太阳能热水器：技术与标准永不停息

    从全玻璃真空太阳集热管到家用太阳能热水系统，一系列国家标准的出台实施，催生了太阳能集热产业，使我国太阳能热水器市场从无到有、从无序到规范，推动着太阳能热水器产品质量不断提升、能效水平不断升级。
　　技术发明者也是标准制定者
　　1996年，《全玻璃真空太阳集热管》国家标准开始制定。此项技术的发明者，清华阳光公司积极投入到该项国家标准的编制中。
　　20世纪70年代末，几经波折的清华大学电子系终于从绵阳分校搬迁回清华园。教师学者们在绵阳更多地经受劳动锻炼，专业研究已经搁置多年。回校后，世界科技发展已经进入新的阶段，而作为原来电子系核心专业的电真空专业，由于受到半导体技术快速发展的冲击，原来的电子管相关技术发展基本停滞。新的研究方向如何确立，成为摆在重新回到教学研究岗位上，热情高涨的学者们面前的迫切问题。
　　美籍华人贝聿昆先生早年毕业于麻省理工学院，是世界极具权威的玻璃、陶瓷和新能源专家，在玻璃和陶瓷领域拥有45年的丰富经验和大量发明，对玻璃材料有着较为深厚的了解。上世纪70年代，美国为了应对能源危机，加大了对新能源的研究投入。在美国政府的资金支持下，贝聿昆先生发明了全玻璃真空集热管。但由于成本问题，当时并没有得到推广，加之石油危机结束，美国政府支持资金大量减少，太阳能的研究暂时搁置。
　　1978年是70年代能源危机末期，国内对于新能源开发的紧迫性也有所认识，北京市太阳能研究所开始筹建。贝聿昆先生将其在美国的研究成果――全玻璃真空太阳集热管的样品带到国内进行了展示，引起了学者们的浓厚兴趣。清华阳光首席科学家殷志强教授敏锐地感觉到这个产品的应用前景广阔，在他的推动下，1979年清华大学成立了全玻璃真空太阳集热管研究小组。以殷志强教授为首的团队对于电子管等电子器件有较深入的研究，对于真空获得及保持、镀膜、玻璃加工等有着较深的造诣。因此，我国第一支全玻璃真空太阳集热管很快就在实验室诞生了。但是，全玻璃真空太阳集热管及其热水系统的产业化是个系统工程，还涉及硼硅玻璃3.3的生产、薄板不锈钢焊接、机械加工、生产线建设等一系列问题。该产品的成功还结合了清华大学其他院系及其他单位诸多专业人员的智慧，是多领域混合式的技术创新。
　　在殷志强领导科研小组制成全玻璃真空太阳集热管样品的同时，上海硅酸盐研究所和沈阳玻璃二厂也研制出了全玻璃真空太阳集热管样品。1984年，殷志强教授发明“磁控溅射渐变铝―氮/铝太阳选择性吸收涂层”，使太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成为可能，直接催生了我国太阳能热水器市场的形成，成为我国国家级产学研项目的光辉典范。
　　1985年，清华大学将技术转让给北京纺织局，开始具有年产3万支集热管的能力。1989年，清华大学得到凯利公司的支持，建成年产15万支的集热管生产线。1991年，清华大学殷志强教授等举办太阳能热水器培训班，无偿提供热水器图纸。1992年以后，全玻璃真空太阳集热管开始供不应求，同时清华大学又将技术转让给扬州华扬公司和山东泰安铁将军公司。
　　随着全玻璃真空太阳集热管市场需求的出现，市场准入技术标准的制定成为行业关注的热点。为了保证质量和规范产品，1995年，贾铁鹰(现任中国太阳能标准化委员会秘书长)多次找到殷志强教授探讨关于制定集热管标准的事情。1996年，《全玻璃真空太阳集热管》国家标准开始制定。因为是此项技术的发明者，清华阳光公司积极投入到该项国家标准的编制中。经国家技术监督局批准，国家标准《全玻璃真空太阳集热管》(GB/T17049―1997)于1997年11月3日发布，并于1998年4月1日实施。此项标准的实施保证了全玻璃真空太阳集热管的产品质量，促进了太阳热水器产业的健康发展，也有利于与国际市场接轨。
