真空镀膜平板太阳能集热器的应用前景.doc

本文由luochen262贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 47 卷第 4 期 2010 年 7 月 真 空 VACUUM Vol. 47, No.4 Jul. 2010 真空镀膜平板太阳能集热器的应用前景 魏海波 1， 张君薇 1， 龚肖南 2， 任庆国 1， 李冬青 1, 于莹莹 1 （1.辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110164；2.沈阳市华新真空技术有限公司，辽宁 沈阳 110141） 摘 要： 主要介绍了平板集热器的结构、 特点以及平板集热器板芯选择性吸收涂层的几种制备方法， 真空磁 致密、 生产环保等特点。适合 控溅射制备选择性吸收涂层， 提高光热效率和涂层的使用寿命， 具有膜层均匀、 于连续式工业化生产， 作为建筑材料， 实现太阳能利用与建筑一体化， 是新一代太阳能集热产品。 关键词： 太阳能利用与建筑一体化； 选择性吸收； 磁控溅射； 平板集热器； 中图分类号： TB43 文献标识码： B 文章编号： 1002-0322 （2010）04-0033-03 Vacuum coated flat plate solar collector and its application prospects WEI Hai-bo1 ， ZHANG Jun-wei1 ， GONG Xiao-Nan2 ,REN Qing-guo1 ,LI Dong-qing1 ,YU Ying-ying1 (1. Liaoning Equipment Manufacture College of Vocational Technology,Shenyang 110164,China; 2. Shenyang Huaxin Vacuum Technology Co., Ltd. Shenyang 110141,China） Abstract: Describes the structure and characteristics of the flat plate solar collector especially the way to coat its core plate with selective absorbing coating. To improve the photothermal efficiency and prolong the service life, a uniformly distributed, dense and environment friendly coating is provided, which is suitable to the continuous industrial production as a new -type building material available to integrate the solar energy utilization with buildings. Key words: integration of solar energy with building; selective absorption; magnetron sputtering; flat plate solar collector 1 概述 在国际社会将 CO2、 2 排放量的大小与国家 SO 源是发展的必然趋势。使用太阳能集热器是目前解 决我国能源与环境问题的一个积极有效的辅助手 段，平板太阳能集热器更容易与建筑有机结合起 来， 呈现良好上升趋势， 具有良好的市场前景。 负责任形象直接相提并论的今天， 节能减排已经是 关系到国家经济、 生存环境是否可持续发展的大问 题。发达国家的集热能量使用数据显示， 年平均集 热用水使用能量所消耗的电力， 占国家年度总电力 消耗的 1/4； 加之世界原生能源材料的日趋减少， 因 此， 使用高效、 环保、 可替代煤炭、 石油等传统原生 能源材料来获取使用能量的技术， 是目前亟待解决 的问题。太阳能集热技术是将太阳辐射能通过集热 器表面膜层吸收后， 直接转化为热能来加热其它使 用介质。因其具有能量获取、 使用的直接性， 和使用 过程无二次环境污染的环保性， 所以是未来集热用 能源技术发展的主要方向，并被确定在未来 10 年 左右的时间内将得到普遍应用。