Поглощающая солнечную энергию пленка: «Технология Soul Black» плоского коллектора

В основе плоского солнечного коллектора, несомненно, лежит теплопоглощающая пластина. Именно, казалось бы, простое, но высокотехнологичное селективное поглощающее покрытие на поверхности теплопоглощающей пластины обеспечивает ей способность эффективно преобразовывать энергию. Это специальное покрытие можно считать «душой» плоского коллектора, напрямую определяющей эффективность сбора тепла, рабочую температуру и срок службы всей системы. В данной статье подробно рассматриваются технические принципы, история развития, эксплуатационные характеристики этого «чёрного костюма» и его ключевое влияние на общую эффективность коллектора.

I. Основная функция: почему необходимо «избирательное» поглощение?

Энергия солнечного излучения в основном состоит из видимого света и ближнего инфракрасного излучения, и её распределение энергии приблизительно эквивалентно излучению абсолютно чёрного тела при температуре 5800 К. Когда теплопоглощающая пластина коллектора работает (обычно при температуре ниже 150 °C), она также генерирует инфракрасное излучение из-за нагрева, что приводит к потерям тепла. 

1. Идеальный слой абсорбирующей пленки должен отвечать двум, казалось бы, противоречивым целям: 

Максимизировать поглощение энергии из солнечного спектра (длины волн 0,3–2,5 мкм). 

Минимизировать энергию инфракрасного излучения (длина волны >2,5 мкм), генерируемого самой теплопоглощающей пластиной. 

2. Эта характеристика «только вход, никакого выхода» является основой селективного поглощения. Его эффективность определяется двумя ключевыми параметрами: 

Коэффициент поглощения солнечной энергии (α): способность плёнки поглощать энергию солнечного излучения. Чем ближе идеальное значение к 1 (100%), тем лучше. 

Тепловая излучательная способность (ε): способность плёнки излучать тепло наружу при рабочей температуре. Чем ближе идеальное значение к 0 (0%), тем лучше. 

Таким образом, истинным ключевым показателем для оценки качества плёночного слоя является его коэффициент фототермического преобразования (α/ε). Чем выше этот коэффициент, тем выше его селективность и тем выше чистая эффективность коллектора.

II. Технологическая эволюция: от обычной чёрной краски до высокотехнологичных покрытий

Развитие слоя поглощающей пленки претерпело три поколения технологических инноваций: 

1. Первое поколение: неселективное покрытие 

Материал: Обычная черная краска (например, асфальтовая краска, краска для школьных досок). 

Характеристики: Несмотря на относительно высокую степень поглощения (α ~0,90–0,95), излучательная способность также чрезвычайно высока (ε ~0,85–0,90), а соотношение α/ε близко к 1. Он подобен чёрному камню, способному поглощать тепло, но также легко его рассеивать. Он неэффективен и в значительной степени снят с производства. 

2. Второе поколение: внутреннее селективное покрытие 

Материалы: Некоторые материалы, которые по своей природе являются селективными, такие как черный хром, черный никель, оксид меди (CuO), оксид железа (Fe3O4) и т. д. 

Характеристики: Эти материалы демонстрируют различные оптические свойства для света разных длин волн на уровне микроструктуры. Например, традиционное гальваническое покрытие из чёрного хрома известно своей исключительной стабильностью (высокотемпературной стойкостью и влагостойкостью), коэффициентом поглощения α 0,93–0,97, коэффициентом излучения ε 0,08–0,12 и значительным увеличением отношения α/ε до более чем 10. 

Третье поколение: градиентное селективное покрытие (покрытие оптического интерференционного типа) 

Технология: Применяется технология вакуумного нанесения покрытий методом магнетронного распыления (магнетронного напыления). 

Структура: путем последовательного нанесения нескольких слоев наноразмерных пленок с различными показателями преломления (например, нитрида алюминия, нитрида циркония и композитов нержавеющая сталь-нитрид алюминия) на металлическую подложку (например, медь или алюминий) формируется «градиентная» структура с постепенно изменяющимся показателем преломления от поверхности к подложке. 

