一种新型的瓷-铝复合太阳能板

修大鹏，张新恩，许建华，赵国辰，蒋孝平，张素卿，王杰，洪善强

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；2.临沂科技职业学院，山东 临沂 276000；3.山东金象铝业有限公司，山东 临沂 276000)

传统金属平板太阳能集热器主要由太阳能吸热体、阳光吸热涂层、钢化玻璃板、保温材料和集热器框架等部件组成[1]。太阳能吸热体(包括铜合金、铝合金、铜铝合金和钢合金等)由于构造复杂，需要多道工序成型，制造成本较高；阳光吸热涂层通常由镍、铬、锰、钛和钒等各种贵重金属氧化物经合理搭配、 复杂工艺配制而成，其烧成工艺复杂，耐热性和呈色稳定性难以控制；此外，太阳能吸热体金属材料容易腐蚀，阳光吸热涂层吸收效率逐年衰减，导致集热器使用寿命不超过10年[2-4]。因此，需要开发一种低成本、高效率、长寿命的新型光热转换材料，用于制造绿色可持续的太阳能集热器[5]。

黑瓷粉料是一种廉价的工业陶瓷原料，具有良好的热稳定性和较高的光吸收率，是一种优良的光热转换材料。目前黑瓷粉料已广泛应用于人们的日常生活中。例如，黑瓷泡沫材料因其热稳定性被应用于管道保温系统中，隔热保温效果显著[6]；黑瓷复合陶瓷太阳能板因其高吸收率被规模化应用于新农村建设工程中，为民居实现冬季供暖[7]。本文以黑瓷粉料和耐蚀铝合金为主要材料研发了一种新型金属平板太阳能吸热体——基于纳米结构吸热涂层的瓷-铝复合太阳能板。此种吸热涂层热稳定性好，阳光吸收率高达0.96；集成化结构的瓷-铝复合太阳能板导热性能优良，导热效率高达0.98；瓷-铝复合太阳能集热器的集热效率约为43.6%，高于传统的太阳能集热器，制造成本比传统太阳能集热器平均低约14%。瓷-铝复合太阳能集热器在成本、寿命和效率方面更具优势，可用于建造大面积太阳能集热系统，推广应用前景广阔。

1 瓷-铝复合太阳能板的材料与工艺

1.1 材料组成

大多数金属材料均会因化学腐蚀或电化学腐蚀而影响使用寿命。在本研究中，瓷-铝复合太阳能板由铝合金基体板、导流汇集管和纳米结构吸热涂层组成。铝合金基体板采用型材挤出机将6063耐蚀铝合金一次挤制成循环管与曲翅板集成化结构，如图1所示。为提高循环管道的使用寿命，对导流汇集管内壁涂覆“不粘锅”性能的厌水涂层抑制腐蚀和水垢。在铝合金基体板表面喷涂纳米结构吸热涂层，涂层由纳米黑瓷粉、消光剂和树脂结合剂等黑色粉体合成。纳米黑瓷粉是一种黑色陶瓷粉料，其中含有超过80%的黑色金属氧化物。本课题组对纳米黑瓷粉进行了几十次烧结实验，结果表明，纳米黑瓷粉烧结温度宽、陶瓷性能好、太阳吸收率高，其化学组成见表1。

图1 挤制成型的集成化铝合金基体板Fig.1 Al alloy matrix plates manufactured through the extrusion process

表1 纳米黑瓷粉的化学成分

1.2 工艺流程

瓷-铝复合太阳能板的制造过程主要包括6个基本步骤。(1)将6063耐蚀铝锭采用型材挤出机挤压成图1所示的铝合金基体板；(2)将铝合金基体板与导流汇集管焊接成铝芯板；(3)对铝芯板进行脱脂、除油、除锈、去污、磷化、钝化和涂覆厌水涂层等表面保护处理；(4)将纳米黑瓷粉、消光剂和树脂结合剂等黑色粉体原料制备合成纳米黑瓷粉料；(5)将纳米黑瓷粉料静电喷涂到铝芯板表面；(6)在不低于300 ℃的加热炉中将喷涂纳米黑瓷粉料的铝芯板固化成基于纳米结构吸热涂层的瓷-铝复合太阳能板。

