平板太阳热水器集热涂层研究

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【摘 要】结合国内外太阳热水器的发展史，综述了平板太阳热水器集热涂层的种类、制备方法、发展现状，分析了涂层行业内存在的问题与发展瓶颈，对未来涂层的发展趋势进行预测，并阐述了涂层性能检测的相关标准。

【关键词】平板集热器；太阳能；涂层

【Abstract】Combing with home and abroad development of solar water heater； introducing the types of coating， preparation methods， development status of heat-absorbing coating of flat plate solar water heater； questions and bottlenecks in the future were analyzed and promised； Besides the performance test standards were introduced in the following.

【Key words】Flat；Collector；Solar；Coating

1 综述

太阳能作为一种可再生能源，可利用能量巨大。平板集热器主要由透过阳光的透明板、吸收太阳光并在管内传递载热体的吸热板、保护吸收的热量不致逸散的隔热材料及其保护外壳等四大构件组成[1-2]（如图1所示）。太阳光透过透明玻璃板照射到集热板上，集热板吸收太阳光把光能转变成热能，并把热能传导给贮热水箱内的水或导热介质，由于太阳能热水器的保温系统有效地减少了热量损失，从而使贮热水箱内的水温不断升高，达到了吸热与保温的效果[3-5]。

图1 平板集热器

2 涂层的选择性与种类

2.1 太阳能吸收涂层的选择性

太阳光辐射的能量主要分布在波长λ为0.25-2.5μm的光谱区内，即太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2-100μm的光谱区中，亦即主要在远红外区。为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料，这种材料必须满足以下两个条件：一是太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收率α；二是辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即尽可能低的发射率ε。由此可以看出，吸收率α和发射率ε是衡量选择性吸收材料好坏的两个重要参数。

2.2 涂层的种类

以α/ε为重要指标，太阳能吸热涂层总体上可分为非选择性涂层和选择性涂层两大类。非选择性吸热涂层的α/ε≤1；选择性吸热涂层的α/ε>1。下面对这两大类吸热涂层的研究现状进行综述[6-7]。

（1）非选择性涂层

黑板漆作为最原始的吸热涂层属于非选择性吸收涂层，其α/ε=1，它的耐侯性很差，尤其是在湿度很大的地区，更容易发生脱落，其使用寿命一般在一二年左右。因此应用不是很广泛，这里也就不再详述[8]。

（2）根据吸收原理和涂层结构的不同，选择性吸收涂层可分为体吸收型涂层、干涉型吸收涂层、金属陶瓷复合涂层、表面结构型吸收涂层四种[9]。

3 涂层的制备方法

吸收涂层的制备方法主要有以下五种，分别是涂料法、电镀法、电化学法、气相沉积法、真空镀膜法[10]，其中真空镀膜法和电化学法已经实现商业化。

3.1 涂料法

涂料法是一种发展比较早的制备方法，它是将具有光吸收选择性的粉体作为色素与粘结剂混合制成涂料，然后通过喷涂、浸沾、涂刷等方法将涂料涂在基板上。

3.2 电镀法

利用电镀的方法将具有光选择性吸收的金属镀在基板上。常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等，这些涂层均具有良好的光学性能。

3.3 电化学法

最常用的电化学法是将金属基板（Al、Cu、Fe等）放入含有磷酸的溶液中进行阳极氧化，使其表面产生一层多孔氧化物，然后放入某些金属盐溶液中，利用电解沉积在孔中沉积金属（Ni、Co、Mo等）。

3.4 气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是一种较传统而又应用广泛的化学镀膜方法，它将一种或多种化合物气化后，经过一定的化学反应，将所需的材料沉积在基板上，可以沉积单质膜、复合膜。

