不確定的政治和供給因素所導(dǎo)致的油價(jià)上升，以及京都議定書中CO2的排放目標(biāo)將增強(qiáng)人們對(duì)“綠色”能源的需要，其中之一就是太陽能。有幾個(gè)國(guó)家已經(jīng)制定了政策以鼓勵(lì)人們接受并增加對(duì)太陽能的利用。

使用太陽能最簡(jiǎn)便的方法就是收集太陽輻射能，將其轉(zhuǎn)化為熱能，相應(yīng)加熱液體，該液體可以被存儲(chǔ)和輸送（例如在建筑物中）。這些太陽熱能收集系統(tǒng)一般包括平板集熱器或者真空集熱管，適合的管道，以及箱體。熱能管理系統(tǒng)優(yōu)化了與其他能源之間的使用及協(xié)調(diào)關(guān)系。

太陽能集熱器原理

有許多不同的方法可以收集太陽能，并且將它轉(zhuǎn)化為經(jīng)過加熱的液體。圖1中是基于平面太陽能吸熱器的太陽能面板。中心是經(jīng)過選擇性涂層的金屬吸熱器。涂層吸收大部分的輻射（95%），但是發(fā)射盡可能少的紅外光輻射（100℃ 時(shí)約5%）。吸收的輻射能被轉(zhuǎn)化成熱能，熱能必須被高效的轉(zhuǎn)移到管道內(nèi)的液體中。目前，金屬片是用銅制成的，因?yàn)樗哂泻芎玫膶?dǎo)熱性。銅片厚度為0.2 mm。銅片的價(jià)格不斷上漲，因此必須尋找替代物，目前包括帶有選擇性涂層的純鋁薄片，它在20℃時(shí)，熱傳導(dǎo)率為220W/mK，而銅的熱傳導(dǎo)率為384W/mK。其他鋁合金的傳導(dǎo)率更小，并且有可能會(huì)因?yàn)榻档偷慕鹣噘|(zhì)量導(dǎo)致金屬在焊接以后抗沖擊機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)酢榱搜a(bǔ)償純鋁熱傳導(dǎo)率較低的因素，需要增加鋁片的厚度。在標(biāo)準(zhǔn)的平板集熱器面板中，銅管從熱學(xué)和機(jī)械兩方面來看都與面板相連。在管道中的加熱液體（通常是水，其中加了一些組分以降低結(jié)冰溫度，提高沸點(diǎn)）通過主要的送水管道抽取和輸送給用戶，或者被儲(chǔ)放在水箱中。為了確保高效率，從管道到液體的熱轉(zhuǎn)移也必須根據(jù)所選擇液體的流量進(jìn)行優(yōu)化。湍流的熱轉(zhuǎn)移效率更高，但是，所需要的壓力差比同樣流量的片流大很多。在這個(gè)方面，在吸熱器中彎曲的管道類型較具有優(yōu)勢(shì)。熱量向周圍物質(zhì)和空氣轉(zhuǎn)移的熱損失作用則可以通過合適的隔熱方法來減少。

圖1  由聚焦光束的數(shù)值孔徑（NA）和管道直徑所決定的最小輻射角

為什么使用激光？

使用適當(dāng)?shù)臒釋W(xué)和機(jī)械手段將裝水的管道和吸熱器薄片連接起來，這對(duì)于太陽能吸熱器的效率來說很重要。這個(gè)連接必須滿足下列幾個(gè)要求，包括：能量傳導(dǎo)率高； 機(jī)械強(qiáng)度好，以承受溫度梯度和熱膨脹；對(duì)吸熱器涂層的熱損傷小，以保持外觀；對(duì)吸熱器薄片的熱變形小；不會(huì)被腐蝕，以保證長(zhǎng)時(shí)間可用；生產(chǎn)率高；可靠性和可重復(fù)性好；加工過程易整合到生產(chǎn)系統(tǒng)中；成本低。

選擇的加工方法是熔焊和軟釬焊技術(shù)。軟釬焊有一定的局限性，因?yàn)樵谝恍┨囟ǖ那樾蜗拢ㄅR界點(diǎn)處）3測(cè)得的溫度很高（>220℃），此外，對(duì)環(huán)境的要求，以及腐蝕的可能性都限制了它的應(yīng)用。而使用熔焊技術(shù)時(shí)，使用超聲波焊接系統(tǒng)或者脈沖Nd:YAG固體激光焊接系統(tǒng)。激光焊接提供了更為靈活，非接觸式的過程，生產(chǎn)率更高而且質(zhì)量更好。然而，激光系統(tǒng)的投資成本比超聲波系統(tǒng)的投資要高。

兩側(cè)的激光點(diǎn)焊（如圖2）滿足了大部分提及的要求。注意到焊點(diǎn)并不是在管道和平板吸熱器的接觸線上。這樣，從原理上說，這里的激光點(diǎn)焊有三個(gè)熱能轉(zhuǎn)移區(qū)域。

圖2  在銅-銅組合的材料上由激光產(chǎn)生的光斑焊接。
插圖給出了由激光焊接的銅-鋁太陽能吸熱器。
反射圖樣說明了在鋁吸熱器板上有少量的熱變形。

熱傳導(dǎo)率是由焊接線上的焊點(diǎn)空間分布得到的。其距離在1到3mm。并不推薦使用更小的距離，因?yàn)榧す庠从邢薜拿}沖重復(fù)頻率將導(dǎo)致生產(chǎn)率下降，同時(shí)這有可能帶來由熱能引起的吸熱器薄片的變形。后者可以通過適當(dāng)?shù)暮附臃椒ń档汀?#p#分頁標(biāo)題#e#