太阳能将成为未来 世界能源舞台的主角， 逐步补充和最终替代传统能 2 平板太阳能集热器的结构与工作原理 现有真空管式太阳能集热器最根本的问题 是真空管不能做为建筑板块整体结构与建筑相 结合； 此， 外一些发达国家和地区 因 国 （北 美 、 北 欧 、 夏 威 夷 等 地 区） 平 板 太 阳 能 集 热 器 占 市 场 92% 以 上 ， 为 建 筑 材 料 ， 现 太 阳 能 利 用 与 建 作 实 筑一体化。平板太阳能集热器已被广泛应用于生 活用水加热、 游泳池加热、 工业用水加热、 建筑物 采暖与空调等诸多领域。 2.1 平板太阳能集热器的结构 平板太阳集热器一般由集热板芯、 盖板、 保 温层和外壳四部分组成，其基本结构如图 1 所 收稿日期： 2010-01-21 作者简介： 魏海波 （1965-）， 黑龙江省海伦市人， 男， 硕士， 教授级高级工程师 。 34 真 空 VACUUM 第 47 卷 示。集热板芯采用铜铝复合和全铜的材质； 铜铝 复合集热板芯由铜铝复合吸热翼片与铜质集热 管连接而成的， 这种翼片的特点在于有两面铝板 中间夹着铜管 （排 管） 通 过 压 碾 复 合 工 艺 ， 铜 ， 使 铝和铜铜之间紧密结合； 而全铜集热板芯由铜箔 集热板与布设在集热板反面的铜质流体介质管 （排管） 通过超声波焊接组成。 通过集热板芯上下 两端的集管横向连接若干根排管构成流体通道 。 四周采用咬缝工艺连接在一起， 制成平板金属吸 热体， 部用镀锌板和保温棉垫底， 部用玻璃 底 上 板盖住， 四周用橡胶条密封。 性吸收材料的研究工作已有近三十年的历史了。涂 层的制备工艺经历了从简单喷涂到选择性的硫化 铅、 金属氧化处理； 从化学溶液镀膜法到真空磁控 溅射镀膜法的更新换代过程。化学溶液镀膜法是指 在溶液中利用化学反应或电化学原理在基底材料 表面上沉积成膜的一种方法， 它包括各种化学反应 沉积、 阳极氧化、 电镀等。采用化学溶液镀膜法制备 的光谱选择性吸收涂层目前有铝条带上阳极化着 色和铜条带上黑铬选择性涂层。但和真空镀膜相 比， 其工艺复杂、 手工操作多， 工艺设计或生产控制 不当， 废液的处理容易造成一定程度的环境污染。 目前国外公司采用电子束蒸发的方法将钛和 石英在电子射线枪的作用下被汽化， 汽化物在加入 氮和氧后发生化学反应生成氮氧化钛， 最后在金属 （铜） 带上沉积冷凝而成涂层。生产的钛系列 TiNOx 高选择性钛镀层， 该连续化生产线投资较大， 涂层 生产成本较高。由于这种集热涂层主要生产在铜 基体条带上，制造平板集热器板芯时需要对条带 进行切割；同时还要在每个翼片的背面通过超声 波焊接排管， 一方面在焊接过程中破坏膜层表面， 另一方面在整个板芯组焊过程中容易造成膜层的 二次污染， 影响集热板芯的集热效率。 针对平板式涂层制备技术的不足， 我们采用真空 磁控溅射技术、等离子监控技术和离子表面活化技 术， 开发了在光亮的铜基片或者铜铝复合基片上沉积 高反射率的金属铝作为底层的基膜， 然后在基膜的基 础上采用反应溅射沉积两层不同成分和金属含量的 铝氮复合膜作为吸收层，最后是反应沉积 AlN 和中 频溅射 SiO2 介质增透、保护层的光谱选择性吸收薄 膜设备与工艺。产品经国家太阳能热水器质量监督 检验中心检测： 涂层的吸收率 s0.920.94， 红外 发射率 0.080.1；其涂层附着力和耐候性能良 膜层理 好， 可在大气环境下直接使用。制造成本低， 化性能好， 无污染， 非常适合大批量工业化生产。这 使我国平板集热器的集热涂层生产环保化、 使光热 转换效率与国际高端产品处于同类水平。 以提高集热膜层在大气中使用的耐候性能及集 热性能为目的的膜层、 膜系研究， 是当前太阳能集热 器光谱选择性吸收膜层研究、生产和发展的主要方 向。随着我国对环境污染治理的深化， 国家原则上已 不审批新的化学溶液镀膜生产线。因此， 可以说用磁 控溅射方法制备选择性吸收涂层是目前国内外平板 最有发展、 最环保的方法。 集热器制备工艺中最先进、 1.透明盖层 2. 隔 热 材 料 （保 温 层） 3. 集 热 板 芯 4. 排 管 5. 外 壳 6.散射太阳辐射 7.直射太阳辐射 8.集管 图1 Fig.1 平板型太阳能集热器的基本结构 Schematic of flat plate solar collector 2.2 平板太阳能集热器的工作原理 阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的 吸热体 （集热板芯）上， 其中大部分太阳辐射能为 吸收体所吸收， 转变为热能， 并传向排管通道中的 工质。