平板太陽熱水器集熱涂層研究

刁夢怡 李銀銀

（1.萊蕪市第一高級中學(xué)，山東 萊蕪 271100；2.青島海爾空調(diào)電子有限公司，山東 青島266101）

1 綜述

太陽能作為一種可再生能源，可利用能量巨大。平板集熱器主要由透過陽光的透明板、吸收太陽光并在管內(nèi)傳遞載熱體的吸熱板、保護吸收的熱量不致逸散的隔熱材料及其保護外殼等四大構(gòu)件組成[1-2]（如圖1所示）。太陽光透過透明玻璃板照射到集熱板上，集熱板吸收太陽光把光能轉(zhuǎn)變成熱能，并把熱能傳導(dǎo)給貯熱水箱內(nèi)的水或?qū)峤橘|(zhì)，由于太陽能熱水器的保溫系統(tǒng)有效地減少了熱量損失，從而使貯熱水箱內(nèi)的水溫不斷升高，達到了吸熱與保溫的效果[3-5]。

圖1 平板集熱器

2 涂層的選擇性與種類

2.1 太陽能吸收涂層的選擇性

太陽光輻射的能量主要分布在波長λ為0.25-2.5μm的光譜區(qū)內(nèi)，即太陽輻射能主要分布在可見光和近紅外區(qū)，而物體受熱發(fā)生黑體輻射的能量主要分布在波長為2-100μm的光譜區(qū)中，亦即主要在遠紅外區(qū)。為了能夠充分利用太陽能，人們設(shè)計出了選擇性吸收的太陽能涂層材料，這種材料必須滿足以下兩個條件：一是太陽光譜內(nèi)的吸光程度高，即有盡可能高的吸收率α；二是輻射波長范圍內(nèi)有盡可能低的輻射損失，即盡可能低的發(fā)射率ε。由此可以看出，吸收率α和發(fā)射率ε是衡量選擇性吸收材料好壞的兩個重要參數(shù)。

2.2 涂層的種類

以α/ε為重要指標(biāo)，太陽能吸熱涂層總體上可分為非選擇性涂層和選擇性涂層兩大類。非選擇性吸熱涂層的α/ε≤1；選擇性吸熱涂層的α/ε＞1。下面對這兩大類吸熱涂層的研究現(xiàn)狀進行綜述[6-7]。

（1）非選擇性涂層

黑板漆作為最原始的吸熱涂層屬于非選擇性吸收涂層，其α/ε=1，它的耐侯性很差，尤其是在濕度很大的地區(qū)，更容易發(fā)生脫落，其使用壽命一般在一二年左右。因此應(yīng)用不是很廣泛，這里也就不再詳述[8]。

（2）根據(jù)吸收原理和涂層結(jié)構(gòu)的不同，選擇性吸收涂層可分為體吸收型涂層、干涉型吸收涂層、金屬陶瓷復(fù)合涂層、表面結(jié)構(gòu)型吸收涂層四種[9]。

3 涂層的制備方法

吸收涂層的制備方法主要有以下五種，分別是涂料法、電鍍法、電化學(xué)法、氣相沉積法、真空鍍膜法[10]，其中真空鍍膜法和電化學(xué)法已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。

3.1 涂料法

涂料法是一種發(fā)展比較早的制備方法，它是將具有光吸收選擇性的粉體作為色素與粘結(jié)劑混合制成涂料，然后通過噴涂、浸沾、涂刷等方法將涂料涂在基板上。

3.2 電鍍法

利用電鍍的方法將具有光選擇性吸收的金屬鍍在基板上。常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等，這些涂層均具有良好的光學(xué)性能。

3.3 電化學(xué)法

最常用的電化學(xué)法是將金屬基板（Al、Cu、Fe等）放入含有磷酸的溶液中進行陽極氧化，使其表面產(chǎn)生一層多孔氧化物，然后放入某些金屬鹽溶液中，利用電解沉積在孔中沉積金屬（Ni、Co、Mo等）。

3.4 氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是一種較傳統(tǒng)而又應(yīng)用廣泛的化學(xué)鍍膜方法，它將一種或多種化合物氣化后，經(jīng)過一定的化學(xué)反應(yīng)，將所需的材料沉積在基板上，可以沉積單質(zhì)膜、復(fù)合膜。

