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平板型太阳能集热器吸收与透过材料的进展 太阳能联盟网 www. 时间:2012-07-15 01:10 字号: 大 中 小 已有(0)人评论 我也要投稿 内容摘要：摘要本文综述了平板型太阳能集热器吸收与透过材料的目前状况和发展情况，让人们对平板型太阳能集热器吸收与透过材料的发展状况有了一定的了解。本文对提高平板型太阳能集热器集热效率有参考作用。
0前言 平板型太阳集热器结构简单、运行可靠、成本低廉，与真空管太阳能集热器相比它还具有承压能力强、吸热面积大等特点。是太阳能与建筑相结合的最佳集热器类型之一。众所周知，由于太阳能热利用技术的进步和市场产品竞争的激烈，平板太阳能集热器产品正面临着严峻的考验，只有依靠不断的技术进步，提高产品性能，才能使平板太阳能集热器产品在激烈的市场竞争中立于不败之地。 为了提高太阳能集热器的集热效率，唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损，采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径。本文就近年来平板太阳能集热器选择性吸收涂层、减反射玻璃涂层等技术的进展与应用情况分别加以介绍，图1是平板太阳能集热器吸收涂层和减反射玻璃涂层的进展与应用过程。 1平板太阳能集热器选择性吸收涂层技术 1.1平板太阳能集热器选择性吸收涂层技术的发展过程 我国对选择性吸收材料的研究工作已有20年的历史，太阳能集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。期间经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高，目前我国平板太阳能集热器吸收表面主要采用铝条带阳极化着色和铜条带黑铬选择性涂层，使其具有较好的选择性。然而由于表面干涉作用容易造成色差而影响集热器外观。间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的，基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差，不适于平板太阳能集热器的使用。 20世纪90年代末期，随着环保要求的提高，发达国家已明令禁止进口和使用污染严重的采用电化学方法生产的吸收涂层。一些以生产平板太阳能集热器为主的欧洲国家开始研究选择性吸收涂层镀膜生产技术。其中以德国为代表，在金属卷带上连续沉积金属陶瓷吸收涂层，慕尼黑大学Scholkopt采用e-Benm电子束蒸发的方法在金属条带上连续沉积TiNOx选择性吸收涂层,α=0.95,ε（100°C）=0.06。该涂层具有较高的耐湿耐温性能，已被广泛应用于平板太阳能集热器的生产之中，由于采用真空镀膜方法生产的涂层无论性能及外观方面比化学方法生产的涂层都有很大改善，所以被称为新一代的集热器产品。 由于技术、成本等诸因素的限制，我国刚刚开始耐候性涂层真空镀膜生产技术的研究。北京市太阳能研究所研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物，为实现该膜层的生产，研制了一台三靶磁控溅射真空镀膜机并成功地进行了中试。通过小批量试生产制备出合格产品用于平板太阳能集热器，为生产平板太阳能集热器吸热涂层的换代产品，提高平板太阳能集热器的质量打下了基础。 1.2耐候性太阳光选择性吸收表面材料的选择及膜系设计 根据太阳光选择性吸收的原理，选择性吸收材料可大致分为以下几种类型：具有本征特性的选择性吸收材料、多层膜、不均匀粒子膜、表面微孔穴。目前，作为耐候性选择性吸收表面研究最多的金属陶瓷(cermet)薄膜，属于不均匀粒子膜。所谓粒子膜是指介质不是由块体构成，像岛状结构膜那样，粒子像岛屿一样分散在基体介质中。 所谓“不均匀”指的是垂直于介质深度方向z的(x、y)面内介质的复折射率N(z)发生微观变化。将金属粒子分散在陶瓷介质基体中形成的金属陶瓷复合薄膜即属于这种情况。 金属陶瓷选择性吸收表面具有良好的耐热稳定性。其耐湿性取决于金属粒子以及介质基体。A12O3、MgO、SiO2在可见区折射率<2，是理想的介质基体材料。此外，某些金属氮化物和碳化物如AlN、TiN、TiC、SSC等也可以用作介质基体。某些过渡元素金属粒子如Pt、W、Co、Ni、Mo、Cr等在整个太阳能区域具有理想的“k”值，由这些材料组成的金属陶瓷复合薄膜对可见近红外具有吸收性，对红外则具有透射性，符合作吸收表面的条件。 