CN103502747A - 太阳能吸收器单元及包含其的太阳能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于太阳能吸收装置中的太阳能吸收器单元及其制造方法。所述单元包括集热器板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对。后面板具有内表面和外表面，所述内表面经由不透流体的结合附接至所述集热器板的后表面的区域，由此所述面板的内表面和所述集热器板的后表面一起限定在所述面板所附接的集热器板的后表面的区域之间的流体输送通道。所述单元具有连接器，所述连接器用于将热提取流体引入通道中，并用于从所述通道中去除流体。所述集热器板和优选的所述后面板各自由铝合金芯层制成，所述铝合金芯层设置有面对所述流体输送通道的在所述芯层的侧面上形成的覆盖层，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。

Description

太阳能吸收器单元及包含其的太阳能装置
技术领域
本发明涉及太阳能吸收器装置。更特别地，本发明涉及具有热性质而非光伏性质的太阳能吸收器装置，其使用由日光直接加热的太阳能集热器，并转而加热用于从所述装置提取热能的流体。
背景技术
此类太阳能吸收器装置通常以相对较薄的面板的形式制得，所述面板可安装于建筑物屋顶上，或安装于选择以在一天的相当大部分过程中接收直射日光的其他便利的位置中。面板通常由扁平箱组成，所述扁平箱具有通常由玻璃或透明塑料材料制成的透明壁以及优选隔绝热损失的由金属，木材或塑料制成的剩余部分。所述箱含有太阳能集热器，所述太阳能集热器为距离透明壁之后数厘米设置的平板的形式，并具有前表面，所述前表面为黑色或涂布有吸收入射日光并将入射日光转化为热量的特殊涂层。由此产生的热量经由以蛇形方式设置的金属管(通常由铜制得)从集热器板的后表面提取，使热提取流体(通常为水性液体，例如水或水和丙二醇(防冻剂)的混合物)流动通过所述金属管。在正常条件下，由于热能从集热器板传递至金属管，因此热提取流体可达到高达100℃的温度。捕集的能量的量取决于集热器板的尺寸、入射日光的强度和装置的总体设计，所述装置的总体设计如果不小心计划，则可能导致不希望的热损失。集热器尺寸通常受限于处理和美学考虑，特别是当装置旨在在屋顶安装并因此是高度可见之时。为了使热损失达到最小，这种装置通常为隔热的，如上所述，且通常关闭和密封箱以防止对流热损失，并保护吸收器的外表面免于气候的不利影响。因此，在使用中，静止空气提供了覆盖作用，使得热量在箱内累积。
集热器板本身必须具有良好的热导率，使得在前表面处收集的热量易于通过面板到达后表面，收集的热量在后表面处被提取。因此，通常面板由导热金属(例如铝、铜或这些金属的合金)制成。蛇形金属管通常直接附接至集热器板的后表面，这可通过各种方法实现，例如物理成型、激光焊接或超声焊接，或钎焊。在激光焊接(其产生良好的结合)的情况中，可激光焊接的保护层可设置于板的后侧上。这为板提供了保护，并使得焊接过程更容易。然而，不连续焊接(即所谓的缝焊)常用于将金属管连接至集热器板以降低成本。因此，所述管仅以间隔附接至板，焊缝不沿着金属管的整个长度行进。这在热能传递过程中产生效率损失，实际上，即使当焊缝的确完全沿着金属管延伸时，焊接用于附接管也并不高度能量有效。不仅接触区域相对于集热器板的总表面积相当有限，而且形成焊接的材料可能不具有良好的热导率，且在热量加热包含于金属管内的热提取流体之前，热量必须通过金属管的壁。
此类太阳能装置应该设计为尽可能无维护，并具有长的工作寿命。装置不含有需要常规维护的任何移动部件，但可能由于热提取流体的不利影响而发生腐蚀。不幸的是，具有良好强度和使它们易于制造成太阳能集热器或除热管的性质的材料常常不具有良好的耐腐蚀性。为了克服这点，已试图用耐腐蚀材料(例如金属氧化物)涂布用于输送热提取流体的管或通道的内表面，或者用牺牲合金的层覆盖金属表面。这种方法已描述于例如1979年12月18日授权给JamesM.Popplewell的美国专利no.4,178,990中。然而，发现用金属氧化物涂布在完全防止点蚀中是不令人满意的，并且发现由于必须将两个覆盖片材结合在一起，因此包层金属(例如具有铝-锌合金的铝包层)的使用为复杂且昂贵的。也发现保护包层仅提供有限的保护，因为它们通过腐蚀而快速消耗，从而留下未保护的芯部表面，且腐蚀在结合部分处发生，由此导致热传递流体沿着结合界面渗透并泄漏。Popplewell优选提供对腐蚀金属离子具有高亲和性的吸收物质(getter substance)，从而在热交换流体通过太阳能集热器装置之前从这种流体中去除这种离子。