3.5 真空镀膜法

真空镀膜法是指利用真空蒸发和磁控溅射沉积单层或多层复合膜。如利用真空蒸发沉积Cr、Ni、PbS等薄膜；利用磁控溅射沉积Al2O3-Mo-Al2O3-SiO2、金属（Cr、Fe、Mo、Ni、Ta、W）碳化物、Al2O3-AlFeCu-Al2O3、Al-N、Ni-NiOx等薄膜。另外利用射频溅射的方法可以制备Ni-Al2O3、Mo-Al2O3、W-Al2O3、Au-MgO等薄膜）。

4 涂层国内外研究进展

我国从20世纪80年代开始加快了在太阳能吸热材料方面的研究，清华大学、北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性，适合应用在工作温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铝-氮/铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有很好的性能参数。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法，所研制的选择性吸收涂层材料也正朝多层化、梯度化发展，如备受重视的氮化铝选择性吸收涂层就是新一代吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看，光热转换材料的性能还可进一步提高，这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺，还可在涂层的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所利用全息照相技术在平板盖板表面上进行纳米结构处理，以增加太阳光透射率，减少太阳能的反射损失，从而使太阳能的热利用效率得到了进一步提高。

5 行业内存在的部分问题分析

目前吸热涂层的发展进入了多元化与精细化的发展阶段，存在的瓶颈性问题主要集中在以下几个方面：

（1）性价比高的吸收涂层相对较少；

（2）耐磨耐腐蚀高性能涂层较少；

（3）结合材料体系与玻璃盖板的涂层较少；

（4）有机类的吸热基底涂层发展受冷落。

综上可以看出，涂层的研究在材料的选择与工艺改进及辅助设施的协同性方面均存在发展的瓶颈，任何一处的突破均能在一定程度上改进太阳能集热器的集热效率。

6 平板集热器涂层未来的发展方向

吸收涂层在太阳光波峰值0.5μm附近产生强烈的吸收，在红外波段则自由透过，并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。从室内保温涂层到太阳镜上的防反涂层等，这些技术将集热器的效率提高了近5%。从最近众多的纳米技术的研究成果来看，涂层技术将获得更加长足的发展。理想的涂层除了应具备良好的光学选择性外，还应该满足光学性能长期稳定、耐候性强、价格低廉、形成涂层工艺简单、材料供应充足和对环境无污染等条件。常用的涂层并不能全部满足这些条件。问题主要集中在光学性能、成本和制取工艺上。

预计未来涂层的研发方向主要有以下几个方面：（1）高吸收比，耐腐蚀，具有良好机械性能的涂层；（2）经济实用，成本低，效果佳的涂层；（3）生产工艺简单，便于大规模生产和推广的涂层。

7 结论

综述国内外太阳热水器的发展状况，研究了平板太阳热水器的结构，重点对集热器涂层的种类、制备方法、发展现状进行了全面原理性的概述，同时分析了整个涂层行业内存在的问题与发展瓶颈，并瞻望未来集热器涂层的发展方向，最后总结了涂层性能检测的相关标准和不同厂家产品耐盐雾的情况。通过对比和分析可以看出，高性能涂层和经济型涂层将会是今后发展的重点，二者会在一定时间内共存，随着环保意识的提高和节能意识的加强，无污染高性能的涂层将会占据市场的主导。

【参考文献】

[1]慧烈.蜂窝热管平板式太阳能热水器的研究[M].浙江大学学位论文，2002.

[2]张媛王，景良，朱天利.太阳能热水器的发展前景[J]. 天津建设科技，2004，4，33-36.

[3]李立明.太阳能选择性吸收涂层的研究进展[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2009，1（14）：7-11.

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

[5]吕坤，王海英，董华.太阳能选择性吸收涂层的现状及发展[J].中国涂料，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.

[7]KENNED，PRICE H.Progress in development of high-temperature solar-selective coating[C].American Society of Mechanical Engineers.International Solar Energy Conference，Solar Engineering.2005.

[8]苏畅，邓纶浩，何柳.太阳能吸热涂层的研究现状[J].电镀与环保，1999，19（5）：3-8.

[9]ANDERSSON A.Nickel pigmented anodic aluminum oxide for selective absorption of solar energy[J].J Appl 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.