　　由于当时国际上没有相关的标准，因此清华阳光提出了热性能和材料两大指标。在热性能方面，经过研究开发和多次试验，提出了空晒性能参数、闷晒太阳辐照量和平均热损系数3个热性能参数。闷晒太阳辐照量和平均热损系数是由殷志强和吴家庆经过大量的试验才确定了的。在此之前，国际的研究和论文中只有空晒温度这个名词，在测试过程中，殷志强和吴家庆发现太阳辐照度和环境温度对空晒温度有影响，那么如何才能将太阳辐照度和环境温度的影响体现出来?经过大半年的反复计算和测试，空晒性能参数才被制定成功。
　　标准要代表先进生产力
　　作为标准起草人的殷志强坚持在国标中规定必须使用硼硅玻璃3.3，以保证产 品在户外的长期安全稳定运行。
　　关于对材料的要求方面，当时有硼硅玻璃的国际标准，但对透射比却没有要求，为此清华阳光提出了玻璃管的太阳透射比，同时对太阳选择性吸收涂层规定了吸收比和半球发射比的指标。在研发阶段，使用的是膨胀系数比3.3玻璃要大的玻璃，在制定国标时将3.3写进标准曾遭到不少人的反对。当时北京玻璃仪器厂的沈长治厂长给予了大力支持，因为当时北玻厂正在引进硼硅玻璃3.3的生产线。编写组认为，国家标准要代表先进生产力，因此最后还是将玻璃材料定成硼硅玻璃3.3。经过十几年的市场考验，这一举措被证明是完全正确的。
　　在上世纪80年代初清华大学进行集热管实验室研究的时候，使用的是北京玻璃仪器厂的95料玻璃，因为硼硅玻璃3.3的身价不菲，所以并没有使用。但是在全玻璃真空集热管小批量生产的时候，殷志强教授坚持使用硼硅玻璃3.3。全玻璃真空太阳集热管在室外恶劣环境下使用，管内存水温差大，同时双层管之间的真空夹层又对密闭性要求很高，因此对玻璃材料的要求比较苛刻。如果玻璃管在使用中破裂，水箱内的水将全部流出，带给用户很大的不便。产品如果不能大量稳定运行，也将直接影响到新产品的推广。但是，当时国内只有北京玻璃仪器厂能够生产这种玻璃，价格也相对高昂。很多人提出能否使用其他玻璃材料，但是在殷志强的坚持下，最终确定为硼硅玻璃3.3。因此，1997年制定全玻璃真空太阳集热管国家标准的时候，是否规定全玻璃真空集热管必须使用硼硅玻璃3.3，又成为矛盾的焦点。一些专家认为不应限定玻璃，可以根据市场需要采用其他玻璃材料。但是，作为标准起草人的殷志强教授和清华大学的其他老师坚持在国标中规定必须使用硼硅玻璃3.3，因为从行业的大局和产业长远发展的角度考虑，该产品的材料不能轻易降低标准，否则难以保证其在户外的长期安全稳定运行。
　　全玻璃真空太阳集热管加工性能优越，使用可靠性高，生产损失小，是大规模生产的基础保证。同时集热管在我国乃至世界各种气候条件下稳定运行的寿命可以达到20年，也得益于硼硅玻璃3.3。在我国的引领下，国际太阳能用管也基本都使用这种玻璃，可以说从开始我们就走在了国际前列。
　　在市场需求的驱动下，这种玻璃的成本由每吨上万元快速下降到了现在的只有3000多元，使得全玻璃真空太阳集热管的制造成本得以大幅度下降，规模化生产得以实现。正是由于当时的高瞻远瞩，才使得硼硅玻璃3.3和全玻璃真空太阳集热管相辅相成，走入寻常百姓家。
　　除了材料之外，在产品试制阶段，集热管的长度、直径都经过了严谨的计算，但是也存在着一些偶然因素。根据研究实验和理论计算，最初选定的集热管外管直径是50mm，但是当时的产业还在起步阶段，需求量达不到厂家的最小生产批量。因此，最初规模化生产的集热管就选择了市场上已有的直径47mm标准玻璃管。当时人们还希望等产量上去后，再改回理论上最佳的50mm玻璃管。很快，这个产学研项目就达到了年产50万支的规模，但是由于已有大批外管直径为47mm的集热管和热水器在市场上销售，考虑到配件、生产工装等一系列问题，也就没有再进行改动。后来，部分企业开始使用外管直径58mm的玻璃管，并配合铺天盖地的广告。从视觉效果来说，管子变粗变长后，产品确实更加美观，热水器温升水平也可以得到提高，但是其效率是降低的。不过，大管现在却逐步成为了市场的主流。

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