分析太陽能集熱器用鋼化玻璃透明蓋板工藝

本文針對現(xiàn)有技術(shù)中鋼化玻璃透明蓋板缺陷，采用化學(xué)鍍方法，提出了一種具有多層鍍層新型太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板。透明蓋板可采用以下原料和工藝步驟制備而成：1. 準(zhǔn)備10mm低鐵鋼化玻璃板，并進(jìn)行清潔； 　　0引言 　　太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)即太陽能集熱技術(shù)是太陽能利用主要技術(shù)之一，主要應(yīng)用于太陽能熔爐，太陽能干燥器，太陽能集熱器等。其中，太陽能集熱器正得到廣泛的應(yīng)用，尤其是平板集熱器與建筑相結(jié)合更受青睞。 　　平板型太陽能集熱器是太陽能低溫?zé)崂没酒骷?，已?jīng)廣泛應(yīng)用于生活熱水、加熱、潛泳池加熱、工業(yè)用水加熱、建筑物采暖等。 　　基本部件包括：吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等。透明蓋板主要作用在保證太陽輻射有效透過前提下保護(hù)吸熱板，以防灰塵、雨雪等侵蝕吸熱板導(dǎo)致?lián)p壞。用于制造透明蓋板的材料主要有兩大類：玻璃鋼板和鋼化玻璃。玻璃鋼板基本結(jié)構(gòu)為玻璃纖維增強(qiáng)透明樹脂板，雖導(dǎo)熱率小，但樹脂基材在長期光照下易老化，導(dǎo)致樹脂材料降解，不僅影響其力學(xué)性能，也導(dǎo)致玻璃鋼板變黃、透光效率降低。 　　鋼化玻璃多選用低鐵鋼化玻璃，其透光性好、耐候性強(qiáng)。但玻璃材料導(dǎo)熱率高，難以將熱能保存于太陽能集熱器內(nèi)部，導(dǎo)致太陽光集熱器光-熱轉(zhuǎn)換效率降低；另一方面，普通硅酸鹽基玻璃耐磨性、耐腐蝕性差，難以抵御灰塵刮磨和雨水中酸堿物質(zhì)對其腐蝕，結(jié)果也是導(dǎo)致透明蓋板透光效率降低。 　　本文針對現(xiàn)有技術(shù)中鋼化玻璃透明蓋板缺陷，采用化學(xué)鍍方法，提出了一種具有多層鍍層新型太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板。通過在鋼化玻璃上增加一層鎳磷合金鍍層，不僅可以有效提高鋼化玻璃耐磨性、耐腐蝕性等性能，同時顯著降低具有該鍍層鋼化玻璃導(dǎo)熱率，有效抑制太陽能集熱器內(nèi)部熱能通過透明蓋板散失。 　　1太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板制作工藝流程 　　化學(xué)鍍鎳磷合金采用常規(guī)化學(xué)鍍方法，傳統(tǒng)化學(xué)鍍配方包括硫酸鎳、磷酸二氫鈉添加劑、穩(wěn)定劑等，一般在(55℃-70℃)±2℃、pH5.0-6.5條件下實(shí)現(xiàn)。鍍層厚度可通過化學(xué)鍍時間和鍍層原料周期性補(bǔ)加方式實(shí)現(xiàn)，一般化學(xué)鍍時間為0.5h-2.5h，鍍液原料周期性補(bǔ)加2次-8次。 　　隔熱層厚度對于平衡透光性和導(dǎo)熱率至關(guān)重要。鍍層過厚，盡管導(dǎo)熱率上升，但透光性也隨之下降；鍍層厚度不足，難以有效降低鋼化玻璃導(dǎo)熱率。鍍層厚度一般應(yīng)控制在8μm-22μm、優(yōu)選9μm-18μm、進(jìn)一步優(yōu)選10μm-12μm。 　　隔熱層中，鎳磷鍍層優(yōu)選通過刻蝕方法形成多個獨(dú)立區(qū)間，在隔熱層之上再覆蓋表層，部分表層材料可與鋼化玻璃基底直接接觸，從而將鎳磷鍍層分割為多個獨(dú)立區(qū)間，不僅提高鍍層牢固性，也保證鍍層個別區(qū)間遭到破壞后與區(qū)間依然可以維持封閉狀態(tài)，從而延長鍍層的壽命。間隙可通過將隔熱層完全刻蝕形成，間隙寬度優(yōu)選0.5-1.5μm，所述蝕刻可使用本領(lǐng)域常用的方法，例如全息激光蝕刻(HLE)、濺射與離子束銑蝕(SIME)、高壓等離子刻蝕(HPPE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等。 　　表層位于隔熱層相反與玻璃鋼板基底的一側(cè)，起到保護(hù)隔熱層、同時降低鋼化玻璃自爆率作用。其構(gòu)成材料包括等離子體聚合物層，具體可以為類金剛石玻璃(DLG)或類金剛石碳(DLC)。 　　類金剛石玻璃(DLG)是由碳和硅構(gòu)成無定形態(tài)玻璃，可任選含有諸如氫、氮、氧、氟等雜原子；類金剛石碳(DLC)主要由碳原子和氫原子構(gòu)成。