太陽能熱利用系統無可置疑地從不斷地增量改進中受益,但是,最常用的平板集熱器并未發生根本性的改變。包括一塊黑色、玻璃覆蓋的金屬吸熱板的模塊來收集太陽輻射。這一吸熱板由管道系統支撐(通常是銅管或鋁管)。通過這些管道用泵將水或熱交換流體送入建筑物的空間供暖或熱水系統中。
尋找可替代的高性能聚合物
如開發新一代集熱器,材料的使用如銅將出現明顯的下降趨勢。銅這樣的材料將由新一代先進的高性能聚合物替代。國際能源署(IEA)太陽能供暖與制冷項目特別行動小組花費了4年時間在太陽能熱利用中尋求塑料革命。
太陽能供暖與制冷Task39的國際研究小組強調,如果可以將部件如吸熱板與管道中使用的銅或其他金屬材料替換掉,那么太陽能供暖或制冷系統的潛在收益是十分龐大的。這些收益包括獨立材料需求的減少會使生產加快,重量減輕以及受金屬材料,特別是銅的劇烈的價格波動的影響減弱。
完善的擠壓工藝也可以較易地生產出將集熱器與不同形狀、不同尺寸的建筑物完美結合所需的精確規格,所以聚合物的生產成本較低,靈活性較強。同時聚合物材料運輸更輕便,安裝更簡單,而且比傳統集熱器“永久的黑色”在色彩上面更加吸引人。
但是,對于推薦的塑料系統優點,Task39研究小組面臨著太陽能集熱器使用金屬材料的理由十分充分的這一事實。太陽能熱利用系統必須承受的紫外線與溫度的最大程度與波動對大多數聚合物是一種很有利的證明,特別是對于使用壽命的要求,如20年或更長時間。
太陽能熱利用系統中聚合物工作的關鍵溫度是160℃左右。即使家庭供暖與熱水供應的基準溫度要求較低,但這也是一個太陽能熱利用系統在停滯狀態(熱處理過程中產生最高工作溫度的點)下能承受的最高溫度。
隨著具體的技術研究的不斷深入,IEA研究小組的工作大致分成兩個主要領域,以突破這些局限。一方面是使用較便宜、隨處可以得到的日用塑料制品,并增加一些過度加熱保護的“失敗保護”機制,以阻止熱利用系統的溫度超過它們的承受限度。圍繞更加復雜的高性能聚合物的調查研究的第二個困難是需要擴大對太陽能熱利用系統的需求。挪威的Aventa公司是Task39的一個參與者,是這一領域一個顯著的開拓者。該公司稱商業的聚合物系統即將面市。
聚合物熱利用系統今年將批量生產
Aventa成立于2005年,見證了聚合物太陽能熱利用系統在2011年打入主流市場的事實。Aventa已經與美國ChevronPhillipsChemical集團合作開發一種高性能聚苯硫醚(PPS)聚合物。這種聚合物可以應對160℃停滯水平溫度并保持商業系統的使用壽命穩定可靠。
挪威企業以ChevronPhillips的XtelPPS合金為基礎的全聚合物集熱器目前已經進入測試與性能認證的最后階段。因此,Aventa表示今年將批量生產。
Aventa的董事長JohnRekstad指出,材料至關重要的優點在于其在熱環境下無過度加熱防護的輔助時有效運行的能力,并且同時能提供所有擠壓過程中要求的生產靈活性。例如,聚四氟乙烯也可以承受340℃的溫度。但問題是聚四氟乙烯不能擠壓或者不能制造成我們想要的產品。
據Rekstad介紹,建立Aventa聚合物在太陽能熱利用系統冗長的服務時間內可以有效運行的必要性是影響商業化相對緩慢的一個因素。該企業已經獲取進入市場必要的認證,并且實施了一系列測試。這些測試雖然要花費大量的時間,但是這是獲得市場認可絕對必要的一步。
隨著這些障礙大部分已經克服,Aventa希望今年擴大產能,將集熱器面積擴大到40000平方米,并且與其生產伙伴共同開發一種新的擠制模型。Rekstad斷言,最終結果是系統將超過自身的性能與成本。每個單位生產的基準成本可以降低到傳統集熱器每個單位成本的一半。
在整體系統效率方面,Aventa的設備相當于傳統的集熱器。例如,吸熱板由壓出的雙墻片制成。即使這種吸熱板的導熱性不如銅的導熱性,但是Aventa改進的熱傳輸工藝效率可以帶來更強勁的性能。在Aventa系統中,集熱器的玻璃罩都用10mm的防紫外線聚碳酸酯片代替,消除了大面積上釉相關的問題。
太陽能熱利用應用中,聚合物的最終測試將是終端用戶的接受程度。這些終端用戶是最終的業主與商業建筑運營商,但較緊急的是建設和建筑設計產業。這對創造從生產到安裝最短的途徑非常重要。
建筑業將使聚合物系統大行其道
建筑行業的興趣來自于2010年年末,當挪威最大的建筑合作企業OBOS持有Aventa23%股份,成為Aventa最大的股東時,Rekstad表示,OBOS想要在其許多工程中使用Aventa的供暖與制冷系統,因為OBOS將這種系統視為將太陽能與他們在建筑中與建設中使用的工藝相結合的一種方法。這些新因素可以保證他們比傳統集熱器更容易地與建筑物結合。
OBOS將通過建造兩套完全相同的房子進行比較,一套使用Aventa太陽能熱利用系統,另一套安裝空氣源泵系統。然后,OBOS將對這兩套房子進行監控,探究這兩種不同的系統誰的能效高、成本低。
股權收購的時候,OBOS表示,不能理解Aventa為何不繼續前進,成為歐洲太陽能熱利用行業中的領導者。為了股權收購,OBOS不得不經過行業的許多許可,幫助Aventa努力創造有效的進步,就像其他去年在歐洲實際收縮了的可再生能源產業。
Rekstad聲稱,太陽能熱利用技術逗留在光伏行業的陰影下的時間太長了,而且光伏行業贏得了大量的政府支持、納稅人補貼與關注。雖然太陽能熱利用的市場數字告訴了人們一個令人印象深刻的全球擴張故事,但是這仍然沒有獲得與光伏行業同等的關注。Rekstad認為部分原因是主體電力部門對太陽能熱利用缺乏興趣,這也是一種很容易解釋的狀況。能源企業存活的原因是出售能源。太陽能熱利用卻需要消耗很少的能源。
Rekstad一直熱衷于太陽能供暖的收益,遠比對是否可以使用聚合物來代替金屬更感興趣。他在1977年建造了挪威第一個太陽能熱利用房屋,并一直對太陽能熱利用的效果進行監控。“我已經在這個房子中生活了34年,那時我們花費了120歐元來替換熱泵系統。這是唯一的成本,而且那時我們每年平均可以節省7.5兆瓦時的電能。”