Высокоселективные покрытия, поглощающие солнечное излучение: ключевая технология для прорывов в области эффективности фототермического преобразования. Введение

В области использования солнечного тепла эффективность поглощающего покрытия напрямую определяет эффективность преобразования энергии всей системы. Высокоселективные поглощающие солнечные покрытия, являясь основным материалом в гелиотермических технологиях, обеспечивают эффективное поглощение солнечного излучения и эффективное подавление теплового излучения благодаря своим уникальным оптическим свойствам, становясь ключевым фактором повышения эффективности солнечных коллекторов. В данной статье подробно рассматриваются технические принципы, эксплуатационные характеристики, процессы изготовления и перспективы применения высокоселективных поглощающих солнечных покрытий, а также предоставляются исчерпывающие технические рекомендации для специалистов отрасли и конечных пользователей.

I. Технические принципы и характеристики

Высокоселективные покрытия для поглощения солнечного излучения – это функциональные материалы с особыми оптическими свойствами. Их основной принцип заключается в высокой степени поглощения в диапазоне солнечного излучения (0,3–2,5 мкм) при сохранении низкой излучательной способности в диапазоне теплового излучения (2,5–25 мкм). Эта селективная характеристика поглощения достигается благодаря точному проектированию структуры многослойной плёночной системы, которая обычно состоит из таких компонентов, как отражающий слой, поглощающий слой, антибликовый слой и защитный слой.

Оптические характеристики

Скорость поглощения (α) высококачественных поглощающих покрытий с высокой селективностью может достигать 0,95–0,98, коэффициент излучения (ε) может составлять всего 0,04–0,08, а коэффициент оптических характеристик (α/ε) может превышать 12. В стандартном солнечном спектре AM1.5 его эффективность фототермического преобразования превышает 92%, что на 20–30% выше, чем у обычных покрытий. Избирательные характеристики покрытия позволяют ему поглощать максимальное количество солнечной энергии при минимальных потерях теплового излучения.

Термическая стабильность

После 2000 часов испытаний на старение при высокой температуре 350°C скорость ухудшения характеристик составила менее 3%. После 3000 часов испытаний во влажной и жаркой среде с температурой 85°C и относительной влажностью 85% покрытие не отслаивалось и не обесцвечивалось, демонстрируя исключительную стойкость к воздействию окружающей среды. Стойкость к солевому туману без коррозии достигает 1500 часов, что делает его пригодным для использования в различных климатических условиях.

II. Процесс подготовки и технический прогресс

Технология магнетронного распыления

Самый передовой в настоящее время метод подготовки — магнетронное распыление. Благодаря точному контролю параметров распыления в условиях высокого вакуума достигается напыление пленок с нанометровой точностью. Этот процесс позволяет создавать многослойные пленочные структуры равномерной толщины и точного состава, обеспечивая стабильность и повторяемость характеристик покрытия. Современная производственная линия оснащена полностью автоматической системой управления, обеспечивающей точность контроля толщины пленки ±0,5 нм.

Технология электрохимического осаждения

Для некоторых областей применения электрохимическое осаждение остаётся важным методом подготовки. Оптимизация состава электролита и параметров осаждения позволяет получать селективные абсорбционные покрытия с превосходными характеристиками. Этот метод относительно недорогой и подходит для крупносерийного производства, но уступает магнетронному распылению по точности управления и стабильности.

Золь-гель метод

Новая технология золь-гель-приготовления стремительно развивается. Этот метод позволяет получать селективные абсорбционные покрытия с наноструктурами при относительно низких температурах. Он особенно подходит для гибких подложек и подложек специальной формы, открывая новые возможности для нанесения покрытий.

III. Анализ преимуществ производительности

Выдающаяся эффективность фототермического преобразования

По сравнению с традиционными покрытиями, тепловая эффективность высокоселективных абсорбционных покрытий повышается более чем на 25%. При тех же условиях освещения температура воды на выходе коллектора с таким покрытием повышается на 10–15 °C, а теплоотдача системы увеличивается более чем на 30%. Преимущества его эксплуатационных характеристик становятся ещё более очевидными, особенно в условиях средних и высоких температур.

