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真空鍍膜技術在平板太陽能集熱器的應用

  摘要 本文主要介紹了平板太陽能集熱器的結構、特點以及平板太陽能集熱器板芯選擇性吸收涂層的幾種制備方法。真空磁控濺射制備選擇性吸收涂層可以有效提高光熱效率和涂層的使命壽命,具有膜層均勻、致密、生產環保等特點適合連續式工業化生產。作為建筑材料,實現

  0 前言 

  在國際社會將二氧化碳、二氧化硫排放量的大小與國家對環境負責任形象直接相提并論的今天,節能減排已經是關系到國家經濟、生存環境是否可持續發展的大問題。發達國家的集熱能量使用數據顯示,年平均集熱用水使用能量所消耗的電力,占國家年度總電力消耗的1/4;加之世界傳統能源的日趨減少。因此,使用高效、環保、可替代煤炭、石油等傳統能源來獲取使用能量的技術,是目前亟待解決的問題。太陽能集熱技術是將太陽輻射能通過太陽能集熱器表面膜層吸收后,直接轉化為熱能來加熱其他使用介質。因其具有能量獲取、使用的直接性和使用過程無二次污染的環保性。太陽能必將成為未來世界能源舞臺的主角,逐步補充和最終替代傳統能源。使用太陽能集熱器是目前解決我國能源與環境問題的一個積極有效的輔助手段,平板太陽能集熱器更容易實現與建筑物相結合,近幾年呈良好上升趨勢,具有良好的市場前景。

  1 平板太陽能集熱器的結構與工作原理

  現有真空管式太陽能集熱器最根本的問題是真空管不能作為建筑板塊整體結構與建筑相結合。因此,國外一些發達國家和地區(北美、北歐、夏威夷等地區)平板太陽能集熱器占市場92%以上,作為建筑材料,實現太陽能利用與建筑相結合。平板太陽能集熱器已被廣泛應用于生活用水加熱、泳池加熱、工業用水加熱、建筑物采暖與空調等諸多領域。

  1.1 平板太陽能集熱器的結構

  平板太陽能集熱器一般由集熱板芯、蓋板、保溫層和外殼4部分組成,其基本結構如圖1所示。集熱板芯采用銅鋁復合和全銅的材質。銅鋁復合集熱板芯由銅鋁復合吸熱翼片與銅質集熱管連接而成。這種翼片的特點在于兩面鋁板中間夾著銅管(排管),通過壓碾復合工藝,使銅鋁和銅銅之間緊密結合。而全銅集熱板芯由銅箔集熱板與布設在集熱板反面的銅質流體介質管(排管)通過超聲波焊接組成。通過集熱板芯上下兩端的集管橫向連接若干根排管構成流體通道。四周采用咬縫工藝連接在一起,制成平板金屬吸熱體,底部用鍍鋅板和保溫棉墊底,上部用玻璃板蓋住,四周用橡膠條密封。 

  

1.2 平板太陽能集熱器的工作原理

  陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體(集熱板芯)上,其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收,轉變為熱能,并傳向排管通道中的工質。這樣,從太陽能集熱器底部機關入口的冷工質,在排管通道中被太陽能所加熱,溫度逐漸升高,加熱后的熱工質,帶著有用的熱能從太陽能集熱器的上端集管出口,蓄入貯水箱中待用,即為有用能量。與此同時,由于吸熱體溫度升高,通過透明蓋板和外殼向環境散失熱量。蓋板則允許可見光線透過,而紅外熱射線不能透過的作用,使工質能帶走更多的熱量而提高太陽能集熱器的集熱效率。

  太陽能集熱板芯是平板太陽能集熱器的核心部件,它的選擇性吸收性能(αs—發射率)決定平板太陽能熱水器的熱效率。

  2 目前平板太陽能集熱器板芯選擇性吸收涂層的制備方法

  隨著太陽能熱利用技術的發展,我國對選擇性吸收材料的研究工作已有30多年的歷史。涂層的制備工藝經歷了從簡單噴涂到選擇性的硫化鉛、金屬氧化處理。從化學溶液鍍膜法到真空磁控濺射鍍膜法的更新換代過程。化學溶液鍍膜法是指在溶液中利用化學反應或電化學原理在基底材料表面上沉積成膜的一種方法,它包括各種化學反應沉積、陽極氧化、電鍍等。采用化學溶液鍍膜法制備的光譜選擇性吸收涂層目前有鋁條帶上陽極化著色和銅條帶上黑鉻選擇性涂層。但和真空鍍膜相比,其工藝復雜、手工操作多,工藝設計或生產控制不當,廢液的處理容易造成一定程度的環境污染。   目前國外公司采用電子束蒸發的方法將鈦和石英在電子射線槍的作用下被氣化,氣化物在加入氮和氧化后發生化學反應生成氮氧化鈦,最后在金屬(銅)帶上沉積冷凝而成涂層。生產的鈦系列TiNOx高選擇性鈦鍍層,該連續化生產線投資較大,涂層生產成本較高。由于這種集熱涂層主要生產在銅基體條帶上,制造平板太陽能集熱器板芯時需要對條帶進行切割,還要在每個翼片的背面通過超聲波焊接排管,一方面在焊接過程中容易破壞膜層表面,另一方面在容易對膜層膜層造成二次污染,影響集熱板芯的集熱效率。

