真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空太陽集熱管，它采用了真空夾層，消除了氣體的對流與傳導熱損，并應用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低。
玻璃真空太陽集熱管分為“全玻璃”與“玻璃和金屬結構”兩大類。太陽光能轉變為熱能，可通過聯集管內的傳熱工質（如水）或先通過熱管與傳熱工質進行熱交換將熱能輸送到貯熱水箱。從應用上分為用于生活熱水（低溫），空調和海水淡化等（中溫）和太陽能熱發電（高溫人真空管太陽集熱器能在寒冷地區的冬季及低日照與天氣多變地區運行。玻璃和金屬結構真空太陽集熱管承壓好，還能工作在中、高溫。全玻璃真空太陽集熱管結構簡單，制造方便，可靠性強和成本低，適宜在低中溫運行。
全玻璃真空集熱管像一個拉長的暖水瓶膽，先由美國歐文斯一依利諾伊（OwenS－illinoiS）公司推出商品，其構造如圖1所示，由兩根同軸圓玻璃管組成，內、罩玻璃管間抽成高真空，太陽選擇性吸收涂層（表面、膜系）沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽光能轉換為熱能，加熱內玻璃管內的傳熱流體。全玻璃真空集熱管采用單端開口的設計，通過一端內、罩管環形熔封起來，其內管另一端是密閉半球形圓頭，帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管回頭支承在罩玻璃管的排氣內端部。當吸熱體吸收太陽輻射而溫度升高時，吸熱體玻璃管圓頭形成熱膨脹的自由端，緩沖了工作時引起真空集熱管開口端部的熱應力。吸氣劑蒸散后吸收真空集熱管在存放及工作過程中所釋放的微量氣體。
經歷以下幾個發展階段：
l）科研與開發(1979—1985),發明了單靶磁控濺射制備鋁-氮/鋁太陽選擇性吸收涂層。
2）科技成果向生產轉化中國太陽能產業聯盟網
a．小生產（1986—1989），年產能力3萬支真空集熱管，期間，清華大學完成了國家“七·五”科技攻關專題“玻璃真空管熱水器技術開發與應用”和國家自然科學基金項目“選擇性吸收表面光性下降機理的研究”；中生產（1990—1993）。清華大學組建公司，年產能力15萬支，1992年市場迅速擴大，出現供不應求。
b．1993年至今，作為國家產學研工程，清華大學與北京玻璃儀器廠組建了北京清華陽光能源開發有限責任公司，1994年9月建成年產能力90萬支集熱管生產線。1996年9月建成年產能力300萬支集熱管生產線。1998年建成年產能力400萬支集熱管生產線。1998年在北京昌平建成了全玻璃真空管太陽集熱器及熱水器生產線并以100％的年增量發展。目前，年產能力30萬臺全玻璃真空管太陽集熱器及熱水器。
2 全玻璃真空太陽集熱管的核心技術
2.1太陽選擇性吸收涂層
清華大學電子工程系用“濕法”在玻璃上制備了“(Ni·Zn)S/Cu太陽選擇性吸收涂層”（197—1981）太陽吸收比0．88—0．90，發射比0．12（80℃）；用真空蒸發技術在玻璃上制備“Cr2O3/Cr2O3+Cr/A1太陽選擇性吸收涂層”（1980—1984）太陽吸收比約0．90，發射比0.04（80℃）；磁控濺射技術的工藝控制方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收涂層。從1980年以來，致力于采用磁控濺射技術，研究和開發多種選擇性吸收涂層。其中發明專利漸變（多層）鋁-氮/鋁(A1-N/A1）選擇性吸收涂層是我們研究最深入、應用最廣泛的涂層，其太陽吸收比可達0．93，發射比約0．05(80℃)