在1977年12月13日授权给Gerald C.Reed的美国专利no.4,062,350中，太阳能吸收器被描述为具有由不锈钢制成的基底片材和具有至少一个用铜涂布的表面的由不锈钢制成的吸收器片材。不锈钢的使用可提供相当重的太阳能集热器装置。专利权人阻止在这种装置中使用铝，因为当铝暴露于典型自来水时其经受腐蚀，并且当铝暴露于游泳池水时其甚至更易于腐蚀。由于铜的良好的热导率和耐腐蚀性，因此使用铜，但专利权人指出，铜的成本相对较高，并且其为在未来可能变得稀缺的金属。
1981年10月6日授权给HaroldW.Smith的美国专利4,292,955公开了一种太阳能集热器，其中据称所述太阳能集热器由具有高耐腐蚀性和热传递性质的金属(例如铜)制成。
2007年7月25日作为欧洲专利公布no.EP1811245公开的欧洲专利申请EP07100563.1描述了由两个铝片材构造太阳能集热器。第一铝片材为涂布有辐射吸收涂层的吸收器板。第二铝片材(即下部片材)包括模冲物，所述模冲物协助形成冷却流体流动通过的通道。吸收器板和经预模冲的下部片材通过钎焊结合而形成封闭通道。其中提出可使用铝业协会(AluminumAssociation)3XXX系列的合金。
需要一种此类装置的改进设计，从而可获得良好的热提取效率，并同时使构造的材料的腐蚀达到最小。
发明内容
本发明的一个示例性实施例提供了一种太阳能吸收器单元。所述单元包括集热器板和后面板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对；所述后面板具有内表面和外表面，所述内表面经由不透流体的结合附接至所述集热器板的后表面的区域，由此所述面板的内表面和所述集热器板的后表面一起限定在所述面板所附接的集热器板的后表面的区域之间(即在边界内)的至少一个流体输送通道。所述单元也包括连接器，所述连接器用于将热提取流体引入至少一个通道中，并用于从所述至少一个通道中去除流体。所述集热器板包括设置有形成板的后表面的覆盖层的铝合金芯层，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，优选不超过0.4wt.％，更优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。甚至更优选地，总Fe含量(如果存在)不超过0.25wt.％(即0-0.25wt.％)。因此，覆盖层的合金为高纯度的，并主要包含铝。
所述后面板由金属制成，或者由诸如塑料或复合材料的材料制成，在后面板由诸如塑料或复合材料的材料制成的情况中，在所述后面板附接至所述集热器板之前或之后，所述后面板的内表面可成形为在对应于所述流体输送通道的区域中形成凹面。塑料或复合材料的后面板可通过使用粘合剂而附接至所述集热器板。然而，所述后面板优选为金属面板，所述金属面板具有设置有形成面板的内表面的覆盖层的铝合金芯层，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，优选不超过0.4wt.％，更优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。甚至更优选地，Fe的总含量(如果存在)不超过0.25wt.％。
当所述面板为如上所述的金属面板时，所述不透流体的结合优选为通过在待结合的板的区域中将集热器板与后面板的覆盖层辊压结合在一起而形成的不透流体的结合。所述流体输送通道随后可通过如下方式形成：通过在压力下引入流体而使所述板与所述面板之间的未结合或弱结合的区域膨胀。辊压结合产生金属集热器板与金属后板之间的直接接触，所述直接接触允许两者之间的良好的热传递。当所述后面板由塑料或复合材料制成时，所述不透流体的结合可通过在待结合的区域中施用粘合剂而形成，且所述流体输送通道可由后面板的之前成形的区域形成。
所述集热器板可在形成板的前表面的芯层的相对侧上具有另外的覆盖层，所述另外的覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，优选不超过0.4wt.％，更优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。同样地，所述后面板优选在形成外表面的面板芯层的相对侧上包括另外的覆盖层，所述另外的覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，优选不超过0.4wt.％，更优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。
所述集热器板的前表面有利地设置有适于提高太阳能吸收的粗糙化或纹理化表面。可选择地或另外地，所述前表面可设置有适于提高太阳能吸收的材料层。
