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针对太阳能热水器集热涂层现状,分析存在问题及发展趋势

发布时间:2020-01-08 17:41

  摘要:本论文结合国内外平板太阳能集热器选择性吸收涂层的发展历史,综述了平板太阳能热水器集热涂层的种类、制备方法及发展现状。分析了涂料行业存在的问题和发展瓶颈。展望了涂料未来的发展趋势。介绍了涂层性能检测的相关标准

  关键词:平板型集热器:太阳能:选择性吸收;涂层

  引言

  任何一个国家的发展都与能源的开发利用密切相关。没有能源,世界经济的发展只能是空话。一个国家的能源消耗越大,经济就越发达。它是一个国家经济发展的重要指标。常见的能源有石油、天然气、煤等。,但它们是不可再生能源。据世界能源和中国能源统计,一些专家预测,未来几年,全球对一次能源的需求相当于137.49亿吨石油[ 1 ]。这些不可再生能源将在不久的将来耗尽。为了自身的发展,人类疯狂和不受控制地开采化石燃料,化石燃料数据急剧下降。石油寿命只有40年,天然气将在60年内耗尽,煤将在220年后消失在[。化石燃料不仅数量有限,而且最重要的是化石燃料的使用会导致环境退化,影响我们的正常生活。前中央记者柴静在穹顶下拍摄,暴露了当前严峻的环境。雾霾、温室效应、PM2.5等概念已经被我们的生活所包围。为了解决严重的能源问题,许多专家致力于新能源的研究与开发。太阳能、风能、氢能、生物质能等绿色新能源一直是科学研究的热点,不仅如此,而且许多科学家也将高新技术与新能源的发展结合起来,取得了一定的成果。例如,利用高端技术结合小的正、负物质,组合过程将释放出巨大的能量;氢原子从高能能级轨道跃迁到低能级轨道运动;合成“氦- 3”同位素,可发射无污染的能量等。目前,在新能源的开发和利用,中国的理论基础和技术创新仍无法跟上世界的步伐,但随着人类的进步,科学技术的发展,人们越来越关注环境问题,中国的新能源的开发和利用技术有快速的进步,新能源是时代的呼唤,人类的需求。发展可再生、无污染的能源,对促进国民经济和社会文明的发展起着举足轻重的作用。取之不尽、用之不竭的清洁能源太阳能,广泛分布于世界各国,无需管道运输。此外,太阳能巨大,相当于1.3万亿吨煤炭能源。无论是发达国家还是落后国家,只要太阳能资源充足,就可以收集和利用,减少化石燃料的使用,减少对环境的危害。太阳能分散在世界各地,所以太阳能的利用不受地理位置的影响,任何人、任何国家,这些独特的优势都已在世界各地得到公认。太阳能作为世界上最清洁的可再生能源,可以被收集起来,然后将光能转换成其他形式的能源加以利用,其中将光能转换成热能的形式最广泛使用的是,其技术相对成熟,太阳能收集器是将光能转换成热能的最佳例子。太阳能集热器的核心部件是吸热板。吸热器的主要功能是将吸收的太阳光转化为热能,并将热能以热传导的形式传递给工作介质,因此吸热板材料通常由导热系数高的金属材料制成。金属材料对太阳光具有很强的反射率。为了吸收更多的太阳光,人们经常在吸热板上涂覆选择性太阳能吸收涂层,以提高太阳能的利用率。研究太阳能选择性吸热涂层及其热性能分析在集热器应用中具有重要价值。

  第1章 选择性吸收涂层的研究进展

  20世纪80年代以来,我国加快了太阳能吸热材料的研究。清华大学和北京太阳能研究所已经研制出一系列优良的选择性涂层材料。制备的黑色钴选择性吸收涂层光谱选择性好,适用于工作温度较高的真空集热管。制备的全玻璃真空管铝氮铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有良好的性能参数。近年来,制备技术主要是基于电化学和磁控溅射的方法。所开发的选择性吸收涂层材料也在向多层和梯度方向发展。例如,选择性氮化铝涂层是新一代吸热涂层的代表。从目前的水平来看,光热转换材料的性能可以得到进一步的提高,这就要求人们不仅要探索新材料和新工艺,而且要在镀膜玻璃板表面制造物品。例如,德国一家研究院利用全息技术在平面罩面上进行纳米结构处理,提高了太阳光的透过率,降低了太阳能的反射损耗,从而进一步提高了太阳能热利用效率。事实上,太阳能热转换是世界上最受欢迎和最重要的太阳能利用形式之一。中国已成为世界上生产太阳能热水器最多的国家。同时还拥有世界上最大的太阳能热水器市场。预测太阳能热水器将是太阳能利用的一种不可替代的形式。目前,我国正在大力推进节能减排,如何实现太阳能热水器与建筑的一体化是目前最受关注的问题,平板太阳能热水器和建筑一体化的优势将受到重视。

