平板太陽熱水器集熱涂層研究

刁夢怡 李銀銀

（1.萊蕪市第一高級中學，山東 萊蕪 271100；2.青島海爾空調電子有限公司，山東 青島266101）

1 綜述

太陽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陽光的透明板、吸收太陽光并在管內傳遞載熱體的吸熱板、保護吸收的熱量不致逸散的隔熱材料及其保護外殼等四大構件組成[1-2]（如圖1所示）。太陽光透過透明玻璃板照射到集熱板上，集熱板吸收太陽光把光能轉變成熱能，并把熱能傳導給貯熱水箱內的水或導熱介質，由于太陽能熱水器的保溫系統有效地減少了熱量損失，從而使貯熱水箱內的水溫不斷升高，達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 太陽能吸收涂層的選擇性

太陽光輻射的能量主要分布在波長λ為0.25-2.5μm的光譜區內，即太陽輻射能主要分布在可見光和近紅外區，而物體受熱發生黑體輻射的能量主要分布在波長為2-100μm的光譜區中，亦即主要在遠紅外區。為了能夠充分利用太陽能，人們設計出了選擇性吸收的太陽能涂層材料，這種材料必須滿足以下兩個條件：一是太陽光譜內的吸光程度高，即有盡可能高的吸收率α；二是輻射波長范圍內有盡可能低的輻射損失，即盡可能低的發射率ε。由此可以看出，吸收率α和發射率ε是衡量選擇性吸收材料好壞的兩個重要參數。

2.2 涂層的種類

以α/ε為重要指標，太陽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。下面對這兩大類吸熱涂層的研究現狀進行綜述[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，更容易發生脫落，其使用壽命一般在一二年左右。因此應用不是很廣泛，這里也就不再詳述[8]。

（2）根據吸收原理和涂層結構的不同，選擇性吸收涂層可分為體吸收型涂層、干涉型吸收涂層、金屬陶瓷復合涂層、表面結構型吸收涂層四種[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、電化學法、氣相沉積法、真空鍍膜法[10]，其中真空鍍膜法和電化學法已經實現商業化。

3.1 涂料法

涂料法是一種發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劑混合制成涂料，然后通過噴涂、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在基板上。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性能。

3.3 電化學法

最常用的電化學法是將金屬基板（Al、Cu、Fe等）放入含有磷酸的溶液中進行陽極氧化，使其表面產生一層多孔氧化物，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

化學氣相沉積法(CVD)是一種較傳統而又應用廣泛的化學鍍膜方法，它將一種或多種化合物氣化后，經過一定的化學反應，將所需的材料沉積在基板上，可以沉積單質膜、復合膜。

3.5 真空鍍膜法

真空鍍膜法是指利用真空蒸發和磁控濺射沉積單層或多層復合膜。如利用真空蒸發沉積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 涂層國內外研究進展

我國從20世紀80年代開始加快了在太陽能吸熱材料方面的研究，清華大學、北京太陽能研究所等單位先后研制出一系列優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/鋁太陽光譜選擇性吸收涂層也具有很好的性能參數。近來國內外在制備工藝上主要利用電化學和磁控濺射方法，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。從目前已達到的水平來看，光熱轉換材料的性能還可進一步提高，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。如德國某研究所利用全息照相技術在平板蓋板表面上進行納米結構處理，以增加太陽光透射率，減少太陽能的反射損失，從而使太陽能的熱利用效率得到了進一步提高。

5 行業內存在的部分問題分析

目前吸熱涂層的發展進入了多元化與精細化的發展階段，存在的瓶頸性問題主要集中在以下幾個方面：

（1）性價比高的吸收涂層相對較少；

（2）耐磨耐腐蝕高性能涂層較少；

（3）結合材料體系與玻璃蓋板的涂層較少；

（4）有機類的吸熱基底涂層發展受冷落。

綜上可以看出，涂層的研究在材料的選擇與工藝改進及輔助設施的協同性方面均存在發展的瓶頸，任何一處的突破均能在一定程度上改進太陽能集熱器的集熱效率。

6 平板集熱器涂層未來的發展方向

吸收涂層在太陽光波峰值0.5μm附近產生強烈的吸收，在紅外波段則自由透過，并借助于底層的高紅外反射特性構成選擇性涂層。從室內保溫涂層到太陽鏡上的防反涂層等，這些技術將集熱器的效率提高了近5%。從最近眾多的納米技術的研究成果來看，涂層技術將獲得更加長足的發展。理想的涂層除了應具備良好的光學選擇性外,還應該滿足光學性能長期穩定、耐候性強、價格低廉、形成涂層工藝簡單、材料供應充足和對環境無污染等條件。常用的涂層并不能全部滿足這些條件。問題主要集中在光學性能、成本和制取工藝上。

預計未來涂層的研發方向主要有以下幾個方面：（1）高吸收比，耐腐蝕，具有良好機械性能的涂層；（2）經濟實用，成本低，效果佳的涂層；（3）生產工藝簡單，便于大規模生產和推廣的涂層。

7 結論

綜述國內外太陽熱水器的發展狀況，研究了平板太陽熱水器的結構，重點對集熱器涂層的種類、制備方法、發展現狀進行了全面原理性的概述，同時分析了整個涂層行業內存在的問題與發展瓶頸，并瞻望未來集熱器涂層的發展方向，最后總結了涂層性能檢測的相關標準和不同廠家產品耐鹽霧的情況。通過對比和分析可以看出，高性能涂層和經濟型涂層將會是今后發展的重點，二者會在一定時間內共存，隨著環保意識的提高和節能意識的加強，無污染高性能的涂層將會占據市場的主導。

［1］慧烈.蜂窩熱管平板式太陽能熱水器的研究[M].浙江大學學位論文,2002.

［2］張媛王,景良,朱天利.太陽能熱水器的發展前景[J].天津建設科技,2004,4,33-36.

［3］李立明.太陽能選擇性吸收涂層的研究進展[J].粉末冶金材料科學與工程,2009,1(14)：7-11.

［4］MACDONALD R.Components for a Low Cost Integrated Silicon Optical Receiver[M].Carleton University,2001：2.

［5］呂坤,王海英,董華.太陽能選擇性吸收涂層的現狀及發展[J].中國涂料,2003(4)：36-38.

［6］MUKHOPADHYAY,MUHAMMAD S.Calculation of the effective permeabilities of field-scale porous media[J].Chemical Engineering Science,2000,55(20)：4495-4513.

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［8］蘇暢,鄧綸浩,何柳.太陽能吸熱涂層的研究現狀[J].電鍍與環保,1999,19(5)：3-8.

［9］ANDERSSON A.Nickel pigmented anodic aluminum oxide for selective absorption of solar energy[J].JAppl Physics,1980,51(1)：754-764.

［10］ZHANG Q C,ZHAO K,ZHANG B C,et al.New cermet solar coatings for solar thermal electricity applications[J].Solar Energy,1998,64(1/3)：109-114.