另一示例性实施例提供了一种太阳能吸收器装置，其包括外壳和安装于所述外壳内的如上类型的太阳能吸收器单元，所述外壳具有由例如玻璃或塑料的透明材料制成的前壁。
另一示例性实施例提供了一种制备太阳能吸收器单元的方法。所述方法包括提供集热器板和后面板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对；所述后面板具有内表面和外表面。所述后面板的内表面或所述集热器板的后表面的部分涂布有流体输送通道图案的脱结合油墨，且所述面板的内表面的未涂布区域通过辊压结合而附接至所述板的后表面的对应区域以在其间形成不透流体的结合，并同时在所述图案中留下未结合或弱结合的区域。所述流体输送通道随后用流体膨胀，所述流体在压力下在未结合区域中在所述板与所述面板之间引入。提供连接器用于所述流体输送通道，以使热提取流体能够被引入通道中，并从通道中去除。
在本说明书中，提及由AA数确定的合金。为了理解最常用于命名和确定铝及其合金的数字标识体系，参见2009年2月修订的由铝业协会出版的“International Alloy Designations and Chemical Composition Limits forWrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys(锻铝和锻铝合金的国际合金标识和化学组成限制)”(其公开内容以引用方式并入本文)。
应当解释，术语“包层”和“芯部”，或“覆盖层”和“芯层”在本文非常宽松地使用。例如，尽管芯层和覆盖层易于在三层结构中确定，但严格说来在两层结构中就其本身而言不存在芯层(即嵌入层)。然而，在这种两层结构中，芯层通常被认为是较厚的层，其通常为将总体物理性质赋予层状结构的层。在本发明的上下文中，面对所述至少一个流体输送通道的多层结构的层被认为是覆盖层(或包层)。
用于集热器板和任选的后面板的覆盖层的高纯度铝合金具有良好的耐腐蚀性，如在以下实验部分所示，但对于以单片层(单层)形式使用，它们往往太弱，且易于损坏。已发现有利的是在更强的金属芯上的易于腐蚀的表面上提供这种合金作为覆盖层。所述覆盖层优选在易于腐蚀的表面上提供，所述易于腐蚀的表面即流体输送通道内的表面以及可能的在提供用于太阳热吸收器单元的外壳内与大气接触的表面。
附图说明
图1为太阳能吸收器装置的一个示例性实施例的横截面；
图2为图1的装置的太阳能吸收器单元的部分横截面；
图3A、3B和3C为可在图2的单元中使用的示例性集热器板的部分横截面；
图4为可在图2的单元中使用的后面板的部分横截面；
图5A和5B为在互相附接的点处的集热器板和后面板的示例性组件的可选择的部分横截面，这些组件为可在图2的单元中使用的类型；
图6为用于产生如以下实验部分所述的结果的实验电池的横截面；
图7为显示在以下实验部分描述的实验的结果的图；以及
图8为显示在以下表1中所示的各种合金的测得的钝态范围的图。
具体实施方式
本发明涉及的类型的太阳能吸收器装置的一个示例性实施例在附图的图1中显示，并如下简单描述。
附图显示了适于安装于建筑物的屋顶上等的平板形式的太阳能吸收器装置10的部分横截面。所述装置包括外壳10A，所述外壳10A具有透明矩形前壁11和后壁12，所述透明矩形前壁11由例如玻璃或透明塑料制成，所述后壁12由例如绝缘材料(例如发泡聚苯乙烯)或由设置有常规热绝缘体(未显示)(例如玻璃纤维等)的内层和/或外层的金属、木材或塑料制成。前壁和后壁通过短的侧壁13在它们的外周连接，所述短的侧壁13可由与后壁11相同的构造制成。所述壁在它们各自的边缘互连，以形成密封装置。允许热提取流体进入和离开装置的流体连接器14穿过壁中的一个，例如所示的侧壁13。密封外壳10A含有太阳能吸收器单元15，所述太阳能吸收器单元15吸收穿过透明壁11的太阳能20，将其转化为热能，然后通过使用热提取流体而收集和去除热能。单元15包括集热器板17，并因此被加热，所述集热器板17具有涂黑或设置有效吸收太阳能的材料的层19的前表面。热量通过传导而传递通过集热器板17至其后表面16，所述后表面16在其整个表面积上或在其所选的一个或多个部分上覆盖有后面板25。所述后面板造形为提供接触集热器板17的平面部分18和沿着蛇形或其他复杂路径的单个通道26或者如下文将描述的多个通道。通道26经由在其相对端的合适的管道(未显示)而连接至流体连接器14，使得其可借助设置于装置10外部的流体泵(未显示)而被连续供应热提取流体22(其通常为水，或者含有丙二醇或与防冻/防沸添加剂类似的化学品的水)。应注意，通道内的热提取流体22在后表面16的相当大区域上与集热器板17的后表面16直接接触，相比于通常为集热目的所提供的常规蛇形金属管，这允许更有效的集热。由太阳能所产生的热量通过热提取流体22收集，并使用热提取流体而从装置中去除。可例如通过常规热交换而使用以此方式去除的经加热的流体，以加热另一介质(例如在建筑物内使用的热水，或用于直接加热建筑物空间的空气或水，或用于其他过程)。然后将降低温度的热提取流体返回至太阳能吸收器装置10，以用于进一步的集热，通常进行热提取流体的恒定连续的再循环。
