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浅析我国平板型太阳能热水器镀膜技术

[ 发布日期:2018-05-09 点击:1093 来源:洛阳高新四丰电子材料有限公司 【打印此文】 【关闭窗口】]

当我们在翘首以待城市太阳能市场会出现一片蓝海之时,在很大程度上催生了平板太阳能的飞速发展,其质量与技术问题也自然成了行业内所关注的焦点。同时,作为平板太阳能的心脏核心——镀膜技术,也决定了其热性能与寿命的指标。当我们在翘首以待城市太阳能市场会出现一片蓝海之时,在很大程度上催生了平板太阳能的飞速发展,其质量与技术问题也自然成了行业内所关注的焦点。同时,作为平板太阳能的心脏核心——镀膜技术,也决定了其热性能与寿命的指标。

 

为此,我们特别采访了几家有代表性的太阳能企业,针对他们各自产品的镀膜技术优势,大家可以互相借鉴学习,使平板太阳能的品质得到不断提升。

 

镀膜技术突破瓶颈

 

在国内20世纪90年代后期,真空管集热器的发展逐渐替代了平板型集热器,由于近年来平板太阳能集热器产品的结构、材料、工艺、涂层都有了较大的改进,使得该产品全年热效率也有了较大的提高,目前国内平板型太阳能集热器有迅猛发展的势头,特别是高层建筑的阳台壁挂平板型太阳能热水器前景十分看好。北京和全国在太阳能系统工程、分体式太阳能热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寿命、系统维护等方面具有明显优势。据了解,平板太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件,也是太阳能市场的主导产品。目前,平板太阳能已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。

 

目前我国太阳能平板集热器现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距,尤其在寒冷地区太阳能热水或太阳能采暖等场合,集热器热性能(特别是镀膜技术的提高),对太阳能系统收益影响十分显著。因此,开发新型高效平板太阳能集热器,已经是国内太阳能厂家迫在眉睫的事情。天普将迎合这个契机,不断寻求国内外的技术合作,不断创新发展,太阳能行业开发新型高效平板太阳能集热器取得了可喜的成果。

镀膜靶材

1.七室镀膜技术新特点

 

椭圆七室联体真空室整体设计先进,其配套设备性能优良,适配性好,工作流程稳定。七室连续镀膜机传动系统首创了全链条传动系统,传动稳定、到位准确。真空镀膜室内外两部分传动均采用全链条的廻转和自转传动系统,保证了镀膜的厚度均匀,并使靶材得到了充分的利用。

 

工件架车进入真空室后形成封闭环,这样头车与尾车相接的封闭环状运行,不会造成首尾管子的色差,提高了单车镀膜的质量和数量。真空室之间工架车的流程采用自动变轨运行,即工件驾车进入真空室后做封闭的椭圆状运行,完成镀膜工艺后要进入下一个真空室,这时自动变轨系统会按照指令变轨托板升起,与头车的定向装置配合,使架车由环行变为直行进入下一个真空室,并不断重新做椭圆环状运行。

 

2.完善的全自动镀膜控制和监控系统

 

控制系统由先进的三菱触摸屏和三菱Q系列PLC控制系统组成,以触摸屏为人机界面,实现对真空系统、工件行走、磁控靶、工艺设定和执行、报警保护系统等的全自动化控制,并且具有真空度、温度、磁控靶的工作参数、时间、工艺参数的显示功能。工作时可直观地看到设备的工作状态,并能对真空度、磁控溅射电流、电压、气体流量、进管室的温度、工件的运行和各故障点等工作状态进行实时监控。控制系统可实现全自动控制和手动控制相互切换。

 靶材

3.镀膜技术的研发和技术突破

 

在镀膜技术应用在平板集热器上做了大量科研工作,将铝-氮铝(AL-N-AL),或者铝-不锈钢-铜(AL-ss/Cu)涂层技术是已经大批量使用在太阳能真空集热管中的成熟技术应用在平板集热器的吸热片上,通常这种涂层镀膜技术只能保持在真空条件下使用,在大气环境下会迅速潮解风化消失。在平板集热器上使用新技术已经达到的突破。

 

我国对选择性吸收材料的研究工作已有二三十年的历史了,可以说太阳能集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。涂层制造工艺经历了简单喷涂到选择性的硫化铅、金属氧化处理;从化学溶剂镀膜法到磁控溅射镀膜法的更新换代。目前,国外采用电子束蒸发的方法将金属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的情况下发生化学反应生成氮氧化钛,在金属带上沉积为涂层。生产这种高选择性吸收涂层,连续性镀膜生成设备投资成本高,涂层生成成本高。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。

