太阳能吸热器的焊接

HEATS 发表于 2010-9-12 16:07:43

不确定的政治和供给因素所导致的油价上升，以及京都议定书中CO2的排放目标将增强人们对“绿色”能源的需要，其中之一就是太阳能。有几个国家已经制定了政策以鼓励人们接受并增加对太阳能的利用。 使用太阳能最简便的方法就是收集太阳辐射能，将其转化为热能，相应加热液体，该液体可以被存储和输送（例如在建筑物中）。这些太阳热能收集系统一般包括平板集热器或者真空集热管，适合的管道，以及箱体。热能管理系统优化了与其他能源之间的使用及协调关系。 太阳能集热器原理 有许多不同的方法可以收集太阳能，并且将它转化为经过加热的液体。图1中是基于平面太阳能吸热器的太阳能面板。中心是经过选择性涂层的金属吸热器。涂层吸收大部分的辐射（95%），但是发射尽可能少的红外光辐射（100℃ 时约5%）。吸收的辐射能被转化成热能，热能必须被高效的转移到管道内的液体中。目前，金属片是用铜制成的，因为它具有很好的导热性。铜片厚度为0.2 mm。铜片的价格不断上涨，因此必须寻找替代物，目前包括带有选择性涂层的纯铝薄片，它在20℃时，热传导率为220W/mK，而铜的热传导率为384W/mK。其他铝合金的传导率更小，并且有可能会因为降低的金相质量导致金属在焊接以后抗冲击机械强度变弱。为了补偿纯铝热传导率较低的因素，需要增加铝片的厚度。在标准的平板集热器面板中，铜管从热学和机械两方面来看都与面板相连。在管道中的加热液体（通常是水，其中加了一些组分以降低结冰温度，提高沸点）通过主要的送水管道抽取和输送给用户，或者被储放在水箱中。为了确保高效率，从管道到液体的热转移也必须根据所选择液体的流量进行优化。湍流的热转移效率更高，但是，所需要的压力差比同样流量的片流大很多。在这个方面，在吸热器中弯曲的管道类型较具有优势。热量向周围物质和空气转移的热损失作用则可以通过合适的隔热方法来减少。 
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图1  由聚焦光束的数值孔径（NA）和管道直径所决定的最小辐射角
为什么使用激光？ 使用适当的热学和机械手段将装水的管道和吸热器薄片连接起来，这对于太阳能吸热器的效率来说很重要。这个连接必须满足下列几个要求，包括：能量传导率高；机械强度好，以承受温度梯度和热膨胀；对吸热器涂层的热损伤小，以保持外观；对吸热器薄片的热变形小；不会被腐蚀，以保证长时间可用；生产率高；可靠性和可重复性好；加工过程易整合到生产系统中；成本低。 选择的加工方法是熔焊和软钎焊技术。软钎焊有一定的局限性，因为在一些特定的情形下（临界点处）3测得的温度很高（>220℃），此外，对环境的要求，以及腐蚀的可能性都限制了它的应用。而使用熔焊技术时，使用超声波焊接系统或者脉冲Nd:YAG固体激光焊接系统。激光焊接提供了更为灵活，非接触式的过程，生产率更高而且质量更好。然而，激光系统的投资成本比超声波系统的投资要高。 两侧的激光点焊（如图2）满足了大部分提及的要求。注意到焊点并不是在管道和平板吸热器的接触线上。这样，从原理上说，这里的激光点焊有三个热能转移区域。
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图2  在铜-铜组合的材料上由激光产生的光斑焊接。 插图给出了由激光焊接的铜-铝太阳能吸热器。 反射图样说明了在铝吸热器板上有少量的热变形。
