解析分体太阳能导热液技术

近几年，随着农村太阳能市场趋于饱和、城镇化的发展，传统太阳能市场份额急剧下滑，而分体太阳能以其安全、美观、实用等特点异军突起，加之政策扶持，进入快速上升通道。导热液作为分体太阳能的“血液”，作用至关重要，不容小觑，选择不当，会直接影响分体太阳能的使用效果和寿命，甚至影响到消费者的健康。随着市场增大，很多防冻液生产企业也逐步进入分体太阳能导热液这个市场，出现了类似汽车防冻液市场上质量参差不齐、鱼龙混珠的现象。北京京脉化工有限公司自2006年逐步与力诺、桑乐、海林、皇明、桑普等45家太阳能企业建立了紧密的合作关系，共同经历和见证了分体太阳能的发展，分体太阳能导热液发展中的苦与乐。 　　1导热液的作用 　　1. 导热作用 　　顾名思义，导热液的基本功能就是导热。集热器利用太阳的热能把导热液的温度升高，与水箱中的水产生温差，通过循环，不断发生热交换，从而达到升高水温的目的。 　　2. 防腐作用 　　导热系统中集热器、循环管路、水泵、水箱等部件是由钢、铸铁、黄铜、紫铜、铝、不锈钢组成，由于不同的金属的电极电位不同，在电解质的作用下容易发生电化学腐蚀，同时导热液中醇类物质分解后形成的酸性产物，也促进导热系统腐蚀。导热系统腐蚀会使循环不畅，堵塞管道，产生水温升温慢、不升温现象，若腐蚀穿孔，导热液渗入水箱，会给使用者带来健康隐患。因而导热液中都加入一定量的防腐蚀添加剂，防止导热系统产生腐蚀。 　　3. 防垢作用 　　导热液系统中的水垢来源于水中的钙镁等阳离子，这些碱土金属阳离子在热负荷条件下，容易与水中的阴离子（如硫酸根离子、磷酸根离子、硅酸根离子、碳酸根离子等）反应生成水垢。水垢能磨损水泵密封件，降低循环速度，并覆盖在循环管道内壁使金属绝热而导致导热率降低。因此，导热液中一定要使用经过软化的去离子水或蒸馏水，防止水垢生成。 　　4. 防冻作用 　　由于分体太阳能水具有良好的导热性，同时水的比热容大，具有很好的吸热性能，是导热液最理想的组分选择。但水的冰点高，在0℃以下就开始结冰并且体积膨胀，在北方及其他冬天处在0℃以下地区，就没办法使用。因此，在导热液中加入了一些能够降低水冰点的物质作为防冻剂，保持在冬天低温天气时导热系统不冻结，能持续使用。 　　2导热液的组成成分 　　1. 水 　　水是导热液中的重要组成部分，不只因为水具有良好的导热性能，而且二元醇防冻剂只有和水配成一定浓度的水溶液时才能充分发挥其防冻作用，并具有良好流动性。在我们日常使用的自来水、河水、泉水、井水中含有大量溶解性物质，如钙、镁、钾、钠、铁等金属离子，还含有很多阴离子如硫酸根、磷酸根、硅酸根、碳酸根和氯离子等，加热条件下，这些阴阳离子会生成水垢，堵塞管道，降低导热效率，影响导热液的质量，且氯离子和硫酸根离子达到一定浓度时，会严重加剧导热系统的腐蚀。因此水质非常重要，在生产导热液时必须使用软化去离子水或者蒸馏水。 　　水的比热容较大并且热传导快，因此水本身就是最好的导热介质。其实，在南方长年无霜冻地区，纯净水加上防腐剂是最理想的导热介质，既经济又能保证质量。京脉化工公司是一家防冻液、导热液技术服务性公司，为国内100多家防冻液生产商提供技术服务，六种不同规格不同性能的液体防腐复合剂满足了各防冻液厂家的不同需求。 　　2. 防冻剂 　　防冻剂是指与水混合后能降低冰点的物质，通常包括一元醇、二元醇、三元醇。 　　