图2为类似于图1的横截面，但仅显示了单独的太阳能吸收器单元15。后面板25在诸如28的区域中牢固附接至集热器板17的后表面16，在面板25的整个范围上设置该附接，以将热提取流体限制于通道26内，并避免热提取流体在相邻通道回路之间的错流。集热器板17优选由铝合金片材制成，所述铝合金片材在一侧或两侧上覆盖有不同铝合金的薄层。此类覆盖片材可例如通过热轧和冷轧复合材料铸锭而制得，所述复合材料铸锭通过公开于在2009年1月6日授权的Anderson等人的美国专利no.7,472,740中的连续共浇铸方法而制得。后面板25可由金属或者模制塑料材料或复合材料制成，在由模制塑料材料或复合材料制成的情况中，区域28中的结合通过使用粘合剂而实现。
图3A显示了覆盖板形式的集热器板17的一个示例性实施例，所述集热器板17由芯层30和在所述芯层的相对侧上设置的覆盖层31和32组成。芯层30为由于其良好的机械性质以及良好的热导率而选择的合金。优选地，芯部的合金不是可热处理的(时效硬化)合金，从而无需热处理来提高芯层的合金的机械强度。这种热处理可不利地导致合金元素从芯层30迁移至覆盖层31和32，由此损害覆盖层的腐蚀性能。AA3XXX、AA4XXX、AA5XXX或AA8XXX系列的铝合金适用于芯层，一些AA1XXX系列的合金也适用于芯层。芯层30的合金选择也可受到通过上述过程共浇铸的容易度的影响。覆盖层31和32选择为具有高的耐腐蚀性的合金。腐蚀最有可能在集热器板17接触热提取流体22之处的点发生，因此所述板可仅在一侧(即形成面对并接触通道26内的热提取流体22的后表面16的侧面)上包层。选择用于包层的优选合金为铝合金，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，更优选不超过0.4wt.％，最优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。因此，所述铝合金为高纯度的。
可使用长时间的高温热处理来协助固溶如Fe的杂质元素。原则上，这可防止杂质充当阴极，由此进一步改进对于给定的杂质基本水平的耐腐蚀性。实际上，这并不优选，因为其缓慢且昂贵，并且可能使面板软化或变形。
如前所述，集热器板17的上(即外)表面通常涂布有强烈吸收太阳能的材料的层19。层19优选为高度粘附的，并在多年服务中抵抗大气形式的腐蚀。高度耐腐蚀的金属的另外的覆盖层31在层19下方的任选使用也提高了面板的耐腐蚀性质和一般耐气候性。该层31可由与下部覆盖层32相同的合金制成，或者其可不同，因为其主要旨在在与外壳10A中存在的空气或其他气体或水分接触而不是与热提取流体接触时降低腐蚀。
如图3B所示，集热器板17的上表面可另外设置有粗糙化或纹理化表面40以改进太阳能吸收。上表面可根据美国专利No.7,516,637的教导进行纹理化，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。在两侧上均设置有覆盖层的芯层30的情况中，如图3B所示，粗糙化或纹理化表面40将是与涂布层19接触的覆盖层31的上表面。然而，可省略覆盖层31，如在图3C的可选择的实施例中所示(例如，如果大气腐蚀不是严重问题)。在此情况中，粗糙化或纹理化表面40为与涂布层19接触的芯层30的上表面。
尽管如前所述后面板25可由塑料或复合材料制成，但其优选由铝或铝合金制成，所述铝或铝合金优选以与集热器板17相同的方式在一侧或两侧上覆盖不同的铝合金。这种设置示于图4(其显示了由图2中的附图标记27所指的区域中的面板部分)，其中芯层35在其相对侧上覆盖有覆盖层36和37。再次，芯部35可从具有良好的机械性质的合金中选择。理想地，可热处理的合金避免用于芯层35，从而无需热处理来提高机械强度。这种热处理是不利的，因为它们可导致合金元素从芯层35迁移至覆盖层36和37，由此降低它们的耐腐蚀性。用于芯层35的合适的合金包括来自AA3XXX和AA5XXX系列的合金。形成热提取通道26的内表面的后面板的上表面覆盖有铝或铝合金，所述铝合金具有不超过0.5wt.％，更优选不超过0.4wt.％，最优选不超过0.35wt.％的合金元素和杂质(如果存在)的总含量。这些合金因此为高纯度的。结合在集热器板17的面对流体的表面上提供的覆盖层32，这确保了热提取流体22被完全封闭在形成通道26的耐腐蚀表面内。用于后面板的下(即外)层37的包层(如果存在)也可具有抵抗来自太阳能装置内的大气的腐蚀的高度耐腐蚀的铝合金。其可与覆盖层36的合金相同，或者为不同的耐腐蚀合金。此类包层面板可由包层铸锭制得，所述包层铸锭通过如上所述的过程制得。