連接的機(jī)械強(qiáng)度，例如抗剪切強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，也依賴于焊點(diǎn)的密度。在典型的吸熱器面板上有大于20,000個(gè)的焊接點(diǎn)。3在銅-銅的連接情況下，連接處有著與基底金屬類似的機(jī)械強(qiáng)度。在銅（管）- 鋁（薄片）的組合中，連接處的抗沖擊強(qiáng)度更弱，它取決于合金的類型和由此導(dǎo)致的金相特性。還必須考慮到使用兩種不同金屬接觸以及在潮濕的情形下可能被腐蝕。使用抗腐蝕層可以降低對(duì)鋁制吸熱器薄片的電化學(xué)腐蝕。2在激光焊接的過程中，與空氣發(fā)生的高溫化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了防護(hù)性的氧化鋁層。按ISO要求作的強(qiáng)制老化測(cè)試，確認(rèn)了這些過程的有效性。2因?yàn)殂~和鋁有著不同的熱膨脹系數(shù) （20度時(shí)，鋁：23.8 10-6/K；銅：16.8 10-6/K），銅管和鋁板必須被壓在一起，壓緊的區(qū)域就是焊接進(jìn)行的地方，以避免鋁制吸熱器薄片過度變形。

對(duì)于面板的每種材料組合和幾何構(gòu)型，我們優(yōu)化了激光脈沖的必需焊接能量以及脈沖寬度，這就減小了對(duì)焊接處背面的選擇性涂層的破壞（如圖2）。相對(duì)于平板表面的輻射角越小，焊接的效率越高，所需的脈沖能量越少。對(duì)于銅-銅的組合，入射為20度時(shí)，所需的脈沖能量典型值是8 J。使用了短脈沖 （<1 ms）以降低熱傳導(dǎo)的損失。由于鋁的材料特性和吸收特性更好，鋁-銅組合在相同的輻射條件下所需的能量小于5 J。對(duì)于平均功率高的激光來說，這就允許合適的重復(fù)頻率，從而使得生產(chǎn)速度約為9 m/min，得到的一排焊點(diǎn)，其點(diǎn)和點(diǎn)之間隔為2 mm。可以利用分光元件分享同一束激光能量，以同樣的速度焊接管道兩側(cè)。

實(shí)驗(yàn)表明使用激光光束小角度入射，能夠降低脈沖能量。這樣，使用小直徑的管道和小錐角（數(shù)值孔徑）的聚焦光束更有利。在激光加工系統(tǒng)中，光纖通常被用來將激光輻射導(dǎo)入焊接工作站。使用數(shù)值孔徑NA =0.11的光纖，對(duì)于管道距離為100mm的典型情況，錐角可以降低到10度左右。在這樣的裝置中，與上述的數(shù)值相比，生產(chǎn)速度可以提高20%。我們從圖2中就可以理解點(diǎn)焊能量降低的情況。角度越小，需要連接的距離越小，相應(yīng)的，需要熔化用于連接的材料更少。同樣也看到，當(dāng)降低輻射角時(shí)，接縫就往管子和板接觸線方向移動(dòng)。此外，目前脈沖固態(tài)Nd:YAG激光器提供了時(shí)域的脈沖整形以優(yōu)化焊接過程。3對(duì)于給定的輻射角，一個(gè)額外的可用來優(yōu)化焊接過程的因素是聚焦光斑的位置。優(yōu)化焊接脈沖的能量也會(huì)穩(wěn)定加工過程，減小熱副作用。

生產(chǎn)系統(tǒng)

圖3  這里使用了終端生產(chǎn)系統(tǒng)來生產(chǎn)太陽能吸熱器，
它被用于樣式不同的管道，以及不同的材料組合

目前已有為特定吸熱器制造的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，來得到吸熱器或者散熱器。圖3中是一種終端生產(chǎn)系統(tǒng)，用來生產(chǎn)整塊太陽能吸熱器面板。這些板的典型尺寸是1200 x 2000mm。設(shè)計(jì)上可能會(huì)有些不同，或者是彎曲型的單個(gè)管子，也可能有10-12個(gè)直管與面板上入口和出口的管道連接在一起。為了讓焊接可靠并且可以重復(fù)生產(chǎn)，管道必須與吸熱器面板相接觸，而且，它的位置必須在激光光束焦點(diǎn)位置的幾百個(gè)微米以內(nèi)。這個(gè)問題在實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)得到解決。目前，即使是生產(chǎn)更為復(fù)雜的彎曲管道，點(diǎn)焊接的失誤率仍然小于200 ppm4。為了將生產(chǎn)率提高到超過20個(gè)吸熱器/小時(shí)，不僅必須優(yōu)化焊接過程，而且必須優(yōu)化裝卸移動(dòng)過程以及定位時(shí)間，定位時(shí)間是由吸熱器設(shè)計(jì)所決定的，它是指焊接用的光學(xué)元件沿著彎曲的路徑，從一個(gè)管道移到另一個(gè)管道過程中的定位時(shí)間。

結(jié)論

平板型銅-銅或者鋁-銅的太陽能吸熱器滿足了對(duì)于熱效率以及機(jī)械抗沖擊力的要求。使用脈沖激光器系統(tǒng)可以以高生產(chǎn)速度來進(jìn)行可靠且可重復(fù)的焊接。特別是對(duì)于更為經(jīng)濟(jì)型的銅-鋁結(jié)合，激光焊接可以提供的加工過程的可靠性更好，此外，與其他連接過程相比，它最大程度地降低了腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。#p#分頁標(biāo)題#e#