一元醇包括甲醇和乙醇。甲醇和乙醇降低冰点的效果最好，但沸点低、易挥发，同时闪点低，易燃，带来很多不安全因素，甲醇毒性大，对生产和使用者的身心健康有一定危害，所以不论汽车防冻液和工业设备导热液都禁止使用。 　　二元醇包括乙二醇和丙二醇。乙二醇具有优异的降低冰点的效果，同时具有沸点高、黏度适中、毒性低的特点，在汽车防冻液中使用时又和人体接触不紧密而得以广泛采用。但是，用在与人体接触密切的太阳能中时，一旦循环管路发生泄漏还是有一定健康隐患存在。乙二醇本身属低毒物质，但其代谢产物毒性较高，如乙醛酸、草酸和乳酸。对人体肾脏和大脑损伤很大，沉积过量会危及生命危险。所以我们建议在分体太阳能导热液中应禁止使用乙二醇作为防冻剂，防止可能性的隐患。关于物质毒性衡量标准和等级，在这里我就不详细赘述了，网上都可以查到。 　　丙二醇也具有非常优异的防冻性能，与水具有很好的相容性，沸点高、黏度适中、且无毒，对人体和环境影响都不大，应作为分体太阳能换热介质的首选材料。丙二醇自身沸点190度、冰点负60度，用它还可以做高沸点导热液，通过和力诺、皇明技术部合作试验，在真空管分体太阳能实际使用当中效果并不理想，所以导热液重要归重要，但它不是神水，不是万能的，各太阳能公司不要盲目相信一些防冻液公司夸大其词，吹嘘导热液的神奇功效，它只是个换热介质而已，该从设计工艺上想办法的还要从工艺上想办法。 　　丙三醇与水混合后也有很好防冻性能，高沸点，无毒，成本比丙二醇低，也可以作为导热液的防冻剂。但其运动粘度和抗氧化性要比丙二醇差。 　　导热液 　　防冻剂的成本决定着导热液的成本，冰点越低，防冻剂的添加剂量就越大，成本就越高，所以不同冰点、不同防冻剂的导热液价格也不同。太阳能公司应该根据不同地区、不同气候条件，选择不同冰点的导热液，降低产品成本。 　　在这里，我简单介绍一下冰点、倾点、凝点的区别。以冰点-25℃的导热液为例，把它放入冷域中持续降温，当液体中出现第一例冰棱时的温度是-25℃时，叫做导热液的冰点，此时导热液是冰水混合物，具有流动性，再持续降温，冰凌逐渐增多聚集，液体会越来越黏稠，当液体不具有流动性但液面可以倾斜时的温度（大约-29℃时）点，叫倾点，再继续降温，至液体完全凝固时的温度（大约-34℃时），叫凝点。我为什么要讲一下这个问题，是因为现在市场有一些防冻液公司把自己的导热液产品规格标注成凝点，与标注冰点的规格产品比较价格，蒙骗太阳能公司。实际上标注凝点-25℃的导热液，冰点只有-15℃，在严寒地区是要出大问题的。 　　以丙二醇作为防冻剂的导热液价格 　　比丙三醇型要高很多。一些不诚信的防冻液生产商以丙三醇型冒充丙二醇型，牟取暴利，所以太阳能厂商应有一些必要的进厂检测。仪器设备也不复杂，例如，-25℃的导热液，如果丙二醇型，密度是1.02；如果是丙三醇型，密度是1.08等物理现象就可以做个初步判断。 　　在导热液中，如果含有两种以上防冻剂，叫做多元醇或混醇。其实，导热液中只含有一种防冻剂时质量最稳定，也容易检测，相关检测标准中的物理特性指标只针对单一一种醇类。多元醇无论对导热液或者防冻液来说，都是个伪命题，目的只有一个，隐瞒成本，以次充好，牟取暴利。 　　3. 添加剂 　　添加剂主要由缓蚀剂、缓冲剂、防垢剂、消泡剂和着色剂组成。添加剂也是导热液的核心技术。导热系统的管路及水泵主要是由金属零件组成，主要金属有：铸铝、钢、铸铁、紫铜、黄铜、不锈钢等。