  第2章 选择性吸收涂层的分类

  1955 年 Tabor首先在1955提出的太阳能选择性吸收涂层的概念,太阳能选择性吸收涂层需要紫外-可见-近红外光谱的波具有较低的反射率,波的远红外光谱具有较高的反射率,即在太阳能聚集的光谱范围内实现更大的吸收,同时减少吸收波长的发射。理想的太阳能选择性吸收涂层具有可见近红外光谱区的零反射率和远红外光谱区的一个反射率,即选择性涂层100%吸收可见可见近红外光谱区内的太阳辐射能量。

  2.1收型涂层

  这种涂层是由半导体材料或是过度金属构成。半导体和过渡金属有一个禁带宽度 Eg,它与截止波长λ 的关系如下:λ(μm)=1.24/Eg (ev) (1-1)

  小于截止波长的太阳电磁波可以激发半导体和过渡金属价带电子跃迁到导带,引起电子与晶格粒子碰撞,使光能转化为热能,大于截止波长的太阳电磁波能量不足以使价带电子能级跃迁,这些电磁波不会被材料吸收因此,对应于半导体和具有选择性吸收特性的过渡金属的禁带宽度的截止波长应当在太阳辐射能量集中的波长范围内,即 0.3 ~ 2.5 μm范围内。按照公式(1-1)计算可以得出,只有半导体的禁带宽度在 0.5 ev ~1.26 ev,对应的截止波长在 1.0 μm ~ 2.5 μm范围内才能作为选择性吸收涂层的材料。黑铬、黑镍、氧化铜、氧化铁黑是本征吸收型涂料。如果带隙与光子能量不匹配,即带隙变小或变大,则可以通过掺杂改变带隙。等效介质理论是基于宽禁带半导体材料的掺杂。当电介质与纳米金属结合时,我们可以认为这种材料是均匀的材料。如果材料的宽度与光子的能量不匹配,即带隙的宽度更小或更大。通过掺杂可以改变半导体的禁带宽度。等效介质理论旨在掺杂大禁带宽度的半导体材料。当电介质与纳米级金属结合时,它可以被认为是均匀的材料。

  2.2吸收涂层

  该涂层由非吸收介质膜和吸收复合膜和金属基材组成。它的工作原理是光的干涉原理。涂层表面层状结构界面上的反射光和投射光相互干扰,促进了涂层在短波谱范围内的吸收,降低了涂层在长波光谱范围内的发射。薄膜层数越多,涂层的吸收率越高,但发射率也随着增加而增加。为了获得最佳的吸收状态,控制各层的厚度是一个关键因素。干涉吸收涂层不适用于高温应用涂膜与膜之间的颗粒会由于高温扩散而干扰反射光与投射光在层状结构界面处的干涉,从而无法达到选择性吸收的效果。目前,干涉型吸收涂层有 Al2O3/Mo/ Al2O3 多层干涉选择性吸收涂层。

  2.3电介质复合吸收涂层

  这种涂层是一种金属陶瓷复合涂层,它将过量的金属颗粒加入高红光的外部反射衬底(例如氧化物、氮化物等)。金属陶瓷复合涂层的光学性能受涂层厚度、金属颗粒体积分数和金属颗粒尺寸的影响。金属介电复合吸收涂层通过过渡金属粒子能级跃迁和过渡金属粒子的共振作用实现对太阳光的选择性吸收。过渡金属粒子的能级跃迁类似于半导体对光的吸收,符合太阳紫外-可见近红外光谱中光子的能级。掺杂过渡金属需要有理想的消光系数,过渡金属如铜、铬、钼、镍、钨、等实际使用的介质中,掺杂过渡金属需要在远红外光谱区具有较高的介质中反射,如氧化硅、氧化铝、氧化镁、氮化铝的实际使用,等等。目前,运用较为广泛的金属-电介质复合涂层有 Cr-Cr2O3、Ni- Al2O3、Co- Al2O3 等。