 

我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。间歇式磁控溅射铝--铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的,基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差,不适于平板集热器的使用。目前,国内板芯镀膜技术主要是黑铬镀膜技术和阳极氧化镀膜技术;部分极少数企业开始掌握平板核心技术——蓝钛镀膜技术,打破国外对国内平板太阳能核心技术的垄断。国际上发达,尤其是欧洲,选择性吸收涂层的生产主要有两个特点,其一是采用真空镀膜技术,其二是采用卷绕式连续镀膜方式;生成的蓝钛膜占据90%以上的平板太阳能市场,技术成熟。

 

技术创新进展不断

 

在有关政府主导与支持下,作为中高层建筑采用先入为主的方式,国内平板太阳能市场特别是工程类如火如荼。很多真空管企业鱼贯而入,纷纷上马平板太阳能,犹如两三年前太阳能真空管行业一样,这也会加速平板太阳能市场的良莠不齐,要知道鞋子穿着是否舒适只有脚知道。

 

要解决这个问题,必须要制定一个较高的统一标准,切实提高行业进入门槛,同时实行销售和安装许可证制度,这样才能提高平板集热器的性能和使用寿命,才能保证平板集热器市场平稳健康发展。

 

据了解,平板太阳能集热器的光热转换效率取决于吸热板的选择性表面涂层材料,平板太阳能的镀膜技术更加关注如何提高选择性表面的吸收率和降低发射率,选择性表面吸收率越高越好,为了保留所吸收的热幅射,要求表面的反射率越低越好,较高的吸收率和较低的发射率会使整个系统有更高的转换率。普通集热板采用黑铬镀膜,黑铬涂层采用铝、氮、铝为吸热原料,具有优良的光谱选择性,它的热稳定性和抗高温性能好,适用于高温条件,在300摄氏度能长期稳定工作,但黑铬镀膜的发射率比较高,从而使吸热板的整个系统光热转换效率比较低,使用寿命一般为20年。

 

他们的产品镀膜技术是通过与德国Tinox公司和Bluetec公司技术合作,突破传统技术,采用进口高吸热涂层材料“蓝膜”技术,同时将整板激光焊接技术引入太阳能集热器板芯的生产,真正实现太阳能与建筑一体化。经相关检测部门检验,为目前国内同类产品中瞬时集热效率较高的平板太阳能集热器。在城市建筑一体化的快速推进下,蓝膜太阳能板芯作为技术,将淘汰真空管太阳能。先进的蓝膜涂层技术使得板芯吸热率更高,红外发射率低,太阳能光热转化比极大增强,同时产品采用国际进的激光焊接工艺,实现了融雪化霜、防冻防垢,设计寿命长,成为太阳能热水器行业安全的新标杆。此外,海林高效平板太阳能集热系统能够根据中国建筑特征实现结合,具有太阳能阳台、太阳能屋顶、太阳能幕墙等多种解决方案,集热器还具有保温防水功能,可替代建筑材料,大大节省了建筑成本,在经济性、安全性、可靠性方面可充分满足太阳能与建筑一体化要求。海林通过不断的科技创新,着太阳能城市建筑一体化的新时代。

 

目前他们的产品一般采用德国进口蓝钛膜,采用进的激光焊接技术,对蓝钛膜进行背面焊接,不损伤膜层,寿命更可靠,效率高,应该说蓝钛膜平板集热器是一种主流产品,必将取代黑铬膜。对于蓝钛膜,国内确实应该下工夫好好研究,因为目前几乎都是进口,导致价格偏高。作为蓝钛膜平板集热器,在国外发达技术非常成熟,但一直实行技术壁垒与垄断,一般国内主要采用进口,相对成本高居不下。

 

市场需求走向预测

 

太阳能检测中心(北京)何涛主任所言,目前在我国谁要是解决了平板蓝膜核心镀膜技术,那就是在太阳能光热行业中诞生了第二个殷教授,由此可见,真正的平板镀膜核心技术还值得政策层面助力、业内人士给力下很大工夫去研究探讨,在此基础上进行产业化生产,提升我国平板镀膜技术,是我国平板太阳能发展的出路。

 

平板集热器的镀膜技术分类通常取决于吸热板的结构形式,目前最常见的有四种:

 