在世界上開創了使用一種金屬作為磁控濺射的陰極材料制備包括低發射金屬薄膜底層、吸收層（復合薄膜）和減反層（化合物介質薄膜),在制備原理上改變了以往認為需要兩種或兩種以上的金屬材料才能制備優質的太陽選擇性吸收涂層，與澳大利亞悉尼大學專利一多層不銹鋼一碳/銅涂層（作為低、中溫應用于 1980年前后處于世界領先地位）相比，二者光．熱性能相近，但后者需用兩個陰極（靶）材料一不銹鋼和銅，其間需用大屏障隔開以免交叉沾污，這樣造成陰極材料的利用率低，而且設備結構復雜。使用單陰極磁控濺射制備太陽選擇性吸收涂層大大減化了磁控濺射鍍膜機的構造，使材料利用率增加約一倍，濺射過程中不需要切換陰極引起的輝光放電中止，提高了生產效率。圖2中描述漸變鋁-氮/鋁”吸收涂層的結構及其反射比譜。獲1988年國家發明三等獎。“漸變鋁-氮/鋁”太陽選擇性吸收涂層為規模生產全玻璃真空太陽集熱管的產業化準備了技術條件。進一步研究制備了“AI-N－F/A1-N/A1”太陽選擇性吸收涂層，涂層的太陽吸收比0．954，紅外發射比0．060（100℃）；還深入研究了干涉一吸收型Al-N/A1太陽選擇性吸收涂層，膜系為A2O3/AIN/（LMVF）A1-N/（HMVF）A1-N/A1，其中HMVF是金屬粒子體積比（填充因子）較高的吸收次層，而LMVF是金屬粒子體積比較低的吸收次層，具有更高的太陽吸收比與更低的熱發射比。在規模化生產中，選用了工藝參數穩定性好和生產效率高的A1-N/A1太陽選擇性吸收涂層膜系，對于獲得生活熱水，至今該吸收涂層有著最好的性能價格比。
2．2開發三代制備太陽設擇性吸收涂層的磁控濺射鍍膜機和國住面上太陽選擇性吸收涂層太陽吸收比的測定方法
第一代：1985—1986年，設計與制造了我國第一臺制備太陽選擇性吸收涂層的磁控濺射鍍膜機，采用了電磁臥式結構。
第一代：后來又開發了第一代立式前開門生產1．Zm長全玻璃真空太陽集熱管的選擇性吸收涂層使用的磁控濺射鍍膜機，一次裝載30支內玻璃管，磁場為永久周期磁場。
第三代：開發創新了大回路閉合濺射軌跡柱狀磁控靶，俗稱旋轉磁場，具有旋轉磁場的陰極，真空室圓柱面曲率半徑約350nun，高約2000mm生產1.5m長全玻璃真空太陽集熱管的選擇性吸收涂層使用的磁控濺射鍍膜機，使陰極材料利用率提高到約5倍以上，降低了成本，而且濺射的吸收涂層的質量更為穩定。
過去采用陪片方法，不利于對真空集熱管產品內的選擇性吸收涂層進行抽檢。利用常規的紫外．可見．近紅外分光光度計與大積分球配合，開發創新了圓柱面上太陽選擇性吸收涂層的太陽吸收比的準確測定方法。1996年經專家評議指出：“使用具有直徑為φ150mm的積分球的分光光度計對水平放置玻璃圓柱面與平面玻璃片上太陽吸收比不小于0．84（AM2）的選擇性吸收涂層進行測試，測試結果的絕對偏差不大于土0．005。結果表明：可以對圓柱面上的太陽選擇性吸收涂層進行直接測量，這樣能更真實反應真空太陽集熱管內吸收涂層的太陽吸收比，在制定有關標準時可以采納這種測試方法”。
2．3真空技術與真空排氣監測系統
1）自行設計與制造了全玻璃真空太陽集熱管的高效、節能的真空排氣系統，由臥式排氣臺發展太陽能產業聯盟
成立式排氣臺，電加熱元件布局合理，配以熱反射屏，烘箱內溫度比較均勻，使每根全玻璃真空太陽集熱管烘烤所需電能大為降低。