DLG和DLC分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的剛性、耐磨性和耐腐蝕性，即使使用非常薄的鍍層也能有效防止沙塵刮花鋼化玻璃或酸堿對玻璃鋼板的腐蝕。DLG和DLC層的制備方法可依據(jù)美國專利US2007/0020451A1中所公開的方法實(shí)施。表層可包含一層DLG或DLC，也可為DLG和DLC交替形成多層表層。表層厚度優(yōu)選100nm-300nm、進(jìn)一步優(yōu)選150nm-200nm。 　　1.2 太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板制備方法 　　太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板可通過如下步驟制備： 　　1.對鋼化玻璃進(jìn)行清潔； 　　2.在鋼化玻璃上通過化學(xué)鍍的方法形成鎳磷鍍層，即為隔熱層； 　　3.對隔熱層進(jìn)行蝕刻，將隔熱層分割為多個相互獨(dú)立的區(qū)間； 　　4.在隔熱層的上方生成表層。 　　其中，化學(xué)鍍液的配方為NiSO4·6H2O 25g/L、NaH2PO4 25g/L、乙酸鈉15g/L、穩(wěn)定劑5mg/L，工藝溫度55℃-70℃，pH 5.0-6.5，化學(xué)鍍時間為0.5h-2.5h，鍍液原料周期性補(bǔ)加2-8次。 　　2性能實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 　　實(shí)驗(yàn)采用自制鋼化玻璃蓋板，根據(jù)單一變量原則，設(shè)置兩組對比實(shí)驗(yàn)，采用BTC-3型可見光透射率測試儀測定透明蓋板透光率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下： 　　1. 準(zhǔn)備10mm低鐵鋼化玻璃板，并進(jìn)行清潔； 　　2. 在低鐵鋼化玻璃上形成厚度為11μm 的鎳磷鍍層，化學(xué)鍍液的配方為NiSO4·6H2O25g/L、NaH2PO425g/L、乙酸鈉15g/L、穩(wěn)定劑5mg/L，具體工藝條件為溫度60℃、pH為5.5，化學(xué)鍍時間1.5h，周期性補(bǔ)加鍍液原料4次，即得到隔熱層； 　　3. 以高壓等離子刻蝕(HPPE)對隔熱層進(jìn)行蝕刻，將隔熱層分割為多個相互獨(dú)立區(qū)間，各區(qū)間的間隙控制在1滋m； 　　4.在隔熱層上方生成表層，在隔熱層上依次形成一層類金剛石碳層3-1和一層類金剛石玻璃層3-2，兩層的厚度均控制在90nm，表層總厚度為180nm。 　　實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，使用相同材質(zhì)的20mm 低鐵鋼化玻璃，其余與步驟相同。 　　對比例1，采用相同材質(zhì)的10mm低鐵鋼化玻璃，僅進(jìn)行實(shí)施例1的步驟(1)和(4)。 　　對比例2，采用相同材質(zhì)的20mm低鐵鋼化玻璃，僅進(jìn)行實(shí)施例1的步驟(1)和(4)。 　　采用BTC-3型可見光透射率儀器，通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測定法測定透明蓋板導(dǎo)熱系數(shù)U值，結(jié)果列于表1。 　　通過表1測試數(shù)據(jù)可知：通過使用隔熱層，同樣材質(zhì)的10mm 厚鋼化玻璃透明蓋板在透光率略微降低(降低0.56%)的情況下，其導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低(降低1.79%)，達(dá)到甚至超過20mm不具備隔熱層鋼化玻璃透明蓋板對應(yīng)性能，從而有效抑制太陽能集熱器內(nèi)部熱能通過透明蓋板散失。以20mm厚鋼化玻璃為基材，盡管可以獲得更低導(dǎo)熱系數(shù)的透明蓋板，但其透光率顯著下降。 　　3結(jié)論 　　通過采用化學(xué)鍍方法，在鋼化玻璃上增加一層鎳磷合金鍍層，設(shè)計了一種具有多層鍍層新型太陽能集熱器鋼化玻璃透明蓋板。對比實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：通過增加隔熱層，可以使用厚度較低的鋼化玻璃來制備透明蓋板，從而在保證透光率的前提下有效提高透明蓋板隔熱性，最終提高太陽能集熱器的光- 熱轉(zhuǎn)換率、降低產(chǎn)品重量、便于運(yùn)輸和安裝。