图2为在坡屋顶上构建的瓷-铝复合太阳能集热系统，单片模块化预制的瓷-铝复合太阳能板尺寸为6.0 m×1.0 m。由于采用挤压方法，在必要时可以很容易地改变模块化瓷-铝复合太阳能板的产品尺寸。

图2 单片集热面积为6 m2的模块化瓷-铝复合太阳能板Fig.2 Modularized porcelain-aluminum composite solar plate with an area of 6 m2

2 瓷-铝复合太阳能板的热性能

2.1 阳光吸收率

阳光吸热涂层是太阳能集热器的核心技术。根据对不同波长太阳光的吸收特性，吸热涂层可分为选择性吸热涂层和非选择性吸热涂层，选择性吸收涂层在一定的太阳光谱范围内具有较高的阳光吸收率[8]。许多研究者认为选择性吸收涂层可以主导太阳能集热器的热效率，而Licheri等[9]证明对于太阳能集热器来说，更重要的是广泛地吸收不同波长的太阳能，而不是强调在一定波长范围内的高吸收率。

经国家太阳能集热器质量监督检验中心检测，纳米结构吸热涂层的阳光吸收率曲线如图3所示。从图3可以看出，纳米结构吸热涂层对太阳光呈现出很强的光谱吸收性，在2～20 μm波长范围内均具有较高阳光吸收率，阳光吸收率表现比较稳定。

图3 纳米结构吸热涂层的阳光吸收率曲线Fig.3 Solar absorptance curve of nanostructure endothermic coatings

实验表明，光滑的阳光吸热涂层的阳光吸收率低于0.93，立体蜂窝网是太阳能吸热涂层提高阳光吸收率不可缺少的结构。纳米结构吸热涂层的表面粗糙度和涂层厚度可由空压机的气压、喷嘴的喷涂角度、喷涂时间和纳米黑瓷粉料的配方等因素进行调整。图4为纳米结构吸热涂层的蜂窝状图像，加速老化实验表明，即使直接遭受腐蚀性海水、酸雨、紫外线照射等恶劣条件，纳米结构吸热涂层的阳光吸收率也不会衰减。

图4 蜂窝网状纳米结构吸热涂层Fig.4 Honeycomb structure of nanostructure endothermic coatings

2.2 热稳定性

研究发现，传统太阳吸热体吸热涂层的阳光吸收率一般在0.94～0.96，在长期阳光照射下，热转换性能会逐渐老化下降，衰减后的阳光吸收率在0.88～0.90。理想的太阳能吸热材料是成本低、寿命长、吸收率高、耐热、耐腐蚀，且在长期阳光辐射下不老化的黑色陶瓷材料。

表2和表3分别为铝合金基体板和纳米结构吸热涂层的理化性能。铝合金基体板和纳米结构吸热涂层的热膨胀系数和导热系数有很大差异。经过200 h盐雾实验和加速老化实验，铝合金基体板和纳米结构吸热涂层结合牢固，无裂纹、气泡和腐蚀现象，热膨胀系数的差异不会导致吸热涂层的剥落。

表2 铝合金基体板的理化性能

表3 纳米结构吸热涂层的理化性能

铝合金基体板厚度可低至0.8 mm，吸热涂层厚度可低至0.1 mm。薄涂层能够加快传热速度，瞬间传热过程使导热系数的差异对传热效率的影响可以忽略不计。吸热涂层的固化温度应控制在360 ℃以下，过高的固化温度会导致铝合金基板软化，降低铝合金基体板的断裂强度。

