面脱落下来使铜流道的铜露出表面，露出表面的铜受到高温后又会氧化，氧化层再次脱落…..这样铜流道就会层层氧化、层层脱落，铜流道的壁越来越薄，最终导致铜流道被彻底氧化报废。为此我们做了一组铜流道的耐高温实验，实验证明，铜在250℃的高温工况下，半天就开始氧化，一天铜表面就会完全氧化变黑，10天用手摩擦氧化了的铜表面就会发现有黑色粉末状的氧化物脱落，20天铜表面的氧化层就有明显的翘起迹象，轻轻一碰就会有片状的黑色氧化物脱落，下面是一组铜高温氧化实验的照片：

图1 250℃工况空晒22天的铜流道外观照片

图2 250℃工况空晒22天的铜流道脱落物

市场的实际情况是，很多安装了太阳能集热器的房子可能会长期无人居住，或者一些房子本来就是业主买来度假用的，一年最多住两个月，太阳能热水系统长时间无人用，处于不循环的状态。尤其是在辐照比较好、环境温度比较高的夏天，不进行循环的太阳能热水系统，水箱里水的温度与集热器介质的温度很快就达到平衡，使系统处于闷晒状态，如果闷晒时间足够长，系统内的介质就会汽化损失，使集热器处于空晒状态。空晒状态下的集热器其真空管和联机箱里的温度会很高，可达270℃（实测）甚至更高。

因此使用铜流道的集热器如果长时间不用，其铜流道就会层层氧化、脱落，流道管壁逐渐变薄，最后漏水损坏。从市场调查的资料显示，空晒时间比较长的集热器，情况确实如此，下面是市场调研的一组照片：

图3 空晒3个月的热管集热器内胆

图4 空晒3年的铜热管组件

图5 空晒6个月的U型管内胆

2.铜流道和铝翅片间的化学反应

太阳能集热器的传热系统是有铜流道和铝翅片相互配合而组成的，由于铜和铝是两种不同的金属材料，而且两个零部件之间的配合不可能没有间隙，所以在潮湿的环境下两种金属间就很容易发生化学腐蚀反应，或电化学腐蚀反应。结果就会造成铝翅片先腐蚀，腐蚀严重的铝翅片甚至会出现蜂窝状，随着时间的推移铜流道也逐渐腐蚀，最终造成整机报废。

近几年，通过对市场的调查发现，市场上很多集热器都出现了铜流道和铝翅片间的化学反应或电化学反应。尤其是在空气湿度比较大、环境温度比较高的地区，这种现象特别严重。原因是集热器真空管与联集箱配合的部位，虽然采取了密封措施，但是这种密封并不是绝对的，因为气体是无孔不入的，在不同零部件搭接的部位总会有或多或少的潮湿空气乘虚而入，这些进入真空管内的潮湿空气就为铜流道和铝翅片间电化学腐蚀反应及化学腐蚀反应提供了必要的条件。下面是在市场发现的发生了化学反应的集热器内胆照片：

图6 发生了化学腐蚀反应的U型管集热器内胆

3.现状总结及解决方案初步探讨

从上面的分析看出，铜流道与铝翅片配合构成的太阳能集热器传热装置存在很大的技术缺陷，并不是一种理想的结构。为保证消费者的利益，使太阳能热利用产业能够持续发展，在太阳能集热器领域必须解决两大问题：第一，太阳能集热器内胆高温氧化的难题;第二，太阳能集热器内胆的流道和传热翅片之间的化学腐蚀及电化学腐蚀的问题。

第一，解决铜流道高温氧化的问题不外乎两种办法，第一，换材料，找到一种能够耐高温、耐氧化、传热好并可以代替铜的材料做流道，彻底根除隐患。第二，对铜进行防护，引进新材料或新工艺对铜流道加一层保护层，从而提高铜流道的耐高温氧化能力，或者延缓铜的耐高温氧化时间。

第二，解决铜流道与铝翅片的化学腐蚀反应和电化学腐蚀反应问题，方法也有两种：第一，流道和翅片采用相同的材质，彻底根除隐患;第二，在铜流道外表面加一层不影响传热性能，且与铝翅片间不会形成化学腐蚀反应及电化学腐蚀反应的保护层。

综合以上问题，通过实验及实践证明，解决流道与翅片间的化学腐蚀反应及电化学腐蚀反应的问题相对简单一些，而流道的高温氧化问题则是一个非常难解决的课题。针对铜流道外加保护层的解决方案，本人尝试了多种多种方法，首先与相关专家论证了铜表面渗铝的解决方案，通过大量的实验，证明这种解决方案不能解决耐高温的问题。我们也考虑了采用铜封闭剂的方法，这种办法可以在一定程度上解决铜流道与铝翅片间的化学腐蚀反应及电化学腐蚀反应问题，但对铜流道高温氧化的问题依然是束手无策。

4.结束语

太阳能热水系统的终端情况千差万别，我们不可能保证所有的用户都能按要求去维护产品，因此太阳能集热器的空晒是一个不可避免的问题。尤其是太阳能热水工程，一般情况下从太阳能的安装到工程动用至少需要四五个月的时间，有的甚至需要两三年的时间。在业主入住前，太阳能热水系统肯定是处于空晒状态。这种情况下，如果要求太阳能销售商按时去施工现场进行维护，这种方法可行性也不是很好。所以市场上就出现了这样的情况，业主刚刚入住的新房太阳能热水系统就漏水，或者根本就不能用了。面对这样的问题我们如何解决？显然不能总是要求客户注意这注意那的，作为太阳能的制造者，我们应该主动出击从根本上解决问题。因此我们站在客户的角度，本着好用、实用的原则，开发一种性能好、耐高温、耐氧化、能够代替铜的传热材料，同时改进现有传统集热器内胆的结构，这是摆在太阳能热水系统开发者面前的一项重要课题。

参考文献

[1]何承荣主编.十种常用有色金属材料手册[M].中国物资出版社.

[2]顾钰熹著.特种工程材料焊接[M].辽宁科学技术出版社.

[3]金属流道太阳集热器的优缺点：OFweek太阳能光伏网.