淺談太陽能集熱器的表面處理工藝

陳松祺， 萬海峰， 陳明偉

（1.上海飛機制造廠，上海 200232；2.上海愛迪新技術(shù)研究所，上海 200030）

淺談太陽能集熱器的表面處理工藝

陳松祺1， 萬海峰2， 陳明偉2

（1.上海飛機制造廠，上海 200232；2.上海愛迪新技術(shù)研究所，上海 200030）

0 前言

隨著能源消耗的迅速增加，地球上的礦物資源會越來越少。太陽能是取之不盡、清潔無污染的能源，因此，世界各國都在利用太陽能。我國是能源消耗大國，太陽能的轉(zhuǎn)換和利用是最大的財富。

太陽能熱水器是目前太陽能利用中技術(shù)最成熟的裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、工作可靠、使用方便等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。太陽能熱水器可分為平板式集熱器和聚光式集熱器兩大類。聚光式集熱器在短時間內(nèi)可達(dá)120℃，集熱效果受太陽、環(huán)境溫度和風(fēng)的影響，暫不介紹。

平板式集熱器是借助溫室效應(yīng)，利用黑體物質(zhì)吸收太陽輻射，達(dá)到積蓄升溫的目的。它的優(yōu)點是吸熱效率高，受環(huán)境的影響較小，無需跟蹤陽光，水溫一般能達(dá)到60℃左右。

平板式集熱器的升溫快慢，取決于集熱器結(jié)構(gòu)、透光材料、絕熱材料、聚光收集器結(jié)構(gòu)、水循環(huán)形式、傾斜角度、安裝方向和位置等。其中吸熱的黑體物質(zhì)與表面處理工藝有密切的關(guān)系。采用的鍍履層應(yīng)有高達(dá)90%以上的吸收率，反射率低于15%。

1 表面處理工藝

表面處理工藝分濕法和干法兩種。

1.1 干法工藝

干法工藝不在水溶液中進行，該工藝被稱為“環(huán)保工藝”。其中，物理氣相沉積一般包括真空蒸發(fā)鍍、真空濺射鍍、離子鍍?nèi)悺?/p>

電鍍、真空蒸發(fā)鍍、真空濺射鍍和離子鍍的比較，見表l。

1.2 濕法工藝

濕法工藝是在水溶液中進行的，如電鍍、電解氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、電泳等。

吸收太陽能的途徑之一是集熱器。該集熱器使用吸熱板，在80年代初國外采用銅上面先鍍鎳后鍍黑鉻的工藝。

1.2.1 鍍黑鉻工藝

不同鍍鎳工藝的太陽能吸收率（α）和紅外輻射率（ε），見表2。

表2 不同鍍鎳工藝的太陽能吸收率和紅外輻射率

黑鉻的太陽能選擇特性與電鍍時間有關(guān)。太陽能吸收率和紅外輻射率與電鍍時間的關(guān)系（溫度為120℃），見表3

表3 太陽能吸收率和紅外輻射率與電鍍時間的關(guān)系

由表3可知：剛開始，太陽能吸收率增加很快，而紅外輻射率沒有明顯增加，直到太陽能吸收率達(dá)到最大值；此后，太陽能吸收率幾乎不再增加，而紅外輻射率迅速提高。一般認(rèn)為，在18A/dm2的電流密度下最佳的電鍍時間為1min左右，此時鍍層厚度為0.5～2.5μm。

1.2.2 銅及銅合金的電化學(xué)和化學(xué)轉(zhuǎn)化處理工藝

太陽能集熱器中吸收板的黑體物質(zhì)，主要是能滿足太陽能吸收率和紅外輻射率?；w材料要有利于電鍍和化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，因此，采用銅和黃銅為主。

