修大鵬，張新恩，許建華，趙國辰，蔣孝平，張素卿，王杰，洪善強

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟南 250014；2.臨沂科技職業(yè)學(xué)院，山東 臨沂 276000；3.山東金象鋁業(yè)有限公司，山東 臨沂 276000)

傳統(tǒng)金屬平板太陽能集熱器主要由太陽能吸熱體、陽光吸熱涂層、鋼化玻璃板、保溫材料和集熱器框架等部件組成[1]。太陽能吸熱體(包括銅合金、鋁合金、銅鋁合金和鋼合金等)由于構(gòu)造復(fù)雜，需要多道工序成型，制造成本較高；陽光吸熱涂層通常由鎳、鉻、錳、鈦和釩等各種貴重金屬氧化物經(jīng)合理搭配、 復(fù)雜工藝配制而成，其燒成工藝復(fù)雜，耐熱性和呈色穩(wěn)定性難以控制；此外，太陽能吸熱體金屬材料容易腐蝕，陽光吸熱涂層吸收效率逐年衰減，導(dǎo)致集熱器使用壽命不超過10年[2-4]。因此，需要開發(fā)一種低成本、高效率、長壽命的新型光熱轉(zhuǎn)換材料，用于制造綠色可持續(xù)的太陽能集熱器[5]。

黑瓷粉料是一種廉價的工業(yè)陶瓷原料，具有良好的熱穩(wěn)定性和較高的光吸收率，是一種優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換材料。目前黑瓷粉料已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。例如，黑瓷泡沫材料因其熱穩(wěn)定性被應(yīng)用于管道保溫系統(tǒng)中，隔熱保溫效果顯著[6]；黑瓷復(fù)合陶瓷太陽能板因其高吸收率被規(guī)?；瘧?yīng)用于新農(nóng)村建設(shè)工程中，為民居實現(xiàn)冬季供暖[7]。本文以黑瓷粉料和耐蝕鋁合金為主要材料研發(fā)了一種新型金屬平板太陽能吸熱體——基于納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的瓷-鋁復(fù)合太陽能板。此種吸熱涂層熱穩(wěn)定性好，陽光吸收率高達0.96；集成化結(jié)構(gòu)的瓷-鋁復(fù)合太陽能板導(dǎo)熱性能優(yōu)良，導(dǎo)熱效率高達0.98；瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器的集熱效率約為43.6%，高于傳統(tǒng)的太陽能集熱器，制造成本比傳統(tǒng)太陽能集熱器平均低約14%。瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器在成本、壽命和效率方面更具優(yōu)勢，可用于建造大面積太陽能集熱系統(tǒng)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

1 瓷-鋁復(fù)合太陽能板的材料與工藝

1.1 材料組成

大多數(shù)金屬材料均會因化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕而影響使用壽命。在本研究中，瓷-鋁復(fù)合太陽能板由鋁合金基體板、導(dǎo)流匯集管和納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層組成。鋁合金基體板采用型材擠出機將6063耐蝕鋁合金一次擠制成循環(huán)管與曲翅板集成化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為提高循環(huán)管道的使用壽命，對導(dǎo)流匯集管內(nèi)壁涂覆“不粘鍋”性能的厭水涂層抑制腐蝕和水垢。在鋁合金基體板表面噴涂納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層，涂層由納米黑瓷粉、消光劑和樹脂結(jié)合劑等黑色粉體合成。納米黑瓷粉是一種黑色陶瓷粉料，其中含有超過80%的黑色金屬氧化物。本課題組對納米黑瓷粉進行了幾十次燒結(jié)實驗，結(jié)果表明，納米黑瓷粉燒結(jié)溫度寬、陶瓷性能好、太陽吸收率高，其化學(xué)組成見表1。

圖1 擠制成型的集成化鋁合金基體板Fig.1 Al alloy matrix plates manufactured through the extrusion process

表1 納米黑瓷粉的化學(xué)成分

1.2 工藝流程

瓷-鋁復(fù)合太陽能板的制造過程主要包括6個基本步驟。(1)將6063耐蝕鋁錠采用型材擠出機擠壓成圖1所示的鋁合金基體板；(2)將鋁合金基體板與導(dǎo)流匯集管焊接成鋁芯板；(3)對鋁芯板進行脫脂、除油、除銹、去污、磷化、鈍化和涂覆厭水涂層等表面保護處理；(4)將納米黑瓷粉、消光劑和樹脂結(jié)合劑等黑色粉體原料制備合成納米黑瓷粉料；(5)將納米黑瓷粉料靜電噴涂到鋁芯板表面；(6)在不低于300 ℃的加熱爐中將噴涂納米黑瓷粉料的鋁芯板固化成基于納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的瓷-鋁復(fù)合太陽能板。

