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真空镀膜技术在平板太阳能集热器的应用

  摘要 本文主要介绍了平板太阳能集热器的结构、特点以及平板太阳能集热器板芯选择性吸收涂层的几种制备方法。真空磁控溅射制备选择性吸收涂层可以有效提高光热效率和涂层的使命寿命,具有膜层均匀、致密、生产环保等特点适合连续式工业化生产。作为建筑材料,实现太阳能利用与建筑相结合,是新一代太阳能集热产品。

  0 前言 

  在国际社会将二氧化碳、二氧化硫排放量的大小与国家对环境负责任形象直接相提并论的今天,节能减排已经是关系到国家经济、生存环境是否可持续发展的大问题。发达国家的集热能量使用数据显示,年平均集热用水使用能量所消耗的电力,占国家年度总电力消耗的1/4;加之世界传统能源的日趋减少。因此,使用高效、环保、可替代煤炭、石油等传统能源来获取使用能量的技术,是目前亟待解决的问题。太阳能集热技术是将太阳辐射能通过太阳能集热器表面膜层吸收后,直接转化为热能来加热其他使用介质。因其具有能量获取、使用的直接性和使用过程无二次污染的环保性。太阳能必将成为未来世界能源舞台的主角,逐步补充和最终替代传统能源。使用太阳能集热器是目前解决我国能源与环境问题的一个积极有效的辅助手段,平板太阳能集热器更容易实现与建筑物相结合,近几年呈良好上升趋势,具有良好的市场前景。

  1 平板太阳能集热器的结构与工作原理

  现有真空管式太阳能集热器最根本的问题是真空管不能作为建筑板块整体结构与建筑相结合。因此,国外一些发达国家和地区(北美、北欧、夏威夷等地区)平板太阳能集热器占市场92%以上,作为建筑材料,实现太阳能利用与建筑相结合。平板太阳能集热器已被广泛应用于生活用水加热、泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等诸多领域。

  1.1 平板太阳能集热器的结构

  平板太阳能集热器一般由集热板芯、盖板、保温层和外壳4部分组成,其基本结构如图1所示。集热板芯采用铜铝复合和全铜的材质。铜铝复合集热板芯由铜铝复合吸热翼片与铜质集热管连接而成。这种翼片的特点在于两面铝板中间夹着铜管(排管),通过压碾复合工艺,使铜铝和铜铜之间紧密结合。而全铜集热板芯由铜箔集热板与布设在集热板反面的铜质流体介质管(排管)通过超声波焊接组成。通过集热板芯上下两端的集管横向连接若干根排管构成流体通道。四周采用咬缝工艺连接在一起,制成平板金属吸热体,底部用镀锌板和保温棉垫底,上部用玻璃板盖住,四周用橡胶条密封。 

  

1.2 平板太阳能集热器的工作原理

  阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体(集热板芯)上,其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收,转变为热能,并传向排管通道中的工质。这样,从太阳能集热器底部机关入口的冷工质,在排管通道中被太阳能所加热,温度逐渐升高,加热后的热工质,带着有用的热能从太阳能集热器的上端集管出口,蓄入贮水箱中待用,即为有用能量。与此同时,由于吸热体温度升高,通过透明盖板和外壳向环境散失热量。盖板则允许可见光线透过,而红外热射线不能透过的作用,使工质能带走更多的热量而提高太阳能集热器的集热效率。

  太阳能集热板芯是平板太阳能集热器的核心部件,它的选择性吸收性能(αs—发射率)决定平板太阳能热水器的热效率。

  2 目前平板太阳能集热器板芯选择性吸收涂层的制备方法

  随着太阳能热利用技术的发展,我国对选择性吸收材料的研究工作已有30多年的历史。涂层的制备工艺经历了从简单喷涂到选择性的硫化铅、金属氧化处理。从化学溶液镀膜法到真空磁控溅射镀膜法的更新换代过程。化学溶液镀膜法是指在溶液中利用化学反应或电化学原理在基底材料表面上沉积成膜的一种方法,它包括各种化学反应沉积、阳极氧化、电镀等。采用化学溶液镀膜法制备的光谱选择性吸收涂层目前有铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。但和真空镀膜相比,其工艺复杂、手工操作多,工艺设计或生产控制不当,废液的处理容易造成一定程度的环境污染。 
  目前国外公司采用电子束蒸发的方法将钛和石英在电子射线枪的作用下被气化,气化物在加入氮和氧化后发生化学反应生成氮氧化钛,最后在金属(铜)带上沉积冷凝而成涂层。生产的钛系列TiNOx高选择性钛镀层,该连续化生产线投资较大,涂层生产成本较高。由于这种集热涂层主要生产在铜基体条带上,制造平板太阳能集热器板芯时需要对条带进行切割,还要在每个翼片的背面通过超声波焊接排管,一方面在焊接过程中容易破坏膜层表面,另一方面在容易对膜层膜层造成二次污染,影响集热板芯的集热效率。