1.管板式吸热板是将排管与条带以一定的结合方式连接构成吸热条带,然后再与上下集管焊接成吸热板。这是目前国内外使用最普遍的吸热板结构类型。吸热板的材料种类很多,有铜、铝、不锈钢、镀锌钢、塑料等,但应用最多的还是铜板、铝板。

 

镀膜技术通常有两种方式:一种是铜、铝条带镀膜后焊接;优点是工艺性好;缺点是超声波焊缝处破坏了镀膜层并有电化学腐蚀(指铜管、铝条带焊缝)。另一种是铜、铝条带焊接后镀膜。

 

优点是不破坏镀膜层,可适用各种材料的条带镀膜,缺点是镀膜成本较高,一般采用磁控溅射涂层镀膜技术。

 

2.翼管式吸热板是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带,然后再与上下集管焊接成吸热板。吸热板材料一般采用铝合金。翼管式吸热板的优点是热效率高,管子和平板是一体,无结合热阻;耐压能力强,铝合金管可以承受较高的压力。其缺点是水质不易保证,铝合金会被腐蚀;材料用量大,工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度;动态特性差,吸热板有较大的热容量。一般采用铝阳极氧化涂层镀膜技术。

 

3.扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型,然后再焊接成一体构成吸热板,吸热板材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。通常,流体通道之间采用点焊工艺,吸热板四周采用滚焊工艺。扁盒式吸热板的优点是热效率高,管子和平板是一体,无结合热阻;不需要焊接集管,流体通道和集管采用一次模压成型。缺点:焊接工艺难度大,容易出现焊接穿透或者焊接不牢的问题;耐压能力差,焊点不能承受较高的压力;动态特性差,流体通道的横截面大,吸热板有较大的热容量;有时水质不易保证,铝合金和镀锌钢都会被腐蚀。扁盒式吸热板的整板镀膜技术难度大,一般多采用喷涂法和化学法抵挡的涂层镀膜技术。

 

4.蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形,然后再与平板焊接构成吸热板。这种结构类型在国外使用较多国内很少采用。吸热板材料一般采用铜,焊接工艺可采用高频焊接或超声焊接。蛇管式吸热板的优点是不需要另外焊接集管,减少泄漏的可能性;热效率高,无结合热阻;水质清洁,铜管不会被腐蚀;保证质量,整个生产过程实现机械化;耐压能力强,铜管可以承受较高的压力。缺点是流动阻力大,流体通道不是并联而是串联;焊接难度大,焊缝不是直线而是曲线。一般采用1000毫米宽的卷板涂层镀膜技术,现国内已有几家研制。

 

由于黑铬镀膜的优点是可以完全国产化且价格便宜。作为黑铬膜平板集热器,确实成本低廉,但本身寿命可靠性值得业内人士好好考究。我到市场上观察了一下,发现诸多厂家的黑铬平板式集热器,一般使用一段时间后几乎都发生不同程度变色,即吸收比应该下降了,因真空管采用磁控溅射镀膜是镀在内管外面的,然后处于真空状态至少达5.0×10-2Pa所以使用持久,我们认为有很大关联;但作为平板板芯涂层而言,由于涂层材料在阳光的照射和空气中氧气的氧化下,在三至五年就开始老化,变成浅白色,从所安装的平板太阳能工程实例就可见一斑,可以说这是一个不争的事实。平板集热器的寿命和性能与吸热板芯的加工工艺、吸热膜层的成分和加工工艺有关,一些企业自己没有生产设备和技术,单靠买其他厂家的板芯组装平板集热器,没有任何核心东西可言,这样的企业是没有竞争力的,一旦上游供应商有所变化,消费者将首当其冲。

 

目前国内平板集热器板芯吸热体膜层加工方法多样化,有的企业为了降低成本甚至采用喷黑漆的方法,用这种方法生产的平板集热器在短期内还可以使用,但其耐候性和综合热性能将在短时间内降低。这种产品的大量生产将导致平板集热器市场美誉度的降低,有可能会影响平板集热器的发展前景,导致平板太阳能系统成为真正昂贵的电热水器产品,与节能无缘。

 

可见,当平板太阳能市场出现曙光时,很多真空管企业鱼贯而入,纷纷上马平板太阳能,亦如两三年前太阳能真空管行业一样,这也会加速平板太阳能市场的良莠不齐,要知道鞋子穿着是否舒适只有脚知道。要解决这个问题,必须要制定一个较高的统一标准,切实提高行业进入门槛,同时实行销售和安装许可证制度,这样才能提高平板集热器的性能和使用寿命,才能保证平板集热器市场平稳健康发展。


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