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        平板太陽(yáng)熱水器集熱涂層研究

        2016-01-04 10:19:58刁夢(mèng)怡李銀銀
        科技視界 2015年35期
        關(guān)鍵詞:涂層太陽(yáng)能

        刁夢(mèng)怡 李銀銀

        【摘 要】結(jié)合國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)熱水器的發(fā)展史,綜述了平板太陽(yáng)熱水器集熱涂層的種類、制備方法、發(fā)展現(xiàn)狀,分析了涂層行業(yè)內(nèi)存在的問(wèn)題與發(fā)展瓶頸,對(duì)未來(lái)涂層的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并闡述了涂層性能檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

        【關(guān)鍵詞】平板集熱器;太陽(yáng)能;涂層

        【Abstract】Combing with home and abroad development of solar water heater; introducing the types of coating, preparation methods, development status of heat-absorbing coating of flat plate solar water heater; questions and bottlenecks in the future were analyzed and promised; Besides the performance test standards were introduced in the following.

        【Key words】Flat;Collector;Solar;Coating

        1 綜述

        太陽(yáng)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(guò)陽(yáng)光的透明板、吸收太陽(yáng)光并在管內(nèi)傳遞載熱體的吸熱板、保護(hù)吸收的熱量不致逸散的隔熱材料及其保護(hù)外殼等四大構(gòu)件組成[1-2](如圖1所示)。太陽(yáng)光透過(guò)透明玻璃板照射到集熱板上,集熱板吸收太陽(yáng)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(yáng)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(dá)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(yáng)能吸收涂層的選擇性

        太陽(yáng)光輻射的能量主要分布在波長(zhǎng)λ為0.25-2.5μm的光譜區(qū)內(nèi),即太陽(yáng)輻射能主要分布在可見(jiàn)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(zhǎng)為2-100μm的光譜區(qū)中,亦即主要在遠(yuǎn)紅外區(qū)。為了能夠充分利用太陽(yáng)能,人們?cè)O(shè)計(jì)出了選擇性吸收的太陽(yáng)能涂層材料,這種材料必須滿足以下兩個(gè)條件:一是太陽(yáng)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(zhǎng)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(gè)重要參數(shù)。

        2.2 涂層的種類

        以α/ε為重要指標(biāo),太陽(yáng)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(duì)這兩大類吸熱涂層的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(shí)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(guò)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?cè)诨迳?。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(jìn)行陽(yáng)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(guò)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

        我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始加快了在太陽(yáng)能吸熱材料方面的研究,清華大學(xué)、北京太陽(yáng)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(yáng)光譜選擇性吸收涂層也具有很好的性能參數(shù)。近來(lái)國(guó)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(dá)到的水平來(lái)看,光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)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(guó)某研究所利用全息照相技術(shù)在平板蓋板表面上進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)處理,以增加太陽(yáng)光透射率,減少太陽(yáng)能的反射損失,從而使太陽(yáng)能的熱利用效率得到了進(jìn)一步提高。

        5 行業(yè)內(nèi)存在的部分問(wèn)題分析

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

        (1)性價(jià)比高的吸收涂層相對(duì)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(jī)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(jìn)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(jìn)太陽(yáng)能集熱器的集熱效率。

        6 平板集熱器涂層未來(lái)的發(fā)展方向

        吸收涂層在太陽(yáng)光波峰值0.5μm附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收,在紅外波段則自由透過(guò),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(yáng)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(lái)看,涂層技術(shù)將獲得更加長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定、耐候性強(qiáng)、價(jià)格低廉、形成涂層工藝簡(jiǎn)單、材料供應(yīng)充足和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等條件。常用的涂層并不能全部滿足這些條件。問(wèn)題主要集中在光學(xué)性能、成本和制取工藝上。

        預(yù)計(jì)未來(lái)涂層的研發(fā)方向主要有以下幾個(gè)方面:(1)高吸收比,耐腐蝕,具有良好機(jī)械性能的涂層;(2)經(jīng)濟(jì)實(shí)用,成本低,效果佳的涂層;(3)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,便于大規(guī)模生產(chǎn)和推廣的涂層。

        7 結(jié)論

        綜述國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)熱水器的發(fā)展?fàn)顩r,研究了平板太陽(yáng)熱水器的結(jié)構(gòu),重點(diǎn)對(duì)集熱器涂層的種類、制備方法、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了全面原理性的概述,同時(shí)分析了整個(gè)涂層行業(yè)內(nèi)存在的問(wèn)題與發(fā)展瓶頸,并瞻望未來(lái)集熱器涂層的發(fā)展方向,最后總結(jié)了涂層性能檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和不同廠家產(chǎn)品耐鹽霧的情況。通過(guò)對(duì)比和分析可以看出,高性能涂層和經(jīng)濟(jì)型涂層將會(huì)是今后發(fā)展的重點(diǎn),二者會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)共存,隨著環(huán)保意識(shí)的提高和節(jié)能意識(shí)的加強(qiáng),無(wú)污染高性能的涂層將會(huì)占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)。

        【參考文獻(xiàn)】

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        [責(zé)任編輯:王楠]

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