图5A显示了由附图标记28所指的图2的区域中的包层集热器板17和包层后面板25，在所述区域处集热器板和后面板彼此接触，并相互附接。如上所述，集热器板17的内覆盖层32和后面板25的内覆盖层36选择用于提供对热提取流体22的高耐腐蚀性。而且，高纯度合金用于这些覆盖层有可能使微原电池活性(micro-galvanic activity)达到最小，由此进一步降低或延缓腐蚀。
图5B显示了当集热器板和后面板各自仅包括一个覆盖层时的包层集热器板17和包层后面板25。如上所述，集热器板17的覆盖层32和后面板25的内覆盖层36选择用于提供对热提取流体22的高耐腐蚀性，但前述外覆盖层31和37不存在。这种设置可用于其中大气腐蚀不是显著问题的情况。如前所述，在图5B的实施例中的芯层30的外表面或在图5A的实施例中的覆盖层31的外表面可被纹理化或粗糙化，以改进或提高太阳能吸收。
用于覆盖层的高纯度合金有利于可用于将后面板25附接至集热器板17的辊压结合过程。辊压结合涉及通过在板和面板待结合的区域中将堆叠的板和面板经过加载力的辊之间而将显著的力施加至板和面板。如果后面板25预先成形以形成通道26，则这将是困难的。因此，后面板25可保持平坦，且板或后面板的内表面可“印刷”脱结合材料(常常称为脱结合“油墨”)的分散体，以产生通道26的所需路径。石墨油墨适用于此目的。然后将集热器板和后面板经过加载力的辊，从而发生辊压结合。在未由脱结合油墨分隔的接触区域中，结合强度相对较高，而在沉积脱结合油墨之处的接触区域中，结合强度相对较低或者表面完全不结合。在辊压结合之后具有低结合强度或零结合强度的区域可随后被“膨胀”以形成通道26，即将压力下的膨胀流体引入集热器板与后面板之间，并使压力足够高以强制集热器板和后面板在它们不强烈附接之处的区域中分开，并且使压力足够高以使面板永久变形而形成通道26。膨胀流体可为气体或液体。
在膨胀过程中，集热器板和后面板中的仅一者可变形(优选后面板)，或者当通道26形成时，两者可变形。集热器板和后面板两者的膨胀具有使所形成的通道的横截面积达到最大的优点，并同时限制任一者的拉伸成型要求。如果使集热器板和后面板中的仅一者膨胀，则该元件必须提供所有的拉伸成型。集热器板和后面板内的相对膨胀量将受到用于芯层30和35的合金的相对强度和/或厚度的影响。对于待变形的芯部，优选的是使用在O-回火度(O-temper)下的屈服强度不超过约60MPa且伸长(单轴断裂伸长)为30％或更大的合金。而且，用于包层和芯部的金属的屈服强度差异应优选不超过约50MPa。包层的伸长应优选与芯部的伸长相同，或高于芯部的伸长，因为在发生膨胀时芯部的伸长居于主导。为了提供具体优选的实例，可提及常用于芯部的O回火度下的合金AA1100的屈服强度为34MPa，且其伸长为约35％。对于O回火度下的合金AA3003，对应的值为42MPa和30-40％，且合金AA5005具有40+MPa的O回火度屈服强度。相比之下，合金AA5082和AA5083具有100-200MPa的屈服强度，其对于在旨在在通道膨胀过程中经历变形的芯层中使用而言过高。
在如上实施例的讨论中，已指出通道26可为以蛇形或其他复杂图案在集热器板17的后表面上延伸的单个通道。然而，可选择的设置是可能的。例如，单独的通道可在板17的后表面上平行延伸，并在装置外部结合或者经由歧管沿着集热器板的相对侧边缘延伸。另外，如果需要，上述附接方法可用于产生沿着通道长度具有可变横截面的通道。所述方法可也用于改变附接区域，使得热提取流体与集热器板的下表面的接触区域可沿着通道长度而变化。以此方式改变通道性质的能力可用于适应热提取流体流速或压力的变化(除此之外，所述变化可使用给定的通道图案而发生)。此外，已指出集热器板17通常为平坦的(其为优选的)，但可选择地，通道26可在集热器板17中形成，且后面板或为平坦的，或被部分造形以与经造形的集热器板17一起形成通道的部分。
用于任选的太阳能吸收器层19的材料有许多选择。所述层通常为配制为具有高吸收率和低发射率(例如，吸收率∶发射率高达95∶5的选择性)的黑色薄膜。可使用诸如氧化钴或氧化铜的“本征吸收器”的薄膜。然而，可以以其他方式引起高选择性，例如使用介电和金属薄膜(任选透明)的交替的层或半导体/金属组合。多层结构通常为高性能的，但可能制备更昂贵。