因銅及銅合金的氧化膜為半光澤或無光澤，薄而緊密，與基體金屬結(jié)合牢固，具有一定的防護－裝飾性，但脆而不耐磨。膜層的組成是氧化銅、氧化亞銅、硫化銅或它們的混合物。因膜的組成不同，顏色也有所區(qū)別。但在實際生產(chǎn)中，其成本一定高于鋁箔太陽能吸收板陽極化工藝的。銅及銅合金電化學(xué)氧化溶液成分及工藝條件，見表4。

銅及銅合金化學(xué)轉(zhuǎn)化溶液成分及工藝條件，見表5。

表4 銅及銅合金電化學(xué)氧化溶液成分及工藝條件

表5 銅及銅合金化學(xué)轉(zhuǎn)化溶液成分及工藝條件

上述濕法工藝是存在污染排放的。目前三廢治理要求嚴(yán)格，使生產(chǎn)成本提高。因此，太陽能吸收板逐漸向鋁陽極化著色發(fā)展。

1.2.3 鋁箔太陽能吸收板特種陽極化發(fā)黑工藝

鋁及鋁合金陽極化有不同的工藝，如硬質(zhì)、瓷質(zhì)、耐壓、著色、膠接、探傷等。由于鋁陽極化槽液以酸為主，相對而言三廢治理較容易。

集熱板的太陽能吸收率和紅外輻射率與鋁極化時間的關(guān)系，見表6。

當(dāng)工藝確定后，“智能化”管理是方向。值得提供探討的幾點如下：

（1）太陽能吸熱板采用工業(yè)純鋁1060（Al≥99.6%，F(xiàn)e≤0.20%，Si≤0.20%，Cu≤0.01%）比1100（Al≥99.0%，F(xiàn)e≤0.50%，Si≤0.50%，Cu≤0.01%）好；

（2）采用硫酸陽極化后化學(xué)染黑，太陽能吸收率低，而紅外輻射率高；

（3）電解著色的太陽能吸收率可達(dá)到92%～95%，紅外輻射率和特種極化時間配合可達(dá)到15%左右；

表6 太陽能吸收率和紅外輻射率與鋁陽極化時間的關(guān)系

（4）鋁陽極化膜太厚影響紅外輻射率，太薄影響太陽能吸收率，厚度在1.5μm左右；

（5）電解著色交流電波形和陰陽極面積影響顏色深淺；

（6）控制好特種鋁陽極化工藝和電解著色工藝并做好詳細(xì)記錄，是質(zhì)量的保證；

（7）設(shè)備最好連續(xù)式，可提高產(chǎn)量，但導(dǎo)電和傳送有難度，龍門式掛具很重要；

（8）新配的電解著色液應(yīng)通電處理，pH值控制在1左右；

（9）龍門式掛具導(dǎo)電應(yīng)良好，在電解著色采用交流電，工作面不應(yīng)有金屬阻擋，應(yīng)絕緣，否則會造成無膜層；

（10）由于膜層薄，當(dāng)電解著色槽液沒控制好時，顏色會變?yōu)榛液凇?/p>

2 結(jié)束語

（1）平板式太陽能集熱器中吸熱板是重要的部分，吸熱板的表面處理特種工藝也是關(guān)鍵。干法工藝有專利報導(dǎo)，可以使太陽能吸收率達(dá)到95%，紅外輻射率小于5%，對環(huán)保有益，但投資很大，難以推廣。

（2）鋁特種陽極化電解著色工藝可以使太陽能吸收率達(dá)到90%以上，紅外輻射率為15%左右，可滿足要求，但應(yīng)重視三廢治理，有推廣價值。

（3）表面處理特種工藝的質(zhì)量控制要求是：文件、材料、工序、維護、環(huán)境、人員、質(zhì)檢都要求控制，其中原始記錄更為重要。

（4）國內(nèi)外航空航天將表面處理特種工藝放在首位，由于肉眼無法看出質(zhì)量好壞，相當(dāng)于“內(nèi)科醫(yī)生”通過“化驗”才能對癥治病。

TQ 153

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1000-4742（2015）02-0054-03

2013-06-21