圖2為在坡屋頂上構(gòu)建的瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱系統(tǒng)，單片模塊化預(yù)制的瓷-鋁復(fù)合太陽能板尺寸為6.0 m×1.0 m。由于采用擠壓方法，在必要時可以很容易地改變模塊化瓷-鋁復(fù)合太陽能板的產(chǎn)品尺寸。

圖2 單片集熱面積為6 m2的模塊化瓷-鋁復(fù)合太陽能板Fig.2 Modularized porcelain-aluminum composite solar plate with an area of 6 m2

2 瓷-鋁復(fù)合太陽能板的熱性能

2.1 陽光吸收率

陽光吸熱涂層是太陽能集熱器的核心技術(shù)。根據(jù)對不同波長太陽光的吸收特性，吸熱涂層可分為選擇性吸熱涂層和非選擇性吸熱涂層，選擇性吸收涂層在一定的太陽光譜范圍內(nèi)具有較高的陽光吸收率[8]。許多研究者認為選擇性吸收涂層可以主導(dǎo)太陽能集熱器的熱效率，而Licheri等[9]證明對于太陽能集熱器來說，更重要的是廣泛地吸收不同波長的太陽能，而不是強調(diào)在一定波長范圍內(nèi)的高吸收率。

經(jīng)國家太陽能集熱器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的陽光吸收率曲線如圖3所示。從圖3可以看出，納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層對太陽光呈現(xiàn)出很強的光譜吸收性，在2～20 μm波長范圍內(nèi)均具有較高陽光吸收率，陽光吸收率表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

圖3 納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的陽光吸收率曲線Fig.3 Solar absorptance curve of nanostructure endothermic coatings

實驗表明，光滑的陽光吸熱涂層的陽光吸收率低于0.93，立體蜂窩網(wǎng)是太陽能吸熱涂層提高陽光吸收率不可缺少的結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的表面粗糙度和涂層厚度可由空壓機的氣壓、噴嘴的噴涂角度、噴涂時間和納米黑瓷粉料的配方等因素進行調(diào)整。圖4為納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的蜂窩狀圖像，加速老化實驗表明，即使直接遭受腐蝕性海水、酸雨、紫外線照射等惡劣條件，納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的陽光吸收率也不會衰減。

圖4 蜂窩網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層Fig.4 Honeycomb structure of nanostructure endothermic coatings

2.2 熱穩(wěn)定性

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)太陽吸熱體吸熱涂層的陽光吸收率一般在0.94～0.96，在長期陽光照射下，熱轉(zhuǎn)換性能會逐漸老化下降，衰減后的陽光吸收率在0.88～0.90。理想的太陽能吸熱材料是成本低、壽命長、吸收率高、耐熱、耐腐蝕，且在長期陽光輻射下不老化的黑色陶瓷材料。

表2和表3分別為鋁合金基體板和納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的理化性能。鋁合金基體板和納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)有很大差異。經(jīng)過200 h鹽霧實驗和加速老化實驗，鋁合金基體板和納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層結(jié)合牢固，無裂紋、氣泡和腐蝕現(xiàn)象，熱膨脹系數(shù)的差異不會導(dǎo)致吸熱涂層的剝落。

表2 鋁合金基體板的理化性能

表3 納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層的理化性能

鋁合金基體板厚度可低至0.8 mm，吸熱涂層厚度可低至0.1 mm。薄涂層能夠加快傳熱速度，瞬間傳熱過程使導(dǎo)熱系數(shù)的差異對傳熱效率的影響可以忽略不計。吸熱涂層的固化溫度應(yīng)控制在360 ℃以下，過高的固化溫度會導(dǎo)致鋁合金基板軟化，降低鋁合金基體板的斷裂強度。

太陽能集熱器應(yīng)具有較高的陽光吸收能力，與導(dǎo)熱系數(shù)相比，陽光吸收率更為重要。蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可提高吸熱涂層的陽光吸收率，瓷-鋁復(fù)合太陽能板的陽光吸收率可達到0.96。

2.3 導(dǎo)熱效率

瓷-鋁復(fù)合太陽能板改變了傳統(tǒng)金屬平板太陽能集熱器的原料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝。瓷-鋁復(fù)合太陽能板芯采用鋁錠擠壓成型，傳統(tǒng)的雙板復(fù)合太陽能板芯采用上下兩塊波浪狀銅板或鋁板密集點焊，銅鋁復(fù)合太陽能板芯采用鋁板和銅循環(huán)管焊接而成。三種金屬平板太陽能集熱器的板芯結(jié)構(gòu)見圖5。