示例性实施例的太阳能吸收器单元可以以任意所需的尺寸制得。这种单元的常规尺寸为1.2mx2.4m(4英尺x8英尺)，但更小的单元也可能是希望的，例如1mx2m。
本发明的优选示例性实施例将通过参照如下实验部分而进一步理解。
实验
进行测试，以确定将形成有效的覆盖层以使太阳能吸收器单元的通道内的腐蚀达到最小的铝合金的类型。如下表1显示了八个候选合金的组成。
                         表1
                作为覆盖层评价的铝合金
            含量以占全部合金的重量百分比计
Figure BDA0000369904010000101
Figure BDA0000369904010000111
注意：所有其他元素和杂质各自以低于0.005wt.％的量存在。
样品合金8为具有Mn作为主要合金元素的典型的3XXX系列合金。
所有合金以大约0.9～1.0mm规格的单片(单层)片材的形式进行评价。在乙醇中超声脱脂大约2分钟之后，在精轧表面上进行最初系列的测试。
使用具有标准三电极设置的Princeton“平板电池”进行电化学实验，如图6中所示。该装置允许测试具有最少样品制备的铝合金的小试样60。测试试样60的前表面抵靠安装于电池65的端板62中的O型环密封件61而夹紧。该设置将均匀1cm2的金属试样的盘暴露于电池内的测试溶液64。使用获自英国坎布里亚的ACM仪器公司(ACM Instruments Ltd.)的可编程电化学界面进行线性极化实验(LPE)。
LPE实验涉及测量测试试样60与标准参比电极66(例如称为SEC的甘汞或Ag/AgCl)之间的电势，并使用恒电势器67控制电势。通过强制试样的铝阳极极化，有可能提供用于钝化膜击穿和随后的点蚀引发的逐渐增加的驱动力。通过监测当铝样品的电势逐渐增加(即变得更正)时样品试样60与惰性对电极68之间的电流而测量在该极化过程中钝化膜抗力的程度。铝合金的典型的LPE结果显示三个特征，所述三个特征代表了合金在特定测试溶液中的耐腐蚀性，即：
1.Efc-合金的自然腐蚀电势；
2.Epit-击穿电势，有时称为点蚀电势；以及
3.钝化范围-Efc与Epit之间的电势差的量度。该范围通常用作合金的耐点蚀性的量度。
使用各种测试水溶液在LPE实验中测试表1的合金。常用于太阳热能装置中的热提取的热提取溶液(即50％水/50％丙二醇)通常具有极低的离子电导率，在使用这种溶液的LPE实验中所涉及的短时间内，没有一个合金显示出击穿电势(Epit)，因此这种溶液不可用于评级候选合金的耐腐蚀性。因此，使用更具侵蚀性的测试溶液，即：
●在25℃下的ASTM水(148mg/LNa2SO4；165mg/LNaHCO3)
●50％水+50％丙二醇+250ppm氯化物
在25℃下的ASTM水中在(表1的)合金样品1和7上进行的LPE实验的结果示于图7中。结果显示样品1(～1254mV)相比于样品7(～234mV)显著更高的钝化范围。本发明人认为这些数据是由于在样品7的合金中存在的高得多的水平的杂质，如铁和硅。据信杂质在暴露表面上充当阴极，由此促进了微原电池活性和降低的钝性。因此，这些结果预计样品1的合金相比于样品7的合金具有大得多的耐点蚀性。
再次使用在25℃下的ASTM水在表1的所有合金样品上进行的类似测试的数据示于如下表2中。该表显示了合金样品的自然腐蚀(Efc)值、击穿电势(Epit)和钝化范围。
                             表2
Figure BDA0000369904010000121
表2中总结的数据提供了对表1的候选合金的范围的耐点蚀性的指示。由这些数据可以看出，通常用于制造热提取单元的标准合金，即样品7(AA1100合金)和样品8(AA3003合金)，由于其良好的强度而显示出比更纯的合金(样品1至6)显著更低的钝化范围。因此可假定，在这些短期LPE实验中样品7和8所显示的钝化水平使得这些合金不足以用于长期服务。
图8以图表形式显示了各个样品的来自表2的钝化范围。由该附图可以看出，合金纯度与增加的钝化性之间存在广义相关性。在太阳能面板应用(使用常规热提取流体，如50％水/50％丙二醇)中用于长期使用(例如大于20年)的合适的钝化范围假设为约280mV(如线条80所示)或更高。这并非准确的极限，而是基于LPE数据和使用常规合金的过去的服务经验的估计。这种钝化范围水平通常对应于合金元素含量为约0.5wt.％或更低(即不超过0.5wt.％)，更优选约0.4wt.％或更低(即不超过0.4wt.％)，最优选约0.35wt.％或更低(即不超过0.35wt.％)的铝合金。金属纯度与钝化范围之间的关系可能不是准确的，因为合金浇铸的时间以及合金浇铸的方式可产生结合于固溶体中而非存在于分立的金属间相的杂质水平的变化。因此，热机械加工历史可影响合金的钝化性，即使对钝化性的主要影响为杂质水平。即使如此，有效耐腐蚀性的杂质的0.5wt.％的最大数字在大多数情况中是适当的。