A12O3为基体的金属陶瓷膜热稳定性强，光学性能优异。但是由于制备过程中需要射频溅射技术，相对直流溅射技术而言设备复杂、生产效率低，因而使得涂层成本昂贵，给推广应用带来一定困难。为了解决这一问题，在原有渐变(GRI)铝氮铝涂层研究的基础上采用了以AlN为介质基体的金属陶瓷选择性吸收涂层。采用直流反应溅射沉积AlN介质并用直流共溅射的方法将不锈钢(SS)金属粒子注入介质基体，代替原介质中的金属铝粒子来提高涂层的耐腐蚀能力。由于采用了直流溅射技术提高了溅射速率，使得膜层成本大幅度降低。 由介质-金属-介质交替组成的干涉膜系是一种理想的选择性吸收表面结构，图3为SS底材上沉积A1N-SS-AlN涂层的光谱反射特性。可以看出随着涂层堆垛层数的增加，涂层反射率曲线的直立特性不断向长波方向移动。 由金属陶瓷复合材料组成的选择性吸收复合膜中金属粒子体积分数f和膜层光学厚度d对膜层的光学性能起着重要的作用。为了提高涂层的抗腐蚀能力，采用双层干涉吸收的膜层结构。在膜层外表面加一层致密的AlN介质层(4)，使其一方面起到减反射的作用，同时将吸收层保护起来，起到防腐的作用，得到满意的选择性吸收效果。双吸收层结构如图4所示。 1.3平板太阳能集热器选择性吸收涂层技术的发展方向 目前，发达国家尤其是欧洲发达国家，选择性吸收涂层的生产主要有两个特点，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀方式。如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的，在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产。年生产能力为十几万㎡，产品的光学性能及耐候性都很理想，价格约10欧元／㎡左右。此外，德国几家生产选择性涂层的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD都是采用真空方法和连续生产方式进行吸收涂层生产的。INTERPANE采用多室中频磁控溅射的方法连续生产，生产设备刚刚由水平方式改造为垂直折反方式，减少了空间占用，同时还减少了溅射过程中杂质颗粒的污染，新设备的生产能力也大大地提高了。 TIN0X采用电子束蒸发技术，在铜基材上沉积吸收膜，生产设备则是单真空室卷绕式。镀膜沉积速率很快，设备占地面积较小，设备已更新了3代，目前第3台设备生产能力又有了成倍的增加。涂层材料是氮氧化钛加二氧化硅减反射膜，涂层光学性能较好，使用过程中变色现象明显。价格在100元／㎡左右。 ALANOD公司是世界上最大的铝材表面处理的公司，其市场份额占世界的60％以上。其中高性能太阳能反射板即是该公司的产品。目前该公司意欲加入太阳能热利用领域，已将反射板生产线加以改造使之满足吸收涂层的生产。该公司采用PVC技术在铝材表面沉积吸收膜，铝吸热板与铜管采用激光焊接的方法。目前尚未正式投入生产。 2平板太阳能集热器高太阳透过率盖板材料 平板太阳能集热器吸热面积等于透光面积也等于散热面积，为了减少能量的损失，要求它的盖板材料透过可见光而不透过红外线，这样才能使进去的能量大于散失的能量，提高吸热板的温度。目前国内外采用的盖板材料主要有钢化玻璃、丙烯酸甲酯和玻璃钢3种，应用最广的是钢化玻璃。 国内过去常用的盖板材料是普通平板玻璃，由于含铁量高，全光透过率很低(3mm厚度一般均在80％以下)，远远低于国外玻璃；而且由于强度低，很容易破碎，给集热器生产和用户使用带来很大不便。目前国外高质量太阳能集热器大多采用高透过率的低铁玻璃，从而使集热器的性能得到了明显的提高。近年来，随着薄膜技术的发展，减反射涂层开始在盖板材料上得到了应用。 众所周知，当光线通过玻璃时，在玻璃的两个表面产生反射作用。每个表面大约4％左右，再加上l％左右的吸收，低铁玻璃的透过率大约在91％。如图5所示。 光线由空气(折射率=1)进入玻璃(折射率=1．5)时在界面产生反射。根据光线的干涉原理，在玻璃与空气之间加一层低折射率的介质膜(例如二氧化硅)，并控制其光学厚度即可产生相消干涉作用，使反射作用降到最低。 丹麦Sunarc公司生产的双面减反射低铁玻璃可使玻璃反射率从8%降低到3%，使其透过率高达96%。 将该玻璃用于平板太阳能集热器的盖板可将集热器效率提高4％。 在欧洲，越来越多的公司开始采用减反射低铁玻璃作为平板太阳能集热器的盖板材料。 责任编辑：Sally |
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