Длительная долговечность

Испытания на ускоренное старение показывают, что срок службы высокоселективных поглощающих покрытий может превышать 30 лет. В реальных условиях эксплуатации, после 15 лет испытаний на открытом воздухе, коэффициент поглощения покрытия снизился всего на 2,5%, а излучательная способность увеличилась на 0,9%, а скорость снижения производительности оказалась значительно ниже требований отраслевых стандартов.

Широкая адаптируемость приложений

Это покрытие можно наносить на различные подложки, включая металлические материалы, такие как медь, алюминий и нержавеющая сталь, а также на некоторые гибкие материалы. Регулируя параметры процесса подготовки, можно удовлетворить особые требования различных вариантов применения и обеспечить производство по индивидуальному заказу.

IV. Области применения и анализ случаев

Применение плоских коллекторов

В области плоских коллекторов высокоселективные абсорбционные покрытия стали стандартной конфигурацией для высококачественных продуктов. После того, как известный бренд плоских коллекторов внедрил это покрытие, мгновенная эффективность увеличилась до 85%, что на 15% выше, чем у обычных изделий. Температура на выходе из коллектора может достигать более 100 °C, что соответствует требованиям промышленного отопления.

Применение вакуумных трубчатых коллекторов

В вакуумных трубчатых коллекторах на внешнюю поверхность теплопоглощающих трубок нанесено высокоселективное абсорбционное покрытие, значительно повышающее эффективность сбора тепла. Вакуумный трубчатый коллектор с этим покрытием, принятый в одном из проектов, достиг КПД системы 70%, что на 18% выше, чем у традиционных изделий, а срок окупаемости сократился до 3,5 лет.

Концентрированная генерация солнечной тепловой энергии

В области КСЭ высокоселективные поглощающие покрытия являются ключевой технологией для достижения высокотемпературной генерации электроэнергии. На одной из солнечных тепловых электростанций используются теплопоглотители с таким покрытием, что позволяет достичь рабочей температуры более 400 °C, что повышает эффективность генерации электроэнергии на 25% и снижает стоимость киловатт-часа на 30%.

Интегрированное приложение для зданий

В системах BIPV/T используются высокоселективные поглощающие покрытия для повышения эффективности поглощения тепла, а эстетические требования к архитектуре обеспечиваются за счёт оптимизированной конструкции. Данные демонстрационного проекта показывают, что система с этим покрытием имеет общую эффективность 78%, что на 22% выше, чем у обычной системы.

V. Тенденции технологического развития

Направление материальных инноваций

Исследователи разрабатывают новые типы нанокомпозитов, такие как углеродные нанотрубки, графен и другие новые углеродные материалы, а также наноструктурированные материалы на основе оксидов металлов. Ожидается, что эти новые материалы увеличат коэффициент поглощения до более чем 0,98 и снизят коэффициент излучения до менее 0,03.

Оптимизация структурного проектирования

Конструкция многослойных плёночных систем развивается в сторону увеличения числа слоёв и более точного контроля толщины. Улучшенная спектральная селективность достигается за счёт компьютерной оптимизации оптических свойств. Исследуются и применяются новые концепции, такие как градиентная структура показателя преломления и фотонно-кристаллическая структура.

Инновации в процессе приготовления

Новые технологии, такие как технология низкотемпературной подготовки и технология непрерывного производства «из рулона в рулон», стремительно развиваются. Эти технологии позволяют снизить производственные затраты, повысить эффективность производства и одновременно минимизировать воздействие на окружающую среду. Передовые технологии, такие как атомно-слоевое осаждение (ALD), также начали применяться для создания селективных абсорбционных покрытий.

Интеллектуальное развитие

Интеллектуальные чувствительные покрытия – важное направление развития в будущем. Эти покрытия способны автоматически регулировать свои характеристики излучения в зависимости от температуры окружающей среды. Для создания интеллектуальных селективно поглощающих покрытий изучаются новые функциональные материалы, такие как материалы с фазовым переходом и термохромные материалы.