太阳能集热器应具有较高的阳光吸收能力，与导热系数相比，阳光吸收率更为重要。蜂窝网状结构可提高吸热涂层的阳光吸收率，瓷-铝复合太阳能板的阳光吸收率可达到0.96。

2.3 导热效率

瓷-铝复合太阳能板改变了传统金属平板太阳能集热器的原料、结构和生产工艺。瓷-铝复合太阳能板芯采用铝锭挤压成型，传统的双板复合太阳能板芯采用上下两块波浪状铜板或铝板密集点焊，铜铝复合太阳能板芯采用铝板和铜循环管焊接而成。三种金属平板太阳能集热器的板芯结构见图5。

Souliotis等[11]发现，虽然金属基体板和循环管均具有良好的导热性，但是基体板和循环管构造方式的差异会直接影响太阳能集热器的导热效率。图5中(a)(b)(c)三种太阳能板芯的导热效率分别为0.97、0.98和0.96。这是因为瓷-铝复合太阳能板的基体板和循环管是由型材挤出机一步挤制成型的整体结构，集成结构的循环管和基体板可以直接传热，与焊接成型相比，降低了热量传导损耗，缩短了热量传导时间。

图5 三种金属平板太阳能集热器的板芯结构Fig.5 Plate core structures of three types of metal flat plate solar collectors

3 三种金属平板太阳能集热器对比实验

为研究瓷-铝复合太阳能板的热性能，在地面分别搭建了双板(铜或铝)、瓷-铝复合、铜铝复合三种金属平板太阳能集热器。

三台太阳能集热器的工艺参数如表4所示。倾角表示太阳能集热器的倾斜角，温度传感器分别安装在太阳能集热器的上顶面和相应的绝缘水箱内部，可以实时测量其温度，在三台太阳能集热器旁设置一个太阳辐射量计，可以测量日累计辐射量并显示其太阳辐射曲线。

表4 三台太阳能集热器的技术参数

为保证太阳能热水器在寒冷季节正常工作，在太阳能板的循环管中加入防冻液。保温水箱放置在太阳能集热器上方，统一采用温差自然循环原理运行(热液上升，冷液下降)。当太阳能板从阳光中吸收热量时，热量被传递到太阳能板循环管中的防冻液中，加热的防冻液上升到绝缘水箱的循环管道里，热量被传递到保温水箱中的水，冷却的防冻液再次回流到太阳能板的循环管中，循环往复。以瓷-铝复合太阳能集热器为例，其工作原理如图6所示。

图6 瓷-铝复合太阳能集热器工作原理图Fig.6 Schematic of porcelain-aluminum composite solar collectors

国家标准GB 50364—2005明确规定[10]，当日累计辐射量大于17 MJ/m2时，太阳能集热器的日有效吸热量应大于7.0 MJ/m2。为精确测量三台太阳能集热器的热性能，在选定的3 d内，进行8 h连续动态实验，测量时间为每天8:30至16:30。

所选3天环境温度与太阳辐射值的瞬时变化曲线如图7所示。结果表明，环境温度与太阳辐射值的曲线基本趋于稳定。这些参数没有受天气突变等偶然因素的影响，实验数据具有可比性。

图7 环境温度与太阳辐射值瞬时变化曲线Fig.7 Instantaneous changing curves of the environmental temperature and solar radiation value

在三台太阳能集热器即双板(铜或铝)、瓷-铝复合、铜铝复合太阳能集热器的保温水箱中，所选3 d的水温变化曲线如图8所示。由图可知，2019年4月8日，三个保温水箱的初始水温分别为27 ℃、27.1 ℃和27.3 ℃，8 h后的最终水温分别为52.9 ℃、54.9 ℃和52.6 ℃。其中，瓷-铝复合太阳能集热器的升温最高(27.8 ℃)，其次是双板复合太阳能集热器(25.9℃)，最低的为铜铅复合太阳能集热器(25.3℃)。根据热量的公式：Q=C×M×ΔT，其中，Q为日有效吸热量，C为水的比热容，M为保温水箱里水的质量,ΔT为保温水箱里水的温升。可以计算出2019年4月8日三台太阳能集热器的日有效吸热量分别为7.61、8.17和7.35 MJ/m2。2019年4月8日、4月28日、5月13日三天的日累计辐射量分别为18.6、23.8、28.2 MJ/m2。三个太阳能集热器在2019年4月8日的热效率分别为40.9%、43.9%和39.5%。同样，可以分别计算出三台太阳能集热器在2019年4月28日和5月13日两天的日有效吸热量和热效率，三台集热器的日有效吸热量和热效率见图9～10。在多云、阴、雨天气条件下，实验误差可控制在0.1%以内。其中热效率为日有效吸热量与日累计辐射量的比值。