如下表3显示了使用具有比标准ASTM水更高水平的氯化物的测试溶液(参见如上)在合金样品上进行的LPE实验的结果。认为该第二测试溶液比ASTM水更具侵蚀性。在实验中，通过将溶液加热至约85℃(其接近热吸收器装置的工作温度)而使溶液甚至更具侵蚀性。
                                  表3
Figure BDA0000369904010000131
表3中的数据遵循与表2和图8之前所述相同的模式。正如对于ASTM水获得的结果，更纯的合金显示出更大的钝化范围。与之前的数据的仅有的明显差别在于样品6(具有略高的Fe含量(0.35wt.％)的合金)的合金以及样品7和8的常规合金的活性溶解。因此，这些合金在该更具侵蚀性的测试溶液中不显示可测量的钝化范围。这些结果显示，在太阳能吸收器应用中需要更纯的合金用于覆盖层。尽管发现样品6的合金在该测试中不合适，且样品6的合金可表明其相比于样品1至5的合金较不合适，但由于工作条件通常不那么严苛，因此其仍然适合在实践中使用。尽管如此，对于大多数应用，通常仍优选的是将在使用中暴露于热提取流体(和甚至暴露于太阳能单元内的大气)的合金的Fe含量保持在不超过0.25wt.％(即0-0.25wt.％)。

Claims (23)

1.一种太阳能吸收器单元，其包括：
集热器板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对；
后面板，所述后面板具有内表面和外表面，所述内表面经由不透流体的结合附接至所述集热器板的所述后表面的区域，
由此所述面板的所述内表面和所述集热器板的所述后表面一起限定在所述面板所附接的集热器板的所述后表面的所述区域之间的至少一个流体输送通道；以及
连接器，所述连接器用于将热提取流体引入所述至少一个通道中，并用于从所述至少一个通道中去除所述流体；
其中所述集热器板包括设置有形成集热器板的所述后表面的覆盖层的铝合金芯层，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
2. 根据权利要求1所述的太阳能吸收器单元，其中所述覆盖层由铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.4 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
3. 根据权利要求1所述的太阳能吸收器单元，其中所述覆盖层由铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.35 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
4. 根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的太阳能吸收器单元，其中，如果存在Fe，所述覆盖层具有不超过0.25 wt.%的Fe含量。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板由设置有形成面板的所述内表面的覆盖层的铝合金芯层制成，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
6. 根据权利要求5所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板的所述覆盖层由铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.4 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
7. 根据权利要求5所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板的所述覆盖层由铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.35 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
8. 根据权利要求5至7中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板的所述覆盖层由铝合金制成，如果存在Fe，所述铝合金具有不超过0.25 wt.%的Fe含量。