  2.4性吸收涂层

  表面多孔吸收涂层与微孔表面对不同波长光谱具有不同的反射效果。控制涂层表面的形貌和结构,并使蜂窝状、枝状和“V”形沟槽的微表面[ 24 ]。粗糙表面的尺寸接近可见光谱的峰值,从而捕获太阳辐射。对于太阳光的短波辐射,微孔的粗糙表面可以充分吸收,对于太阳光的长波辐射,微孔的粗糙表面类似于镜面,反射长波辐射。表面粗糙度的方法是机械粗糙化、开槽、溅射和蒸发半导体。

  2.5黑型涂层

  涂层对太阳能的吸收不仅取决于物体的颜色,还取决于表面状况。它影响物体的吸收和反射特性。无论是什么颜色,光滑表面的反射率比粗糙表面的反射率高几倍。为了增加物体的吸收的效率,可以在表面上涂覆一层黑色染料,例如油和烟灰。

  第3太阳能选择性吸收涂层的制备方法多种多样

  每种方法都有自己的特点。涂层的性能不仅与材料本身的组成有关,而且与制备方法密切相关。不同工艺制备的太阳能选择性吸收涂层的结构、光学性能和力学性能不同。太阳能选择性涂层的制备方法主要有涂层法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、气相沉积法和热喷涂法。介绍了以下方法:

  3.1涂料由颜料和粘接剂组成

  太阳能选择性涂层颜料应满足可见光谱区为黑色、红外光谱区为透明的要求,可以使用氧化铜、硫化铅、氧化铁、二氧化锰等

  一种用作太阳能选择性吸收涂层的颜料。粘合剂分为无机粘合剂和有机粘合剂。无机胶粘剂有硅酸盐、磷酸盐等物质,有机胶粘剂是多种高分子材料,一般采用树脂。无机粘合剂由于其比有机粘合剂更低的耐温性、耐候性和摩擦性而没有被广泛使用。目前,涂装工艺一般采用有机硅树脂、聚四氟乙烯树脂、橡胶等耐高温工程树脂。涂覆过程易于操作,涂层厚度易于控制。它已得到公众的认可。1993年武汉双湖涂料公司李丽静研制出几种太阳能选择性涂料。太阳能涂料商业推广用硫化铅 /聚丙烯酸树脂涂料、氧化铜/聚丙烯酸树脂涂料、黑色沥青涂料等.

  3.2凝胶法

  将处理后的基底沉积在制备的溶胶中,得到所需的涂层。溶胶-凝胶法是利用金属醇盐(或金属无机盐)在添加剂的作用下水解缩合生成纳米级颗粒,颗粒形成团簇形成溶胶。将基底浸入溶胶中沉积,一段时间后匀速拔出,溶胶中的溶剂迅速蒸发形成凝胶状态,最后干燥烧结,使凝胶转变为我们需要的涂层溶胶-凝胶法制备的涂层,具有组分均匀、组分易控制、周期短等优点。莱昂·卡卢·勒扎等人。采用溶胶-凝胶法制备了黑色铜-铁-锰复合氧化物涂层,涂层性能良好。

  3.3沉积法

  采用电化学沉积法制备了选择性吸收涂层,分为电沉积膜和电化学转化膜。电解液中含有重金属离子,会对环境造成一定的污染。电沉积薄膜:阴极还原制备镀层。电镀黑镍和黑铬是最典型的电沉积薄膜。电镀黑镍具有电流密度小、效率高、分散性好等特点,但电沉积膜耐高温、耐候性较差。1994、koltunm和其他黑镍涂层的制备具有高吸收率、低发射率从硫酸锌电解液。1990、visitserngtrakul等人。采用电镀法制备铬镀层,吸收率为97%,发射率为9.2。然而,电镀铬黑需要在高电流高密度下进行,溶液的导电性很弱,在操作过程中产生大量的热量,需要长时间冷却才能继续生产。电化学转化膜:通过阳极氧化将电化学转化膜制备成涂层。阳极氧化铝膜是典型的电化学转化膜。铝阳极氧化膜是无色透明的多孔膜。鲁萨等人。采用电化学转化法制备铝阳极氧化镍。在制备过程中掺入二氧化硅以提高涂层的耐温性、耐候性和耐磨性。