这样， 从集热器底部集管入口的冷工质， 在 排管通道中被太阳能所加热， 温度逐渐升高， 加热 后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端集 管出口， 蓄入贮水箱中待用， 即为有用能量收益。 与此同时， 由于吸热体温度升高， 通过透明盖板和 外壳向环境散失热量。盖板则起允许可见光线透 过， 而红外热射线不能透过的作用， 使工质能带走 更多的热量而提高太阳集热器的热效率。 太阳能集热板芯是平板太阳能集热器的核 心 部 件 ， 它 的 选 择 性 吸 收 性 能 （s吸 收 率 ， 发射率） 决定平板太阳能热水器的热效率。 3 目前平板集热器板芯选择性吸收涂层 的制备方法 随着太阳能光热利用技术的发展， 我国对选择 4 平板太阳能集热器的应用前景 随着新能源的推广和普及， 以及科技的进步 第4期 魏海波， 真空镀膜平板太阳能集热器的应用前景 等： 35 和发展， 太阳能利用与建筑一体化对太阳热水器 技术要求越来越高， 场需求越来越迫切， 空 市 真 管太阳能已经逐渐无法解决其在建筑应用中遇 到的所有技术和质量难题； 这为平板太阳能集热 器的发展带来了新的机遇。 4.1 平板太阳能集热器的结构和技术优势 平板集热器具有承压性、 循环系统、 于 双 易 与建筑结合、 提供更多的生活热水等自身的技术 因此， 在太阳能系统工程、 分体式太阳能热 优势。 水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所， 平 板集热器比全玻璃真空管集热器在系统结构 、 寿 命、 维护与建筑结合等方面具有明显优势。比如 2008 年北京奥运会工程之一 “奥运村” 采用的就 ， 是平板太阳能集热器。 采用磁控溅射制备光谱选择性吸收涂层， 可 以克服其他制备工艺的缺点， 提高光热转换效率 和涂层的使用寿命， 同时磁控溅射工艺具有沉积 速度快、 膜层均匀、 致密， 便于大面积沉积和工艺 环保等特点， 有利于集热板芯真空镀膜大批量工 业化生产， 一步减低成本， 高产品的稳定性 进 提 和一致性。从测试结果可以看出， 高效平板集热 器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的 真空管集热器系统。 平板集热器太阳能系统一般采用回流排空 技术， 冻技术， 北方地区可方便地解决集热 防 在 器过冬防冻问题， 集热器冻坏的后顾之忧， 无 并 且可以解决夏季 （或 热 水 负 荷 不 匹 配 时）系 统 过 热问题， 这一特点对太阳能采暖系统非常有利 。 4.2 国家的扶持政策 2008 年国家出台了太阳能热水器鼓励支持 发展的政策， 全国 10 多个省、 市建委出台了对 12 层以下房屋强制安装太阳能热水器的政策配套 文件， 极大地释放了城市市场。 2009 年太阳能热水 器 下 乡 ” 太 阳 能 热 水 “ 是 器行业的一件大事， 标志着太阳能热水器得到国 家认可，我国太阳能热水器行业已迈入新的时 太阳能热水器 “下乡” 正式启动意味着太阳能 代。 热水器行业得到了政策支持， 阳能热水器 下 太 “ 乡” 如一缕春风， 使整个行业焕发强大的生命力。 我国必将步入更为多元化、 洁、 效的能 清 高 源消费新时代。因此， 应当大力倡导发展太阳能 这样的可再生能源。 4.3 市场的的应用前景 2010- 2015 年中国太阳能利用产业投资分 析及前景预测报告 “2007 年中国太阳能热水 显示 器产量的增长速度约为 30%， 年产量达 2340万 m2 （16380 MWth）， 总 保 有 量 约 为 10800 万 m2 （75600 MWth 。2007 年太阳能热水器市场销售额 ） 约为 320 亿元人民币， 产值亿元人民币以上的企业 有 20 多家。2008 年我国太阳能热水器行业继续稳 步快速发展。其中， 产值达 430 亿， 出口达 1 亿美元。 中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍， 北 美的 4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器 生产国和最大的太阳能热水器市场” 。预计中国太 阳能热水器在近 3 年时间内还将保持 30%以上的 增长速度， 市场潜力巨大。 随着中高温太阳能热水器的开发以及太阳 能与建筑一体化技术的日益完善， 未来太阳能热 水器产品进入住宅工程是必行之路。目前城镇环 保要求必需使用清洁能源，在今后 10 年左右 的 热水器普及中， 会有越来越多的人使用太阳能集 热器， 是发展趋势； 国太阳能热水器的市场 这 我 空间和产业规模都很大