同种金属内部、不同金属之间的接触电位不同，在导热液组成的电解液中会产生电化学腐蚀。同时醇类在高温热负荷运转条件下会氧化，金属元件也会促进醇类氧化生成甲酸，这种混合溶液更会加剧腐蚀。试验表明，如不加添加剂，醇水混合溶液腐蚀速度比只使用水时还要快。因此，导热液中一定要加入一定剂量的添加剂，工作液中一般不超过3%. 　　缓蚀剂主要分为两大类，无机型和有机型。 　　无机型以磷酸盐型和硅酸盐型为主要代表。磷酸盐和硅酸盐都是铝材质的特效保护剂，与硼酸盐、亚硝酸盐、BTA等复配后对钢、铸铁、铜、铝、焊锡等金属具有很好的保护作用，在汽车防冻液中被广泛使用。但这些无机物因其毒性对人体和环境影响很大，而且使用寿命较短，所以在与人体接触密切的太阳能导热液中不应使用。 　　有机羧酸型以脂肪酸为主要材料，由一元酸、二元酸、三元酸进行复配，对钢、铸铁、铜、铝、焊锡、不锈钢等金属同样具有很好的保护作用，对人体和环境的影响相对于无机盐大幅度降低，而且消耗速度缓慢，使用寿命远远高于无机盐配方。无机盐在加入导热系统时，与导热系统金属表面反应生成钝化膜，由于发生反应而消耗，浓度下降非常明显，而有机羧酸在加入导热系统后，并不与导热系统金属发生反应，当导热系统中金属表面发生腐蚀、pH值降低，局部呈现微酸性环境时，有机羧酸就从导热液中游离出来吸附在发生腐蚀的活性点处，防止腐蚀进一步发生。当腐蚀点处腐蚀被抑制，局部pH 值恢复到正常时，有机羧酸又重新变成离子溶入导热液中。由于不需要成膜，所以消耗量很少，使用寿命就可以很长。同时通过试验发现在无机盐形成的钝化膜层存在电容器充电现象，说明钝化膜具有绝热性，而有机羧酸不成膜，所以有机羧酸型导热液的传热性能也优于无机盐导热液。 　　1）缓冲剂 　　金属腐蚀过程的本质是电化学过程，不仅与导热液中缓蚀剂有关，而且与导热液的pH 值有关。金属在酸性环境中容易腐蚀，在弱碱环境中容易得到保护。通常导热液或防冻液的pH 值都控制在7.5 到11 之间，不同体系缓蚀剂配方pH 值也略有不同。由于在加热使用过程中，醇类都会分解产生酸性物质，使导热液pH值降低，为了使导热液在使用过程中维持一定的pH 值，防止酸化，通常在溶液中要加入缓冲剂，配成缓冲体系，使之具有一定缓冲能力。常用缓冲剂有磷酸盐、硼酸盐和各种有机酸。在太阳能导热液中应避免使用无机类缓冲剂，应采用有机类缓冲剂。 　　2）防垢剂 　　导热液在使用中，经常会在金属表面形成水垢，并使循环管路变窄，继而影响导热效果，因此导热液中还应该加入一定量的防垢剂，防止水垢生成或使已生成的水垢分散成细微颗粒悬浮在导热液中，防止水垢沉积结垢。通常使用的防垢剂有配合型和分散型。不同缓蚀剂配方体系选用的防垢剂也不同。有机羧酸配方中应选用有机酸作为分散剂。 　　3）消泡剂 　　导热液在循环管路中高速循环以及水泵中高低压转换过程中，会产生大量气泡，不但影响导热效率，气泡破裂也会产生气穴腐蚀。为了降低气泡产生的危害，导热液中通常还要加入一定量的消泡剂。 　　4）着色剂 　　导热液在使用过程中，还需加入一定量着色剂，使之有醒目颜色。这样在导热系统发生渗漏，导热液进入水箱或其他水路管道时能及时发现，避免引起更大的危害。 　　综上所述，太阳能导热液应选用丙二醇或丙三醇作为防冻基液，配以有机羧酸添加剂，才能最大限度地满足优质、无毒、长寿命等特点，更好地服务于太阳能工程。