几种平板太阳能集热涂层制备方法和性能浅析

几种平板太阳能集热涂层制备方法和性能浅析

上海哲能赫太阳能设备有限公司

摘要 本文介绍了目前平板太阳能集热器吸收涂层的几种制备方法，并分析他们的光学性能及耐候性。黑铬膜层不但具有优异的光学吸收性能，而且具有非常优异的耐高温、耐湿和耐候性能，具有推广意义。

关键词 平板太阳能集热器 涂层 黑铬 集热性能 耐候性

前言

随着我国太阳能集热器的推广及太阳能建筑一体化普及，平板太阳能集热器市场份额开始攀升。选择性吸收涂层作为集热器的核心部分，其性能直接影响到整个集热器的效率和最终使用效果。

我国平板式太阳热水器多年来品种单一，已经不能适应市场发展的要求，因此用于平板式太阳能集热器的选择性吸收涂层尤其应该受到重视。

选择性吸收涂层性能的主要指标主要有吸收率α、发射率ε、工作温度和使用寿命。目前，国内平板式太阳能集热器所采用的涂层主要有涂料涂层、阳极氧化涂层、磁控溅射涂层及黑铬涂层。本文对几种吸收涂层的制作方式、光学性能、热性能及耐候性能进行分析，对涂层改进提出建议。

一、制作方式及光学性能

目前国内所使用吸收涂层的制作方法共有涂料涂层、阳极氧化涂层、黑铬涂层及磁控溅射涂层等几种方式，这些涂层各有优缺点，及不同适用场合。

1、涂料涂层

涂料涂层采用涂漆法制作工艺，它是将具有光选择性吸收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集热基板迎光面上，从而制得选择性涂层。因涂料是由光选择性吸收性能的颜料和粘合剂制成, 使涂层具有一定的选择吸收性, 并且成本低, 工艺设备简单。漆涂层不能制

【1】 得很薄, 一般都在数微米以上。

常用的色素材料有Si 、Ge 、PbS 和一些过渡金属复合氧化物，常用的粘结剂有烯基材料和有机硅等。由于用该法制备的涂层粘结剂在高温下可能热解，所以

一般在中、低温条件下采用。色素材料的高吸收率使涂层的吸收率比较高（吸收率α>O．81），但由于有机物在红外区中存在吸收峰，从而使红外辐射较高涂层发射率也比较大（ε>0.2)。因而发射率较高, 选择性较差, 一般吸收率α在0.87～0.92之间, 发射率ε在0.3～0.6之间。因此，使用该类型涂层的集热器热效率较低另外，由于粘结剂在高温下可能热解，其附着性较差，易发生剥落，降低吸热性能，造成采用涂料涂层的集热器的使用寿命较短。这类涂层曾在中国云南地区进行过一定范围的推广，现在浙江部分地区仍有生产。总体来讲，目前涂料涂层在市面上并未被广泛应用，而已有使用的地方也在逐步被淘汰。

2、阳极氧化涂层

阳极氧化是对金属衬底进行阳极氧化处理，制备具有梯度分布的多孔表

面．然后通过在孔洞中掺入金属来获得高的太阳能吸收率，与衬底的低红外发射特性配合在一起可以获得选择性吸收效果。利用阳极氧化法可以制得光学性能较好的选择性吸收涂层，铝阳极氧化涂层是最成熟的阳极氧化工艺。制备的基本过程是将铝片（或铜铝复合板芯）在稀磷酸溶液中阳极氧化, 在铝表面形成多孔氧化膜, 然后在硫酸镍或硫酸亚锡溶液中交流电解, 镍锡离子还原沉积于氧化的孔隙中, 形成具有光谱选择的表面, 其吸收率α一般在0.89～0.91之间, 而发

【2】 射率ε一般在0.13~0.15之间。

这类涂层多用于铜铝复合型平板集热器，也称吹胀型平板集热器。此类产品是由澳大利亚人发明制造的，且在澳洲十年前已被淘汰使用。其原因是该板芯在生产的过程中，铜管被压扁后再用高压枪吹胀（故又名吹胀型），铜管的结构容易遭到破坏。而且，在使用过程中，由于涂层铝板基材与铜管的膨胀系数不同，经过长时间白天集热及晚上冷却，膜层与铜管流道间出现缝隙，导致热阻增大，传热不畅。甚至出现，在有寒冷地区使用寿命仅一个冬天的情况。另外，该产品在生产时要消耗大量的玻璃、型材、铜管和其他材料，在它的寿命期限里能够节省的能源还没有生产它时消耗的多，故又被称作是高污染的节能产品。