Souliotis等[11]發(fā)現(xiàn)，雖然金屬基體板和循環(huán)管均具有良好的導(dǎo)熱性，但是基體板和循環(huán)管構(gòu)造方式的差異會直接影響太陽能集熱器的導(dǎo)熱效率。圖5中(a)(b)(c)三種太陽能板芯的導(dǎo)熱效率分別為0.97、0.98和0.96。這是因為瓷-鋁復(fù)合太陽能板的基體板和循環(huán)管是由型材擠出機一步擠制成型的整體結(jié)構(gòu)，集成結(jié)構(gòu)的循環(huán)管和基體板可以直接傳熱，與焊接成型相比，降低了熱量傳導(dǎo)損耗，縮短了熱量傳導(dǎo)時間。

圖5 三種金屬平板太陽能集熱器的板芯結(jié)構(gòu)Fig.5 Plate core structures of three types of metal flat plate solar collectors

3 三種金屬平板太陽能集熱器對比實驗

為研究瓷-鋁復(fù)合太陽能板的熱性能，在地面分別搭建了雙板(銅或鋁)、瓷-鋁復(fù)合、銅鋁復(fù)合三種金屬平板太陽能集熱器。

三臺太陽能集熱器的工藝參數(shù)如表4所示。傾角表示太陽能集熱器的傾斜角，溫度傳感器分別安裝在太陽能集熱器的上頂面和相應(yīng)的絕緣水箱內(nèi)部，可以實時測量其溫度，在三臺太陽能集熱器旁設(shè)置一個太陽輻射量計，可以測量日累計輻射量并顯示其太陽輻射曲線。

表4 三臺太陽能集熱器的技術(shù)參數(shù)

為保證太陽能熱水器在寒冷季節(jié)正常工作，在太陽能板的循環(huán)管中加入防凍液。保溫水箱放置在太陽能集熱器上方，統(tǒng)一采用溫差自然循環(huán)原理運行(熱液上升，冷液下降)。當(dāng)太陽能板從陽光中吸收熱量時，熱量被傳遞到太陽能板循環(huán)管中的防凍液中，加熱的防凍液上升到絕緣水箱的循環(huán)管道里，熱量被傳遞到保溫水箱中的水，冷卻的防凍液再次回流到太陽能板的循環(huán)管中，循環(huán)往復(fù)。以瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器為例，其工作原理如圖6所示。

圖6 瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器工作原理圖Fig.6 Schematic of porcelain-aluminum composite solar collectors

國家標(biāo)準GB 50364—2005明確規(guī)定[10]，當(dāng)日累計輻射量大于17 MJ/m2時，太陽能集熱器的日有效吸熱量應(yīng)大于7.0 MJ/m2。為精確測量三臺太陽能集熱器的熱性能，在選定的3 d內(nèi)，進行8 h連續(xù)動態(tài)實驗，測量時間為每天8:30至16:30。

所選3天環(huán)境溫度與太陽輻射值的瞬時變化曲線如圖7所示。結(jié)果表明，環(huán)境溫度與太陽輻射值的曲線基本趨于穩(wěn)定。這些參數(shù)沒有受天氣突變等偶然因素的影響，實驗數(shù)據(jù)具有可比性。

圖7 環(huán)境溫度與太陽輻射值瞬時變化曲線Fig.7 Instantaneous changing curves of the environmental temperature and solar radiation value

在三臺太陽能集熱器即雙板(銅或鋁)、瓷-鋁復(fù)合、銅鋁復(fù)合太陽能集熱器的保溫水箱中，所選3 d的水溫變化曲線如圖8所示。由圖可知，2019年4月8日，三個保溫水箱的初始水溫分別為27 ℃、27.1 ℃和27.3 ℃，8 h后的最終水溫分別為52.9 ℃、54.9 ℃和52.6 ℃。其中，瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器的升溫最高(27.8 ℃)，其次是雙板復(fù)合太陽能集熱器(25.9℃)，最低的為銅鉛復(fù)合太陽能集熱器(25.3℃)。根據(jù)熱量的公式：Q=C×M×ΔT，其中，Q為日有效吸熱量，C為水的比熱容，M為保溫水箱里水的質(zhì)量,ΔT為保溫水箱里水的溫升?？梢杂嬎愠?019年4月8日三臺太陽能集熱器的日有效吸熱量分別為7.61、8.17和7.35 MJ/m2。2019年4月8日、4月28日、5月13日三天的日累計輻射量分別為18.6、23.8、28.2 MJ/m2。三個太陽能集熱器在2019年4月8日的熱效率分別為40.9%、43.9%和39.5%。同樣，可以分別計算出三臺太陽能集熱器在2019年4月28日和5月13日兩天的日有效吸熱量和熱效率，三臺集熱器的日有效吸熱量和熱效率見圖9～10。在多云、陰、雨天氣條件下，實驗誤差可控制在0.1%以內(nèi)。其中熱效率為日有效吸熱量與日累計輻射量的比值。