3.5 真空鍍膜法

真空鍍膜法是指利用真空蒸發(fā)和磁控濺射沉積單層或多層復(fù)合膜。如利用真空蒸發(fā)沉積Cr、Ni、PbS等薄膜；利用磁控濺射沉積Al2O3-Mo-Al2O3-SiO2、金屬(Cr、Fe、Mo、Ni、Ta、W)碳化物、Al2O3-AlFeCu-Al2O3、Al-N、Ni-NiOx等薄膜。另外利用射頻濺射的方法可以制備Ni-Al2O3、Mo-Al2O3、W-Al2O3、Au-MgO 等薄膜）。

4 涂層國內(nèi)外研究進展

我國從20世紀80年代開始加快了在太陽能吸熱材料方面的研究，清華大學(xué)、北京太陽能研究所等單位先后研制出一系列優(yōu)良的選擇性涂層材料。所研制的黑鈷選擇性吸收涂層具有良好的光譜選擇性,適合應(yīng)用在工作溫度較高的真空集熱管上。研制成功的用于全玻璃真空管上鋁-氮/鋁太陽光譜選擇性吸收涂層也具有很好的性能參數(shù)。近來國內(nèi)外在制備工藝上主要利用電化學(xué)和磁控濺射方法，所研制的選擇性吸收涂層材料也正朝多層化、梯度化發(fā)展，如備受重視的氮化鋁選擇性吸收涂層就是新一代吸熱涂層的代表。從目前已達到的水平來看，光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進一步提高，這不僅需要人們不斷探索新的材料體系和制備工藝，還可在涂層的玻璃蓋板表面上做文章。如德國某研究所利用全息照相技術(shù)在平板蓋板表面上進行納米結(jié)構(gòu)處理，以增加太陽光透射率，減少太陽能的反射損失，從而使太陽能的熱利用效率得到了進一步提高。

5 行業(yè)內(nèi)存在的部分問題分析

目前吸熱涂層的發(fā)展進入了多元化與精細化的發(fā)展階段，存在的瓶頸性問題主要集中在以下幾個方面：

（1）性價比高的吸收涂層相對較少；

（2）耐磨耐腐蝕高性能涂層較少；

（3）結(jié)合材料體系與玻璃蓋板的涂層較少；

（4）有機類的吸熱基底涂層發(fā)展受冷落。

綜上可以看出，涂層的研究在材料的選擇與工藝改進及輔助設(shè)施的協(xié)同性方面均存在發(fā)展的瓶頸，任何一處的突破均能在一定程度上改進太陽能集熱器的集熱效率。

6 平板集熱器涂層未來的發(fā)展方向

吸收涂層在太陽光波峰值0.5μm附近產(chǎn)生強烈的吸收，在紅外波段則自由透過，并借助于底層的高紅外反射特性構(gòu)成選擇性涂層。從室內(nèi)保溫涂層到太陽鏡上的防反涂層等，這些技術(shù)將集熱器的效率提高了近5%。從最近眾多的納米技術(shù)的研究成果來看，涂層技術(shù)將獲得更加長足的發(fā)展。理想的涂層除了應(yīng)具備良好的光學(xué)選擇性外,還應(yīng)該滿足光學(xué)性能長期穩(wěn)定、耐候性強、價格低廉、形成涂層工藝簡單、材料供應(yīng)充足和對環(huán)境無污染等條件。常用的涂層并不能全部滿足這些條件。問題主要集中在光學(xué)性能、成本和制取工藝上。

預(yù)計未來涂層的研發(fā)方向主要有以下幾個方面：（1）高吸收比，耐腐蝕，具有良好機械性能的涂層；（2）經(jīng)濟實用，成本低，效果佳的涂層；（3）生產(chǎn)工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)和推廣的涂層。

7 結(jié)論

綜述國內(nèi)外太陽熱水器的發(fā)展?fàn)顩r，研究了平板太陽熱水器的結(jié)構(gòu)，重點對集熱器涂層的種類、制備方法、發(fā)展現(xiàn)狀進行了全面原理性的概述，同時分析了整個涂層行業(yè)內(nèi)存在的問題與發(fā)展瓶頸，并瞻望未來集熱器涂層的發(fā)展方向，最后總結(jié)了涂層性能檢測的相關(guān)標(biāo)準和不同廠家產(chǎn)品耐鹽霧的情況。通過對比和分析可以看出，高性能涂層和經(jīng)濟型涂層將會是今后發(fā)展的重點，二者會在一定時間內(nèi)共存，隨著環(huán)保意識的提高和節(jié)能意識的加強，無污染高性能的涂層將會占據(jù)市場的主導(dǎo)。

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