VI. Стандарты качества и методы испытаний

Международная стандартная система

Испытания и оценка эксплуатационных характеристик высокоселективных покрытий, поглощающих солнечный свет, сформировали комплексную международную систему стандартов. Она включает в себя, главным образом, стандарты серии ISO 22975, стандарты EN 12975 и др. Эти стандарты устанавливают методы испытаний и требования к оптическим характеристикам, долговечности, адаптации к окружающей среде и другим показателям покрытий.

Метод тестирования производительности

Для измерения коэффициента поглощения обычно используется спектрофотометр с интегрирующей сферой, а для измерения излучательной способности — инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье. Испытания на долговечность включают серию испытаний на ускоренное старение, таких как испытания на старение при высоких температурах, испытания на воздействие влажного тепла, испытания в соляном тумане и испытания на старение под воздействием ультрафиолета.

Система сертификации качества

Сертификация Solar Keymark — это всемирно признанный сертификат качества для солнечной продукции. Продукция, прошедшая эту сертификацию, подтверждает, что её характеристики и качество соответствуют передовому международному уровню. Кроме того, в каждой стране действует своя система сертификации, например, сертификация Golden Sun в Китае, сертификация SRCC в США и т. д.

VII. Анализ экономической выгоды

Анализ состава затрат

Затраты на производство высокоселективных абсорбционных покрытий в основном складываются из материальных затрат, амортизации оборудования, затрат на электроэнергию и оплату труда и т. д. Среди них инвестиции в оборудование для магнетронного распыления составляют более 40% от общей стоимости, расход материалов мишени — около 30%, а затраты на электроэнергию — 15%.

Анализ доходности инвестиций

Хотя первоначальные инвестиции на 50–80% выше, чем у обычных покрытий, благодаря более высокой эффективности и более длительному сроку службы срок окупаемости сокращается на 2–4 года. За весь жизненный цикл оно способно генерировать более чем на 35% больше тепловой энергии и увеличить совокупный экономический эффект более чем на 60%.

Оценка рыночной стоимости

Ожидается, что к 2025 году объём мирового рынка высокоселективных покрытий для поглощения солнечной энергии достигнет 5 миллиардов долларов США, а годовой темп роста превысит 15%. Снижение затрат и повышение производительности, обусловленные технологическим прогрессом, способствуют быстрому развитию этого рынка.

VIII. Выводы и перспективы

Высокоселективные поглощающие солнечные покрытия, являясь основным материалом в технологии использования солнечного тепла, движут всю отрасль к высокой эффективности и долговременной эффективности. Благодаря своим выдающимся характеристикам и значительным экономическим преимуществам они являются предпочтительной технологией для модернизации и замены солнечных коллекторов. 

В будущем, благодаря постоянному появлению новых материалов и новых процессов, характеристики высокоселективных абсорбционных покрытий будут ещё больше улучшаться, а их стоимость – снижаться. Эти покрытия будут играть всё более важную роль, особенно в областях применения при средних и высоких температурах. В то же время, с развитием интеллектуального производства и нанотехнологий, процесс изготовления покрытий станет более точным и экологически безопасным. 

Мы предлагаем соответствующим предприятиям и научно-исследовательским учреждениям увеличить инвестиции в исследования и разработки, содействовать технологическим инновациям, снижению затрат и повышению эффективности. Соответствующим государственным ведомствам следует усовершенствовать систему стандартизации, усилить контроль качества и содействовать здоровому развитию отрасли. При выборе солнечных батарей конечным потребителям следует уделять особое внимание эксплуатационным характеристикам и сертификации качества покрытия для обеспечения максимальной окупаемости инвестиций. 

Разработка технологии высокоселективного поглощения солнечной энергии внесет значительный вклад в достижение целей глобального энергетического перехода и сокращения выбросов углерода, а также выведет отрасль использования солнечной тепловой энергии на новый этап развития.