2）研究開發了優良的真空排氣工藝，使全玻璃真空太陽集熱管具有長的真空壽命。
3）開發了優良的蒸散式吸氣劑的去氣與優化的蒸散工藝，以取得近于最大的得鋇量。
4）開發了全玻璃真空太陽集熱管真空排氣監測系統。該系統有一臺主機，10臺分機，一臺計算機及其通訊接口。
- 各分機同時和四臺真空排氣系統通訊，由通訊接口在真空計與分機間交換真空度的數字信號。
- 同時各分機采集烘箱的溫度，在不符合工藝及真空破壞時有顯示報警。
- 各分機貯存及向主機傳送數據，主機與計算機之間采用電流環通訊，主機與分機之間用巡
檢方式聯絡，主機與計算機之間采用電流環方式和光纖隔離，克服了高頻大功率的強干擾。
- 單片機軟件和計算機軟件系統全部自行編寫；24小時自動采集，用表格顯示數據，繪制所有工作臺各自的真空排氣工藝曲線。
全玻璃真空集熱管生產是四班三運轉，確保了整日的集熱管的真空排氣質量。
2．4 硼硅玻璃3.3玻璃管
全玻璃真空管集熱器是在曝曬、風吹、雨淋、降雪和冰雹襲擊等環境條件下工作的。全玻璃真空集熱管宜采用“硼硅玻璃3.3”一 ISo3585：1991（E）國際標準化組織制定的標準。其耐熱沖擊性好、化學穩定性好和機械強度高的硼硅玻璃。北京玻璃儀器廠進行了不斷的開發創新工作。
1）ISO3585：1991(E)標準內未注明玻璃的太陽透射比。北京玻璃儀器廠生產的厚1.6mm硼硅玻璃3.3（代號BJ－TY8032）玻璃管，太陽透射比約為0．904（AM1.5）。
2）生產出硼硅玻璃管的抗酸和抗水一級，化學穩定性優良，適合內玻璃管中的熱水和環境對罩玻璃管的侵蝕作用；硼硅玻璃管的熱膨脹系數低(3.3X100.000001/℃)人具有優良的耐熱沖擊性能，以及高的機械強度。21tyn.com
3） 解決硼硅玻璃3.3玻璃管生產中的技術難點：熔化溫度高帶來窯爐的耐火材料問題；窯爐內下層玻璃流動難引起的分層問題；無模成型玻璃管的直徑、圓度和壁厚尺寸的控制；集熱管用玻璃管表面的光潔度和棱線問題，開發了高溫合金替代石英陶瓷端頭，延長了端頭的使用壽命，提高產量10個百分點。
4）開發了無模成型玻璃管拉封機和臥式環封機及集熱管環封口在線連續返火生產線等集熱管用玻璃加工專用生產設備。
5）自行設計與制造了硼硅玻璃3.3玻璃管連續精切烤口的機械化生產設備。
2．5國家標準《全玻璃真空太陽集熱管》的制定
對全玻璃真空太陽集熱管的光一熱性能進行了理論分析計算并進行了大量的實驗測試工作，確定了罩玻璃管的太陽透射比，太陽選擇性吸收涂層的太陽吸收比和熱發射比，管內氣體壓強四個材料和工藝參數，確定了悶曬太陽曝輻量、空曬性能參數和平均熱損系數為評價全玻璃真空太陽集熱管光一熱性能的三參數及其定量的數據，見表1。這三個參數成為起草國家標準“全玻璃真空太陽集熱管”的重要基礎。過去20年來國際上文獻和科技交流中使用空曬溫度表示集熱管的空曬性能。我們采用了一個參數，稱為空曬性能參數，該參數計及了空曬溫度、太陽輻照度與環境溫度，更合理地表征了全玻璃真空太陽集熱管的空曬性能。我們是國家標準《全玻璃真空太陽集熱管》（GB/T 17049—1997）的主要起草人。我國是世界上第一個建立《全玻璃真空太陽集熱管》國家標準的國家。
3 全玻璃真空管太陽集熱器及太陽能熱水系統
1)SLL型集熱管東--西向放置的全玻璃真空管太陽集熱器
◆ 自行設計與生產了“水在玻璃管”的聯集管。
◆ 真空太陽集熱管單排南一北向放置，可以自然循環或強迫循環。
