真空鍍膜平板太陽能集熱器應(yīng)用前景

摘要 本文主要介紹了平板太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)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(chǎn)環(huán)保等特點(diǎn)適合連續(xù)式工業(yè)化生產(chǎn)。作為建筑材料，實(shí)現(xiàn)太陽能利用與建筑相結(jié)合，是新一代太陽能集熱產(chǎn)品。 　　0 前言  　　在國際社會(huì)將二氧化碳、二氧化硫排放量的大小與國家對環(huán)境負(fù)責(zé)任形象直接相提并論的今天，節(jié)能減排已經(jīng)是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、生存環(huán)境是否可持續(xù)發(fā)展的大問題。發(fā)達(dá)國家的集熱能量使用數(shù)據(jù)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(tǒng)能源的日趨減少。因此，使用高效、環(huán)保、可替代煤炭、石油等傳統(tǒng)能源來獲取使用能量的技術(shù)，是目前亟待解決的問題。太陽能集熱技術(shù)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(zhuǎn)化為熱能來加熱其他使用介質(zhì)。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(huán)保性。太陽能必將成為未來世界能源舞臺(tái)的主角，逐步補(bǔ)充和最終替代傳統(tǒng)能源。使用太陽能集熱器是目前解決我國能源與環(huán)境問題的一個(gè)積極有效的輔助手段，平板太陽能集熱器更容易實(shí)現(xiàn)與建筑物相結(jié)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(jié)構(gòu)與工作原理 　　現(xiàn)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(jié)構(gòu)與建筑相結(jié)合。因此，國外一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)（北美、北歐、夏威夷等地區(qū)）平板太陽能集熱器占市場92%以上，作為建筑材料，實(shí)現(xiàn)太陽能利用與建筑相結(jié)合。平板太陽能集熱器已被廣泛應(yīng)用于生活用水加熱、泳池加熱、工業(yè)用水加熱、建筑物采暖與空調(diào)等諸多領(lǐng)域。 　　1.1 平板太陽能集熱器的結(jié)構(gòu) 　　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(jié)構(gòu)如圖1所示。集熱板芯采用銅鋁復(fù)合和全銅的材質(zhì)。銅鋁復(fù)合集熱板芯由銅鋁復(fù)合吸熱翼片與銅質(zhì)集熱管連接而成。這種翼片的特點(diǎn)在于兩面鋁板中間夾著銅管（排管），通過壓碾復(fù)合工藝，使銅鋁和銅銅之間緊密結(jié)合。而全銅集熱板芯由銅箔集熱板與布設(shè)在集熱板反面的銅質(zhì)流體介質(zhì)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(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽飨蚺殴芡ǖ乐械墓べ|(zhì)。這樣，從太陽能集熱器底部機(jī)關(guān)入口的冷工質(zhì)，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(zhì)，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(shí)，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環(huán)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(zhì)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(fā)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(shù)的發(fā)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(jīng)歷了從簡單噴涂到選擇性的硫化鉛、金屬氧化處理。從化學(xué)溶液鍍膜法到真空磁控濺射鍍膜法的更新?lián)Q代過程?；瘜W(xué)溶液鍍膜法是指在溶液中利用化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)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(xué)反應(yīng)沉積、陽極氧化、電鍍等。采用化學(xué)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(fù)雜、手工操作多，工藝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)控制不當(dāng)，廢液的處理容易造成一定程度的環(huán)境污染。 　　目前國外公司采用電子束蒸發(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮氧化鈦，最后在金屬（銅）帶上沉積冷凝而成涂層。生產(chǎn)的鈦系列TiNOx高選擇性鈦鍍層，該連續(xù)化生產(chǎn)線投資較大，涂層生產(chǎn)成本較高。由于這種集熱涂層主要生產(chǎn)在銅基體條帶上，制造平板太陽能集熱器板芯時(shí)需要對條帶進(jìn)行切割，還要在每個(gè)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(shù)的不足，我們采用真空磁控濺射技術(shù)、等離子監(jiān)控技術(shù)和離子表面活化技術(shù)，開發(fā)了在光亮的銅基片或者銅鋁復(fù)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(chǔ)上采用反應(yīng)濺射沉積兩層不同成分和金屬含量的鋁氮復(fù)合膜作為吸收層；最后是反應(yīng)沉積AIN和中頻濺射SiO2介質(zhì)增透、保護(hù)層的光譜選擇性吸收薄膜設(shè)備與工藝。產(chǎn)品經(jīng)國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，涂層的吸收率αs≥0.92～0.94,紅外發(fā)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(huán)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(yè)化生產(chǎn)。