3. 磁控溅射涂层

真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等常称为物理气相沉积(Physical Vapor

Deposition ，简称PVD 法) 是基本的薄膜制作技术之一。它们均要求沉积薄膜的 空间要有一定的真空度。磁控溅射涂层采用真空磁控溅射镀膜的方法获得多层薄膜，通过多层膜的光学干涉效应获得选择性吸收效果。所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶) ，使固体原子(或分子) 从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。由于直接实现溅射的是离子，所以这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜。磁控溅射与真空蒸发相比，其真空设备比较简单，工艺控制更为方便，容易在大面积上获得均匀一致的选择性吸收涂层。磁控溅射技术因控制膜组成、厚度比较容易，所以经常与光学设计结合以制备高性能选择性吸收涂层。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。该膜层生产过程中不会产生污染，且自动化生产程度高。该膜层具有显著的太阳光谱选择吸收性，吸收率α=0.91～0.96，ε＜0.1。

磁控溅射氮氧化钛涂层运用于平板太阳能集热器还是近十年的事情。目前，使用该膜层的平板太阳能集热器生产厂家逐渐增多。但国外平板集热器内部大多采用抽真空或充氮气工艺处理，而国内产品膜层基本都和空气接触。已经投放到市场的该类型产品还没有经过长时间的实践检验，并且实用中已经发现有的产品

【3】 其耐候性能不是很理想，即时间长了就会出现性能衰减甚至涂层脱落现象。

4. 黑铬涂层

黑铬镀层是电沉积涂层的一个典型例子，不仅高选择性，而且耐温、耐湿 性能良好，是一种综合性能极佳的选择性吸收涂层。黑铬涂层是采用电镀方法在太阳能集热板上制备黑铬选择性电镀层，普通黑铬涂层类集热板的吸收率在α

【4】=0.93～0.97, 发射率在ε=0.07～0.14之间。采用电镀黑铬工艺 需要先在镀

件上打底层，如镀覆铜、镍层来增加附着力，然后才能镀黑铬，对工艺要求较高。

黑铬涂层是由金属铬和氧化铬组成的金属陶瓷型涂层。特殊结构材料的表面效应使得它具有高稳定的结构状态；而小尺寸效应和宏观量子隧道效应使得它具有特殊的光学性质，即在超微颗粒状态呈现为黑色，对光的反射率很低。图1为黑铬涂层的结构。

图1、黑铬涂层结构

二、涂层耐候性能

光学性能直接影响到平板集热器产品的吸热性能，是衡量集热器产品整体性能的一个重要指标。同时涂层作为集热器组装部件中，唯一的一个寿命不可控因素，直接影响到整个产品的使用年限。

中性盐雾试验（NSS ）是一种较为科学的涂层耐候性检测方式，我们选择目前几种用于平板太阳集热器常用的涂层，在同样条件下进行NSS 试验。来近似直观的观察比较它们的耐候性。试验样品材料如表1所示。

表1 盐雾试验涂层样品

盐雾试验阶段测试照片如下所示。

2011年6月18日19:30样品放入盐雾试验箱

样片1 样片2 样片3 2011年6月19日7:30(12H)样品图片

样片1 样片2 样片3

2011年6月19日19:30(24H)样品图片

样片1 样片2 样片3

在盐雾试验照片上可以看出，磁控溅射涂层及阳极氧化涂层在进行测试12小时后，已出现气泡、麻点等轻微腐蚀；测试24小时后已出现膜层脱落，并在后续测试时间内腐蚀逐渐加重。而黑铬涂层在进行测试132小时后，才出现腐蚀点。因此可说明黑铬涂层具有极好的耐腐蚀及耐候性，可保证平板集热器较长寿命期内保持高效集热性能。

结论

选择性黑铬涂层的生产线的工艺稳定，从问世到现在，产品经受了40多年的实践检验，实验证明黑铬涂层不但具有优良的光学性能而且也具有非常优异的

耐热、耐湿和耐候性能。缺点是，如果工艺设计或生产控制不当，，污水处理成本会造成生产成本偏高，但经过哲能赫多年的研发和生产实践，通过优化工艺设计，可以将污染降低到最低。

参考文献：

1．李立明，太阳能选择性吸收涂层的研究进展，粉末冶金材料科学与工程，2009

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2. 魏海波. 太阳能集热板镀膜及设备. 真空，2006.7

2 李鹏. 选择性吸收黑铬涂层及其应用. 太阳能，2005.3

3 文明芳. 新型太阳选择性吸收涂层的研究. 太阳能学报,1998.4