  针对平板式涂层制备技术的不足,我们采用真空磁控溅射技术、等离子监控技术和离子表面活化技术,开发了在光亮的铜基片或者铜铝复合基片上沉积高反射率的金属铝作为底层的基膜;然后在基膜的基础上采用反应溅射沉积两层不同成分和金属含量的铝氮复合膜作为吸收层;最后是反应沉积AIN和中频溅射SiO2介质增透、保护层的光谱选择性吸收薄膜设备与工艺。产品经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测,涂层的吸收率αs≥0.92~0.94,红外发射率ε≤0.08~0.1,其涂层附着力和耐候性能良好,可在大气环境下直接使用。制造成本低,膜层理化性能好,无污染,非常适合大批量工业化生产。这一技术使我国平板太阳能集热器的集热涂层生产环保化,使光热转换效率与国际高端产品处于同类水平。

  以提高集热膜层在大气中使用的耐候性能、集热性能为目的的膜层、膜系研究,是当前太阳能集热器光谱选择性吸收膜层研究、生产和发展的主要方向。随着我国对环境污染治理的深化,国家原则上已不审批新的化学溶液镀膜生产线。因此,可以说用磁控溅射方法制备选择性吸收涂层是目前国内外平板太阳能集热器制备工艺中最先进、最有发展、最环保的方法。

  3 平板太阳能集热器的应用前景

  随着新能源的推广和普及,以及科技的进步和发展,太阳能热利用与建筑相结合对太阳能热水器技术要求越来越高,市场需求越来越迫切,真空管太阳能已经逐渐无法解决其在建筑应用中遇到的所有技术和质量难题。这为平板太阳能集热器的发展带来了新的机遇。

  3.1 平板太阳能集热器的结构和技术优势

   平板太阳能集热器具有承压性、双循环系统、易于与建筑相结合、提供更多的生活热水等技术优势。因此,在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑相结合有要求的场所,平板太阳能集热器比全玻璃真空管太阳能集热器在系统结构、寿命、维护与建筑相结合等方面更具有优势。比如2008年北京奥运会工程之一“奥运村”,采用的就是平板太阳能集热器。

   采用磁控溅射制备光谱选择性吸收涂层,可以克服其他制备工艺的缺点,提高光热转换效率和涂层的使用寿命,同时磁控溅射工艺有沉积速度快、膜层均匀、致密,便于大面积沉积和工艺环保等特点,有利于太阳能集热板芯真空镀膜大批量工业化生产,进一步降低成本,提高产品的稳定性和一致性。从测试结果可以看出,高效平板太阳能集热器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的真空管太阳能集热系统的产水量。

   平板太阳能集热系统一般采用回流排空技术、防冻技术,在北方地区可方便地解决太阳能集热器过冬问题,无太阳能集热器冻坏的后顾之忧,并且可以解决夏季(或热水符合不匹配时)系统过热问题,这一特点对太阳能采暖系统非常有利。

  3.2 国家的扶持政策

  2008年国家出台了太阳能热水器鼓励支持发展的政策,全国10多个省、市建委出台了对12层以下房屋强制安装太阳能热水器的政策配套文件,极大地释放了城市太阳能热水器市场。

  2009年太阳能热水器“下乡”是太阳能热水器行业的一件大事,标志着太阳能热水器得到国家认可,我国太阳能热水器行业已迈入新的时代。太阳能热水器“下乡”正式启动意味着太阳能热水器行业得到了政策支持,太阳能热水器“下乡”如一缕春风,使整个行业焕发强大的生命力。

   我国必将步入更为多元化、清洁、高效的能源消费新时代。因此,应当大力倡导发函太阳能这样的可再生能源。

  3.3 市场的应用前景

     《2010—2015年中国太阳能利用产业投资分析及前景预测报告》显示,“2007年中国太阳能热水器产量的增长速度约为30%,年产量达2340万?(16380MWth),总保有量约为10800万?(75600MWth)。2007年太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币,产值亿元人民币以上的企业有20多家。2008年我国太阳能热水器行业继续稳步快速发展。其中,产值达430亿元,出口达1亿美元。我国太阳能热水器的年产量是欧洲的2倍,北美的4倍,现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场”。预计我国太阳能热水器在近3年时间内还将保持30%以上的增长速度,市场潜力巨大。

  随着中高温太阳能热水器的开发以及太阳能与建筑相结合技术的日益完善,未来太阳能热水器产品进入住宅工程是必行之路。目前城镇环保要求必须使用清洁能源,在今后10年随着太阳能热水器的普及,会有越来越多的人使用太阳能集热器,这是发展趋势。我国太阳能热水器的市场空间和产业规模都很大,未来发展十分乐观。

  4 结束语

  真空磁控溅射镀膜集热板与目前使用的涂漆集热板、阳极氧化集热板和黑铬涂层集热板等相比具有无法比拟的优点和性能。它具有良好的光谱选择性吸收特性,从而使平板太阳能热水器的热效率得到了极大地提高,而且在生产过程中不会产生任何环境污染。膜层理化性能好,提高了涂层的使用寿命,有利于连续式工业化。因此,是目前新一代太阳能集热板产品。

  平板太阳能发展至今天,技术上已日趋成熟,世界各国都力图将太阳能与建筑相结合,寻求外形美观、布局合理、管理规范的太阳能与建筑相结合的设计。平板太阳能集热器作为建筑材料实现太阳能热利用与建筑物相结合,有更强的国内外市场竞争力和生命力。