◆ 真空太陽集熱管東一西向放置，可以是單排或雙排，可工作在定溫放水、強迫循環或自然循環。太陽能產業聯盟
◆ 用1．2m長的真空太陽集熱管50支構成東一西向雙排的集熱，稱SLL-1200/50為一個單元，可靈活地組合成中、大采光面積的真空管太陽熱水系統。
◆ 對于一個有上百支或上千支的真空集熱管的太陽熱水系統，往往有幾支真空集熱管與集管的連接處，有少部分滴漏水。后來，開發出了合適的集管翻邊孔以及密封膠圈的材料與形狀，克服了大面積真空集熱管太陽熱水系統的滴漏水問題。
◆ 為出口需要，從固體力學角度對承壓式全玻璃真空管太陽集熱器進行結構優化設計，計算和試驗研究，開發了能承受3個大氣壓的具有“水在玻璃管”的真空管太陽集熱器，該產品己安裝在瑞士BCCh市郊等處。
◆ 集熱管東西向排列的熱水系統（拉薩西藏）見圖3如下。
2）SLU型具有U形管鋁翼和軋花鋁漫反射平板的“水在金屬管”的全玻璃真空管太陽集熱器承受工作壓力為6個大氣壓（0.6MPa），經德國Fraunhofer太陽能集熱設備檢測中心檢測全面通過歐洲標準PrEN12975。特別是創新了與U形管配合的鋁翼的結構形狀，順利通過內熱沖擊實驗。該集熱器的集熱性能優良，瞬時效率方程為：
德國將測得的太陽集熱器的瞬時效率方程和入射角修正系數轉換到德國維爾茲堡地區的全年的集熱性能，是該中心檢測以來最優的五臺之一。
SLU型全玻璃真空管太陽集熱器在歐洲使用例見圖4如下。
3）XR型熱管型全玻璃真空管集熱器，分為干式與濕式兩種聯集管，具有不少優點，推廣前景良好。
4 全玻璃真空管太陽熱水系統
全玻璃真空管集熱器加上貯熱水箱構成熱水器。采用不銹鋼貯熱水箱其壁較薄，不銹鋼選材要求嚴格，焊接工藝要求高，制造時耗能小，水箱內無需安置鎂合金棒。提高技術，改進工藝，有以下幾個方面：
l）水箱的容積尺寸與材料厚度進行優化設計。
2）貯熱水箱采用304及316不銹鋼。盡可能減少焊區過熱，避免氧、氮侵入焊接區，提高焊接區抗晶界腐蝕的能力。
3）焊縫經著色（滲透）及試板金相抽樣檢查（光鏡或電鏡），對焊縫的成分進行抽檢。以普通100升落水式的貯熱水箱為例，水箱壁厚0.6mm，進行破壞性耐壓試驗時，水壓達到10.5kg/Cm2時才在縱焊縫上破日。對于水箱壁厚為lmm端頭為1.2mm的128升的貯熱水箱，經8萬次以上自動加壓（4．5個大氣壓），沒有滲漏。
4)對全玻璃滅空管太陽熱水器的整體進行風載試驗，在此基礎上優化設計，使熱水器支架強度高和抗風性好。
5）采用軋花出漫反射平板，其漫反射比高，表層有微米級三氧化二鋁薄膜抗腐蝕，置于集熱管背面，提高集熱器及熱水器的集熱性能；設計與生產模塊式漫反射器，便于拼裝不同采光面積的集熱器與熱水器。
6）熱水器水溫水位計和電子控制儀
水在玻璃管直插緊湊式家用熱水系統見圖5如下。
5 全玻璃真空太陽集熱管、集熱器及熱水系統的應用開發與市場
5.l真空管太陽集熱器的應用開發研究開發太陽能暖棚種植，在北京地區全年試驗種植瓜果蔬菜；在秦皇島進行了海水淡化試驗；以及著于進行太陽能供暖、空調和生活用熱水綜合應用試驗等，以開辟全玻璃真空太陽集熱管應用的新領域。
5．2經濟效益
北京清華陽光能源開發有限責任公司2000年的銷售額和利稅分別為1994年的34倍和64倍。
6 結論
經20年的年的研究、開發與生產的不懈努力，“全玻璃真空太陽發熱管、集熱器及熱水系統”于2000年榮獲了國家科技進步二等獎。展望可再生能源與環境，將是21世紀的重大課題和新型產業。在國家產、學、研相結合的推動下，讓我們再接再厲，團結奮斗，向太陽索取