圖8 三臺太陽能熱水器的水溫曲線Fig.8 Water temperature curves of three types of solar collectors

圖9 三臺太陽能集熱器的日有效吸熱量Fig.9 Daily effective endothermic quantity of three types of solar collectors

圖10 三臺太陽能集熱器的熱效率Fig.10 Thermal efficiency of three types of solar collectors

從以上數(shù)據(jù)可以看出，三臺太陽能集熱器的日有效吸熱量均符合國家標(biāo)準值，瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器的日有效吸熱量略高于其他兩臺太陽能集熱器，熱效率比其他兩臺集熱器高出約8.9%。

從圖8可以看出，從中午12點左右開始，瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器的升溫速度略快于其他兩臺集熱器。在陽光吸收率大致相等的條件下，這種現(xiàn)象與瓷-鋁復(fù)合太陽能板的結(jié)構(gòu)有關(guān)。瓷-鋁復(fù)合太陽能板不同于循環(huán)速度慢的雙板復(fù)合太陽能板和小孔徑的銅鋁復(fù)合太陽能板，其由大孔徑循環(huán)管組成，介質(zhì)流量大，循環(huán)速度快。

4 成本討論

評估太陽能板性能優(yōu)劣需要關(guān)注的因素包括陽光吸收率、制造成本、使用壽命和環(huán)境危害等。根據(jù)國家太陽能集熱器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢測，三臺太陽能集熱器的陽光吸收率基本相同。金屬平板太陽能集熱器的制造成本主要有以下三部分組成:配件材料成本(集熱器框架、鋼化玻璃、保溫材料、支架等)，太陽能板成本和循環(huán)管道成本[12]。三種太陽能集熱器的每平方米熱水器的配套材料及循環(huán)管的材質(zhì)用量和市場價格基本相同，其成本主要取決于太陽能板的材質(zhì)和吸熱涂層的生產(chǎn)工藝。與工序復(fù)雜的焊接工藝相比，一次擠壓成型工藝的制造成本相對較低。

由于金屬材料的腐蝕和吸熱涂層的老化，雙板復(fù)合太陽能板和銅鋁復(fù)合太陽能板的使用壽命一般不超過10年。陶瓷材料是一種成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無機非金屬材料，經(jīng)過厭水涂層處理的瓷-鋁復(fù)合太陽能板的使用壽命一般在10年以上。圖5中三臺太陽能集熱器的評價指標(biāo)如表5所示。

表5 三臺太陽能集熱器的評價指標(biāo)

5 結(jié)論

針對目前國內(nèi)外傳統(tǒng)太陽能集熱器存在的真空玻璃管真空度逐年下降、金屬管板材料不耐腐蝕、陽光吸熱涂層逐年老化、使用壽命比較短等技術(shù)難題，本文提出通過改變集熱板的生產(chǎn)工藝和吸熱涂層的制備技術(shù)等途徑，來提升集熱器的綜合性能，得出如下研究結(jié)論：

(1)區(qū)別于傳統(tǒng)太陽能集熱板的生產(chǎn)工藝，本研究采用型材擠出機將耐蝕鋁合金板材擠制成管板一體結(jié)構(gòu)的集熱板芯，解決了金屬板材不耐腐蝕的瓶頸難題，經(jīng)200 h加速耐鹽霧侵蝕實驗合格，使用壽命不低于10年；

(2)采用靜電噴涂、高溫固化等工藝生成了一種納米結(jié)構(gòu)吸熱涂層，解決了傳統(tǒng)吸熱涂層與基體板易脫落失效的缺點，實現(xiàn)了吸熱涂層的不衰減、不老化，陽光吸收率高達0.96；

(3)瓷-鋁復(fù)合太陽能集熱器的熱效率約為43.6%，高于傳統(tǒng)的太陽能集熱器，制造成本比傳統(tǒng)太陽能集熱器平均低約14%，可用于熱水、空調(diào)和室內(nèi)供暖等大面積太陽能集熱系統(tǒng)。

目前該技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并成功應(yīng)用于工程案例中，取得優(yōu)良的用戶體驗效果。瓷-鋁復(fù)合太陽能板能夠充分利用太陽能，滿足當(dāng)前太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，推廣利用前景廣闊，為我國新能源改革提供了新的道路和方法，對推動我國新舊動能轉(zhuǎn)換意義重大。