热传导率是由焊接线上的焊点空间分布得到的。其距离在1到3mm。并不推荐使用更小的距离，因为激光源有限的脉冲重复频率将导致生产率下降，同时这有可能带来由热能引起的吸热器薄片的变形。后者可以通过适当的焊接方法降低。 连接的机械强度，例如抗剪切强度和抗冲击强度，也依赖于焊点的密度。在典型的吸热器面板上有大于20,000个的焊接点。3在铜-铜的连接情况下，连接处有着与基底金属类似的机械强度。在铜（管）- 铝（薄片）的组合中，连接处的抗冲击强度更弱，它取决于合金的类型和由此导致的金相特性。还必须考虑到使用两种不同金属接触以及在潮湿的情形下可能被腐蚀。使用抗腐蚀层可以降低对铝制吸热器薄片的电化学腐蚀。2在激光焊接的过程中，与空气发生的高温化学反应产生了防护性的氧化铝层。按ISO要求作的强制老化测试，确认了这些过程的有效性。2因为铜和铝有着不同的热膨胀系数（20度时，铝：23.8 10-6/K；铜：16.8 10-6/K），铜管和铝板必须被压在一起，压紧的区域就是焊接进行的地方，以避免铝制吸热器薄片过度变形。 对于面板的每种材料组合和几何构型，我们优化了激光脉冲的必需焊接能量以及脉冲宽度，这就减小了对焊接处背面的选择性涂层的破坏（如图2）。相对于平板表面的辐射角越小，焊接的效率越高，所需的脉冲能量越少。对于铜-铜的组合，入射为20度时，所需的脉冲能量典型值是8 J。使用了短脉冲（<1 ms）以降低热传导的损失。由于铝的材料特性和吸收特性更好，铝-铜组合在相同的辐射条件下所需的能量小于5 J。对于平均功率高的激光来说，这就允许合适的重复频率，从而使得生产速度约为9 m/min，得到的一排焊点，其点和点之间隔为2 mm。可以利用分光元件分享同一束激光能量，以同样的速度焊接管道两侧。 实验表明使用激光光束小角度入射，能够降低脉冲能量。这样，使用小直径的管道和小锥角（数值孔径）的聚焦光束更有利。在激光加工系统中，光纤通常被用来将激光辐射导入焊接工作站。使用数值孔径NA =0.11的光纤，对于管道距离为100mm的典型情况，锥角可以降低到10度左右。在这样的装置中，与上述的数值相比，生产速度可以提高20%。我们从图2中就可以理解点焊能量降低的情况。角度越小，需要连接的距离越小，相应的，需要熔化用于连接的材料更少。同样也看到，当降低辐射角时，接缝就往管子和板接触线方向移动。此外，目前脉冲固态Nd:YAG激光器提供了时域的脉冲整形以优化焊接过程。3对于给定的辐射角，一个额外的可用来优化焊接过程的因素是聚焦光斑的位置。优化焊接脉冲的能量也会稳定加工过程，减小热副作用。 生产系统
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图3  这里使用了终端生产系统来生产太阳能吸热器， 它被用于样式不同的管道，以及不同的材料组合
目前已有为特定吸热器制造的自动焊接系统，来得到吸热器或者散热器。图3中是一种终端生产系统，用来生产整块太阳能吸热器面板。这些板的典型尺寸是1200 x 2000mm。设计上可能会有些不同，或者是弯曲型的单个管子，也可能有10-12个直管与面板上入口和出口的管道连接在一起。为了让焊接可靠并且可以重复生产，管道必须与吸热器面板相接触，而且，它的位置必须在激光光束焦点位置的几百个微米以内。这个问题在实际生产系统中已经得到解决。目前，即使是生产更为复杂的弯曲管道，点焊接的失误率仍然小于200 ppm4。为了将生产率提高到超过20个吸热器/小时，不仅必须优化焊接过程，而且必须优化装卸移动过程以及定位时间，定位时间是由吸热器设计所决定的，它是指焊接用的光学元件沿着弯曲的路径，从一个管道移到另一个管道过程中的定位时间。 结论 平板型铜-铜或者铝-铜的太阳能吸热器满足了对于热效率以及机械抗冲击力的要求。使用脉冲激光器系统可以以高生产速度来进行可靠且可重复的焊接。特别是对于更为经济型的铜-铝结合，激光焊接可以提供的加工过程的可靠性更好，此外，与其他连接过程相比，它最大程度地降低了腐蚀的风险。

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