  3.4沉积法

  气相沉积法包括物理气相沉积法(物理气相沉积,简称PVD法)、化学气相沉积法(化学气相沉积,简称CVD)以及物理化学沉积法[ 39 ]物理气相沉积法制备涂层的技术有真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等。这些操作技术需要一定的真空环境下进行的。1982 年清华大学采用磁控溅射技术制备出了Al-N/Al 选择性吸收涂层,这种涂层已经得到了应用。化学气相沉积法是气化化合物,通过化学反应(热分解或是化学合成反应)将其沉积在基材上。W·沃克斯Al2O3由Berg Haus等人编写的W(CO)6热分解制备Al(C3H7o)3。化学气相沉积。物理化学气相沉积法结合物理气相沉积法和化学气相沉积法,利用等离子体的高活性使化学反应在低温下发生气相沉积法的工业成本高,生产过程中产生有害气体和金属气体颗粒。

  3.5喷涂法

  热喷涂方法是用喷枪嘴高温高速火焰喷涂材料加热需要,当喷涂材料在熔融状态或半熔融状态,在气流的作用使其雾化到基板高速喷涂表面,如雾化颗粒沉积在平坦的基板,然后快速冷却形成我们所需要的涂层。热喷涂工艺复杂,技术要求高,在选择吸收涂层生产中应用较少。国外 C.P.Butler 等人利用等离子热喷涂法几种选择性吸收涂层,包括 Co-WC 涂层、黒铬涂层、Mo-W 涂层。

  第4章 平板集热器选择涂层的未来发展方向

  一般说来,不透明材料有三种类型:第一种是以吸收板为代表的选择性表面黑体,它对于太阳光的吸收率和发射率相等;二是选择性吸收涂层,具有较高的太阳吸收率和红外发射率;第三是选择性放热涂层。它能有效地吸收太阳能,加热后的热量损失很小。太阳选择性涂层的吸收光谱和发射光谱,可以大大提高太阳集热器的热效率,太阳辐射能量的利用效率主要分布在0.25 ~ 3im光谱的波长范围内,太阳辐射能量主要分布在可见光和近红外区域,而被加热的黑体辐射能量主要分布在2 ~ 100 μm光谱的波长范围内,主要分布在远红外区域。为了充分利用太阳能,设计了一种选择性吸收的太阳能涂层材料。此材料必须满足以下2个条件。

  第一个条件:太阳光谱内的吸光程度高,即有尽可能高的吸收率。第二个条件:在辐射波长范围内存在尽可能低的辐射损耗,即尽可能低的发射率。吸收涂层在太阳光波峰值0.5μM左右产生强吸收,并在红外波段自由透射,利用底层的高红外反射特性形成选择性涂层。从室内隔热涂料到太阳镜的防回涂,这些技术将提高集热器的效率,近5年来许多纳米技术的研究成果,涂层技术将得到更大的发展。理想的涂料不仅具有良好的光学选择性,而且还应具备光学性能长期稳定、耐候性强、价格低廉、涂层成型工艺简单、材料供应充足、对环境无污染等条件。传统的涂层不能满足所有这些条件。这些问题主要集中在光学性能、成本和制造工艺上。预计未来涂料的发展方向主要包括以下几个方面:(1)具有高吸收率的涂层,耐腐蚀性和良好的力学性能;(2)经济具有成本低、效果好的涂料和实践;(3)涂料生产工艺简单,便于大规模生产与推广。

  总结

  综述了国内外太阳能热水器的发展现状。研究了平板式太阳能热水器的结构。综述了捕收剂涂料的种类、制备方法及发展现状。分析了整个涂料行业存在的问题和发展瓶颈。展望了未来捕收剂涂料的发展方向最后,总结了不同厂家产品涂层性能检测和耐盐雾性的相关标准。通过比较分析,可以看出,高性能涂料和涂料将是未来经济发展的重点,他们会在一定的时间内共存,随着环境保护意识和节能意识的提高,无污染的高性能涂料将占据主导市场


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