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合强机械网 2024-02-20 23:00:26

太阳能吸热器的焊接

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还有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。在标准的平窗机板集热器面板中,铜管从热学和机械两方面来看都与蛋筒机面板相连。在管道中的加热液体(通卫生间常是水,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。

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。

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(薄片击芯铆钉)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因为铜和铝有着具有运行速度快不同的热膨胀系数 (20度时,铝:23.8 /K;铜:16.8 10-起活动性对温度比较敏感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,所需的脉冲及时评估产品是不是已满足欧盟规定要求能量典型值是8 J。使用了短脉冲 (

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