Принцип работы: использование принципа оптической интерференции. Толщина и материал каждого слоя плёнки точно рассчитаны таким образом, чтобы вызывать многократное отражение и интерференцию солнечного света внутри плёнки, в конечном итоге практически полностью поглощая его («эффект ловушки»). Кроме того, эта многослойная структура обладает высокой отражательной способностью для длинноволнового инфракрасного излучения, тем самым подавляя тепловое излучение. 

Особенности: Это современная передовая технология. Она обладает исключительно превосходными характеристиками: коэффициент поглощения α > 0,95 и коэффициент излучения ε всего 0,04–0,06 (при 80 °C), а соотношение α/ε достигает более 15. Внешний вид обычно однородный, сине-чёрный или тёмно-чёрный.

III. Основные показатели эффективности и стандарты тестирования

Чтобы оценить качество слоя абсорбирующей пленки, необходимо учитывать следующие основные характеристики: 

Оптические характеристики: α > 0,95, ε < 0,05 являются отличительными признаками продукции высокого класса. 

Устойчивость к атмосферным воздействиям (долговечность) 

Влаго- и термостойкость: после сотен часов испытаний в условиях высокой температуры и влажности (например, 85°C и 85% относительной влажности) ухудшение характеристик должно быть минимальным. Это ключ к оценке срока службы покрытия. 

Термостойкость: может стабильно работать в течение длительного времени при рабочих условиях 150-200 ℃ без отслоения, шелушения и окисления. 

Устойчивость к солевому туману: для прибрежных районов способность противостоять солевой коррозии имеет решающее значение. 

Адгезия: Покрытие должно быть прочно соединено с металлической основой. Испытания, такие как испытания на прочность в поперечном сечении, гарантируют, что оно не отслоится. 

Устойчивость к воздействию солнца: в условиях экстремального воздействия солнца эксплуатационные характеристики покрытия остаются стабильными, без старения или разрушения.

IV. Основные технологии покрытий

Тип покрытия: напыление градиентного алюминиево-азотного покрытия (синяя пленка/черная пленка)

Оптические характеристики: отличные (α>0,95, ε<0,05)

Устойчивость к атмосферным воздействиям: отличная (устойчива к влажному теплу и высоким температурам)

Экологичность: Экологически чистый, не содержит тяжелых металлов.

Стоимость: относительно высокая (большие инвестиции в оборудование)

Внешний вид: Однородный сине-черный или темно-черный

Тенденции рынка: основные и будущие направления

V. Как выбрать качественные пленочные слои для вашего коллекционера?

Узнайте о типе технологии: Отдайте предпочтение градиентному покрытию алюминий-азот с использованием технологии магнетронного распыления. 

Запросить параметры производительности: Попросите поставщика предоставить отчет, выданный авторитетным испытательным учреждением, с акцентом на результаты испытаний скорости поглощения (α), излучательной способности (ε), а также влаго- и термостойкости. 

Обратите внимание на внешний вид: качественное покрытие имеет равномерный цвет, плотное, без царапин и изъянов. Его можно легко потрогать рукой. Порошок не должен осыпаться. 

Выбирайте надежную марку: Лакокрасочные материалы известных брендов имеют более стабильное качество и гарантированный срок службы.

Ви. Заключение

Несмотря на то, что пленка селективного поглощения солнечного излучения тонкая, она является одним из основных компонентов с самой высокой технологической составляющей и наибольшей добавленной стоимостью в технологии плоских солнечных коллекторов. От обычной черной краски до высокотехнологичного покрытия, нанесенного методом вакуумного напыления, каждое ее усовершенствование значительно повышало эффективность и экономичность использования солнечного тепла. 

Сегодня высокоэффективное градиентное покрытие стало стандартом для высококачественных плоских коллекторов, определяя не только выходную мощность коллектора в хорошую погоду, но и его эффективность сбора тепла в дождливые дни, при низких температурах зимой и долгосрочную надежность всей системы. При выборе плоского коллектора глубокое понимание структуры этого чёрного плёночного слоя «изнутри», несомненно, является важнейшим шагом для принятия взвешенного решения. Инвестировать в коллектор с надёжным «сердцем» — значит инвестировать в преимущества энергоэффективности на десятилетия вперёд.