  針對平板式涂層制備技術的不足,我們采用真空磁控濺射技術、等離子監控技術和離子表面活化技術,開發了在光亮的銅基片或者銅鋁復合基片上沉積高反射率的金屬鋁作為底層的基膜;然后在基膜的基礎上采用反應濺射沉積兩層不同成分和金屬含量的鋁氮復合膜作為吸收層;最后是反應沉積AIN和中頻濺射SiO2介質增透、保護層的光譜選擇性吸收薄膜設備與工藝。產品經國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心檢測,涂層的吸收率αs≥0.92~0.94,紅外發射率ε≤0.08~0.1,其涂層附著力和耐候性能良好,可在大氣環境下直接使用。制造成本低,膜層理化性能好,無污染,非常適合大批量工業化生產。這一技術使我國平板太陽能集熱器的集熱涂層生產環保化,使光熱轉換效率與國際高端產品處于同類水平。

  以提高集熱膜層在大氣中使用的耐候性能、集熱性能為目的的膜層、膜系研究,是當前太陽能集熱器光譜選擇性吸收膜層研究、生產和發展的主要方向。隨著我國對環境污染治理的深化,國家原則上已不審批新的化學溶液鍍膜生產線。因此,可以說用磁控濺射方法制備選擇性吸收涂層是目前國內外平板太陽能集熱器制備工藝中最先進、最有發展、最環保的方法。

  3 平板太陽能集熱器的應用前景

  隨著新能源的推廣和普及,以及科技的進步和發展,太陽能熱利用與建筑相結合對太陽能熱水器技術要求越來越高,市場需求越來越迫切,真空管太陽能已經逐漸無法解決其在建筑應用中遇到的所有技術和質量難題。這為平板太陽能集熱器的發展帶來了新的機遇。

  3.1 平板太陽能集熱器的結構和技術優勢

   平板太陽能集熱器具有承壓性、雙循環系統、易于與建筑相結合、提供更多的生活熱水等技術優勢。因此,在太陽能系統工程、分體式太陽能熱水器和對太陽能與建筑相結合有要求的場所,平板太陽能集熱器比全玻璃真空管太陽能集熱器在系統結構、壽命、維護與建筑相結合等方面更具有優勢。比如2008年北京奧運會工程之一“奧運村”,采用的就是平板太陽能集熱器。

   采用磁控濺射制備光譜選擇性吸收涂層,可以克服其他制備工藝的缺點,提高光熱轉換效率和涂層的使用壽命,同時磁控濺射工藝有沉積速度快、膜層均勻、致密,便于大面積沉積和工藝環保等特點,有利于太陽能集熱板芯真空鍍膜大批量工業化生產,進一步降低成本,提高產品的穩定性和一致性。從測試結果可以看出,高效平板太陽能集熱器太陽能熱水系統的產水量要高于同等面積的真空管太陽能集熱系統的產水量。

   平板太陽能集熱系統一般采用回流排空技術、防凍技術,在北方地區可方便地解決太陽能集熱器過冬問題,無太陽能集熱器凍壞的后顧之憂,并且可以解決夏季(或熱水符合不匹配時)系統過熱問題,這一特點對太陽能采暖系統非常有利。

  3.2 國家的扶持政策

  2008年國家出臺了太陽能熱水器鼓勵支持發展的政策,全國10多個省、市建委出臺了對12層以下房屋強制安裝太陽能熱水器的政策配套文件,極大地釋放了城市太陽能熱水器市場。

  2009年太陽能熱水器“下鄉”是太陽能熱水器行業的一件大事,標志著太陽能熱水器得到國家認可,我國太陽能熱水器行業已邁入新的時代。太陽能熱水器“下鄉”正式啟動意味著太陽能熱水器行業得到了政策支持,太陽能熱水器“下鄉”如一縷春風,使整個行業煥發強大的生命力。

   我國必將步入更為多元化、清潔、高效的能源消費新時代。因此,應當大力倡導發函太陽能這樣的可再生能源。

  3.3 市場的應用前景

     《2010—2015年中國太陽能利用產業投資分析及前景預測報告》顯示,“2007年中國太陽能熱水器產量的增長速度約為30%,年產量達2340萬?(16380MWth),總保有量約為10800萬?(75600MWth)。2007年太陽能熱水器市場銷售額約為320億元人民幣,產值億元人民幣以上的企業有20多家。2008年我國太陽能熱水器行業繼續穩步快速發展。其中,產值達430億元,出口達1億美元。我國太陽能熱水器的年產量是歐洲的2倍,北美的4倍,現已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和最大的太陽能熱水器市場”。預計我國太陽能熱水器在近3年時間內還將保持30%以上的增長速度,市場潛力巨大。

  隨著中高溫太陽能熱水器的開發以及太陽能與建筑相結合技術的日益完善,未來太陽能熱水器產品進入住宅工程是必行之路。目前城鎮環保要求必須使用清潔能源,在今后10年隨著太陽能熱水器的普及,會有越來越多的人使用太陽能集熱器,這是發展趨勢。我國太陽能熱水器的市場空間和產業規模都很大,未來發展十分樂觀。

  4 結束語

  真空磁控濺射鍍膜集熱板與目前使用的涂漆集熱板、陽極氧化集熱板和黑鉻涂層集熱板等相比具有無法比擬的優點和性能。它具有良好的光譜選擇性吸收特性,從而使平板太陽能熱水器的熱效率得到了極大地提高,而且在生產過程中不會產生任何環境污染。膜層理化性能好,提高了涂層的使用壽命,有利于連續式工業化。因此,是目前新一代太陽能集熱板產品。

  平板太陽能發展至今天,技術上已日趨成熟,世界各國都力圖將太陽能與建筑相結合,尋求外形美觀、布局合理、管理規范的太陽能與建筑相結合的設計。平板太陽能集熱器作為建筑材料實現太陽能熱利用與建筑物相結合,有更強的國內外市場競爭力和生命力。

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