图8 三台太阳能热水器的水温曲线Fig.8 Water temperature curves of three types of solar collectors

图9 三台太阳能集热器的日有效吸热量Fig.9 Daily effective endothermic quantity of three types of solar collectors

图10 三台太阳能集热器的热效率Fig.10 Thermal efficiency of three types of solar collectors

从以上数据可以看出，三台太阳能集热器的日有效吸热量均符合国家标准值，瓷-铝复合太阳能集热器的日有效吸热量略高于其他两台太阳能集热器，热效率比其他两台集热器高出约8.9%。

从图8可以看出，从中午12点左右开始，瓷-铝复合太阳能集热器的升温速度略快于其他两台集热器。在阳光吸收率大致相等的条件下，这种现象与瓷-铝复合太阳能板的结构有关。瓷-铝复合太阳能板不同于循环速度慢的双板复合太阳能板和小孔径的铜铝复合太阳能板，其由大孔径循环管组成，介质流量大，循环速度快。

4 成本讨论

评估太阳能板性能优劣需要关注的因素包括阳光吸收率、制造成本、使用寿命和环境危害等。根据国家太阳能集热器质量监督检验中心的检测，三台太阳能集热器的阳光吸收率基本相同。金属平板太阳能集热器的制造成本主要有以下三部分组成:配件材料成本(集热器框架、钢化玻璃、保温材料、支架等)，太阳能板成本和循环管道成本[12]。三种太阳能集热器的每平方米热水器的配套材料及循环管的材质用量和市场价格基本相同，其成本主要取决于太阳能板的材质和吸热涂层的生产工艺。与工序复杂的焊接工艺相比，一次挤压成型工艺的制造成本相对较低。

由于金属材料的腐蚀和吸热涂层的老化，双板复合太阳能板和铜铝复合太阳能板的使用寿命一般不超过10年。陶瓷材料是一种成本低、寿命长、结构稳定的无机非金属材料，经过厌水涂层处理的瓷-铝复合太阳能板的使用寿命一般在10年以上。图5中三台太阳能集热器的评价指标如表5所示。

表5 三台太阳能集热器的评价指标

5 结论

针对目前国内外传统太阳能集热器存在的真空玻璃管真空度逐年下降、金属管板材料不耐腐蚀、阳光吸热涂层逐年老化、使用寿命比较短等技术难题，本文提出通过改变集热板的生产工艺和吸热涂层的制备技术等途径，来提升集热器的综合性能，得出如下研究结论：

(1)区别于传统太阳能集热板的生产工艺，本研究采用型材挤出机将耐蚀铝合金板材挤制成管板一体结构的集热板芯，解决了金属板材不耐腐蚀的瓶颈难题，经200 h加速耐盐雾侵蚀实验合格，使用寿命不低于10年；

(2)采用静电喷涂、高温固化等工艺生成了一种纳米结构吸热涂层，解决了传统吸热涂层与基体板易脱落失效的缺点，实现了吸热涂层的不衰减、不老化，阳光吸收率高达0.96；

(3)瓷-铝复合太阳能集热器的热效率约为43.6%，高于传统的太阳能集热器，制造成本比传统太阳能集热器平均低约14%，可用于热水、空调和室内供暖等大面积太阳能集热系统。

目前该技术已实现产业化并成功应用于工程案例中，取得优良的用户体验效果。瓷-铝复合太阳能板能够充分利用太阳能，满足当前太阳能产业发展的需要，具有良好的经济效益和社会效益，推广利用前景广阔，为我国新能源改革提供了新的道路和方法，对推动我国新旧动能转换意义重大。