9. 根据权利要求5至8中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述不透流体的结合为通过在所述集热器板的所述区域中将所述集热器板和所述后面板的所述覆盖层辊压结合在一起而获得的结合。
10. 根据权利要求9所述的太阳能吸收器单元，其中所述至少一个通道为通过在形成所述不透流体的结合之后所进行的在所述集热器板的所述区域之间将所述面板、所述集热器板或所述面板及所述集热器板两者流体膨胀而获得的结构。
11. 根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板由选自塑料材料和复合材料的材料制成。
12. 根据权利要求11所述的太阳能吸收器单元，其中所述不透流体的结合为通过在所述集热器板的所述区域中在所述集热器板与所述后面板之间施用粘合剂而获得的结合。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述集热器板在形成集热器板的所述前表面的所述芯层的相对侧上包括另外的覆盖层，所述另外的覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
14. 根据权利要求5至10中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板在形成所述外表面的面板的所述芯层的相对侧上包括另外的覆盖层，所述另外的覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述集热器板的所述前表面具有适于提高所述太阳能的吸收的粗糙化或纹理化表面。
16. 根据权利要求1至14中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述集热器板的所述前表面设置有适于提高所述太阳能的吸收的材料层。
17. 根据权利要求1至16中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述集热器板的所述芯层由选自AA1XXX、AA3XXX、AA4XXX、AA5XXX和AA8XXX系列的合金的铝合金制成。
18. 根据权利要求17所述的太阳能吸收器单元，其中所述铝合金为不可热处理的合金。
19. 根据权利要求5至10中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板的所述芯层由选自AA1XXX、AA3XXX、AA4XXX、AA5XXX和AA8XXX系列的合金的铝合金制成。
20. 根据权利要求19所述的太阳能吸收器单元，其中所述铝合金为不可热处理的合金。
21. 根据权利要求5至10中任一项所述的太阳能吸收器单元，其中所述后面板的所述芯层由屈服强度不超过约60MPa，且单轴断裂伸长为30%或更大的铝合金制成。
22. 一种太阳能吸收器装置，其包括具有由透明材料制成的前壁的外壳和安装于所述外壳内的太阳能吸收器单元，其中所述太阳能吸收器单元包括：
集热器板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对；
后面板，所述后面板具有内表面和外表面，所述内表面经由不透流体的结合附接至所述集热器板的所述后表面的区域，
由此所述面板的所述内表面和所述集热器板的所述后表面一起限定在所述面板所附接的集热器板的所述后表面的所述区域之间的至少一个流体输送通道；以及
连接器，所述连接器用于将热提取流体引入所述至少一个通道中，并用于从所述至少一个通道中去除所述流体；
其中所述集热器板包括设置有形成集热器板的所述后表面的覆盖层的铝合金芯层，所述覆盖层由铝或铝合金制成，所述铝合金具有不超过0.5 wt.%的合金元素和如果存在的杂质的总含量。
23. 一种制备太阳能吸收器单元的方法，其包括：
提供集热器板，所述集热器板由导热材料制成，并具有前表面和后表面，所述前表面适于吸收太阳能并将太阳能转化为热量，所述后表面与所述前表面相对；
提供具有内表面和外表面的后面板，并用脱结合油墨以至少一个流体输送通道的图案涂布所述后面板的所述内表面或所述集热器板的所述后表面的部分； 
通过辊压结合将所述面板的所述内表面的未涂布的区域附接至所述集热器板的所述后表面的对应区域，以在其间形成不透流体的结合，并同时留下所述图案中的未结合或弱结合的区域； 
使用在所述未结合的区域中的所述板与所述面板之间引入的压力下的流体，使所述至少一个流体输送通道膨胀；以及 
将连接器提供至所述至少一个流体输送通道，以使热提取流体能够被引入所述至少一个通道，并从所述至少一个通道去除。
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