這一技術(shù)使我國平板太陽能集熱器的集熱涂層生產(chǎn)環(huán)?；?，使光熱轉(zhuǎn)換效率與國際高端產(chǎn)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(dāng)前太陽能集熱器光譜選擇性吸收膜層研究、生產(chǎn)和發(fā)展的主要方向。隨著我國對環(huán)境污染治理的深化，國家原則上已不審批新的化學(xué)溶液鍍膜生產(chǎn)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(nèi)外平板太陽能集熱器制備工藝中最先進(jìn)、最有發(fā)展、最環(huán)保的方法。 　　3 平板太陽能集熱器的應(yīng)用前景 　　隨著新能源的推廣和普及，以及科技的進(jìn)步和發(fā)展，太陽能熱利用與建筑相結(jié)合對太陽能熱水器技術(shù)要求越來越高，市場需求越來越迫切，真空管太陽能已經(jīng)逐漸無法解決其在建筑應(yīng)用中遇到的所有技術(shù)和質(zhì)量難題。這為平板太陽能集熱器的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。 　　3.1 平板太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢 　　 平板太陽能集熱器具有承壓性、雙循環(huán)系統(tǒng)、易于與建筑相結(jié)合、提供更多的生活熱水等技術(shù)優(yōu)勢。因此，在太陽能系統(tǒng)工程、分體式太陽能熱水器和對太陽能與建筑相結(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)、壽命、維護(hù)與建筑相結(jié)合等方面更具有優(yōu)勢。比如2008年北京奧運(yùn)會(huì)工程之一“奧運(yùn)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(diǎn)，提高光熱轉(zhuǎn)換效率和涂層的使用壽命，同時(shí)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(huán)保等特點(diǎn)，有利于太陽能集熱板芯真空鍍膜大批量工業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)一步降低成本，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。從測試結(jié)果可以看出，高效平板太陽能集熱器太陽能熱水系統(tǒng)的產(chǎn)水量要高于同等面積的真空管太陽能集熱系統(tǒng)的產(chǎn)水量。 　　 平板太陽能集熱系統(tǒng)一般采用回流排空技術(shù)、防凍技術(shù)，在北方地區(qū)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(shí)）系統(tǒng)過熱問題，這一特點(diǎn)對太陽能采暖系統(tǒng)非常有利。 　　3.2 國家的扶持政策 　　2008年國家出臺(tái)了太陽能熱水器鼓勵(lì)支持發(fā)展的政策，全國10多個(gè)省、市建委出臺(tái)了對12層以下房屋強(qiáng)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(xiāng)”是太陽能熱水器行業(yè)的一件大事，標(biāo)志著太陽能熱水器得到國家認(rèn)可，我國太陽能熱水器行業(yè)已邁入新的時(shí)代。太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”正式啟動(dòng)意味著太陽能熱水器行業(yè)得到了政策支持，太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”如一縷春風(fēng)，使整個(gè)行業(yè)煥發(fā)強(qiáng)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(fèi)新時(shí)代。因此，應(yīng)當(dāng)大力倡導(dǎo)發(fā)函太陽能這樣的可再生能源。 　　3.3 市場的應(yīng)用前景      《2010—2015年中國太陽能利用產(chǎn)業(yè)投資分析及前景預(yù)測報(bào)告》顯示，“2007年中國太陽能熱水器產(chǎn)量的增長速度約為30%，年產(chǎn)量達(dá)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(chǎn)值億元人民幣以上的企業(yè)有20多家。2008年我國太陽能熱水器行業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步快速發(fā)展。其中，產(chǎn)值達(dá)430億元，出口達(dá)1億美元。我國太陽能熱水器的年產(chǎn)量是歐洲的2倍，北美的4倍，現(xiàn)已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和最大的太陽能熱水器市場”。預(yù)計(jì)我國太陽能熱水器在近3年時(shí)間內(nèi)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(fā)以及太陽能與建筑相結(jié)合技術(shù)的日益完善，未來太陽能熱水器產(chǎn)品進(jìn)入住宅工程是必行之路。目前城鎮(zhèn)環(huán)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(huì)有越來越多的人使用太陽能集熱器，這是發(fā)展趨勢。我國太陽能熱水器的市場空間和產(chǎn)業(yè)規(guī)模都很大，未來發(fā)展十分樂觀。 　　4 結(jié)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(yōu)點(diǎn)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(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生任何環(huán)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(xù)式工業(yè)化。因此，是目前新一代太陽能集熱板產(chǎn)品。 　　平板太陽能發(fā)展至今天，技術(shù)上已日趨成熟，世界各國都力圖將太陽能與建筑相結(jié)合，尋求外形美觀、布局合理、管理規(guī)范的太陽能與建筑相結(jié)合的設(shè)計(jì)。平板太陽能集熱器作為建筑材料實(shí)現(xiàn)太陽能熱利用與建筑物相結(jié)合，有更強(qiáng)的國內(nèi)外市場競爭力和生命力。