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耐热树脂涂料型涂层的技术特点与应用前景

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【摘要】:
随着平板太阳能与建筑相结合及工程应用的快速发展,涂料型平板集热器具有运行安全可靠、使用寿命长、维护费用低等一系列的显著优点,涂料型涂层将以其均衡的技术,优异的经济性
  随着平板太阳能与建筑相结合及工程应用的快速发展,涂料型平板集热器具有运行安全可靠、使用寿命长、维护费用低等一系列的显著优点,涂料型涂层将以其均衡的技术,优异的经济性,良好的市场竞争力得到快速发展,使涂料型涂层太阳能集热器在住宅生活热水和采暖等低温应用领域具有广阔的市场空间。
  1主要涂层类型概述
  目前国内平板太阳能市场使用的涂层主要有真空磁控溅射金属镀膜(蓝膜)、黑铬、阳极氧化和涂料涂层,尽管各家平板太阳能集热器的生产企业的情况各异,对各种材料的认识不尽相同,但是作为行业的共识就是,没有哪一种涂层具有全面优于其他涂层的优势,均有存在的合理性,同时,各种涂层技术都在发展之中,所以不应简单地将某一类列入先进或落后的范围。
  2涂料型涂层国内外应用
  2.1万和公司的涂料型涂层
  2013年广东万和新电气股份有限公司(以下简称“万和”)国内首条从日本进口的平板太阳能吸热体涂装生产线正式投产,目前已经实现产业化,形成年产70万m2的生产能力。
  该生产线所采用的集热器涂层材料属于硅系功能性涂料,具有良好的耐热性能和耐化学品性能、优异的耐候性、耐腐蚀性能、长寿命性能及良好的耐湿性能。
  2014年3月,万和公司平板太阳能吸热体涂装生产线生产的“静电喷涂”硅系涂层产品,通过了国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的检验,获得了中国太阳能热利用产业联盟、中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会、中国节能协会太阳能专业委员会、中国太阳能热利用产业联盟、平板太阳能专业委员会的一致认可,并颁发了行业推荐证书。
  万和公司生产的涂料型涂层吸热体,采用日本涂料生产企业开发的选择性硅系涂料,该类涂料自1980年开始生产,目前万和公司使用的涂料属于第三代产品。以硅系树脂作为涂料黏胶剂,无论物理性能和化学性能都比国内市场上常见涂料有明显的提高,其耐久性可以满足正常使用20年以上的要求。太阳能吸热体专用选择性硅系涂料是以硅树脂为基础,添加功能性材料加工而成的功能性涂料,硅系树脂是使该涂料具备良好耐候性和耐久性的关键。
  几种国内市场上吸热涂层技术指标对照
  2.2涂料型涂层的国外应用
  目前使用涂料涂层较多的地区是日本和澳大利亚等地区,其中在日本的太阳能集热器市场,涂料涂层占有率约为40%,涂料黏胶剂基本采用硅系树脂;同时,以日本矢崎公司开发的“金属-电介质混合体构造涂层”为代表的电化学处理涂层,在日本的市场份额大体与涂料型涂层相当,这类涂层通常归入阳极氧化类别。
  德国ALANOD公司2009年开始销售涂料型产品,样本值显示技术性能与日本同类产品相近。该涂料型吸热板采用预涂装工艺,采用辊轧涂覆涂料,工艺参数稳定,性能指标一致性好。必须在铝片生产厂涂覆,无法采用喷涂工艺涂覆。目前德国ALANOD公司的蓝膜和涂料型两种铝质太阳能吸热板的销售比例大约为3:1(蓝膜型:涂料型)。
  意大利ALMECO公司是德国TiNOX公司的母公司。虽然ALMECO公司涂料型涂层TiNOX nano的吸收比为0.90,但是其发射比可以达到0.05,因此在较高水温的应用条件下,其热辐射性能与蓝膜仍然比较接近。TiNOX nano吸热板采用预涂装工艺,采用辊轧涂覆涂料,工艺参数稳定,性能指标一致性好。据介绍,采用纳米技术是TiNOX nano表面发射比显著低于同类产品的关键。
  3涂料型涂层工艺特点
  涂料型涂层的涂装工艺分为预涂型和后涂型,各有优势。预涂型的整板生产工艺与使用蓝膜相同,整板生产企业可以节省涂装设备的投资。而后涂型的优势在于:
  ——吸热板与流道之间采用超声波焊接工艺联接,传热性能好,同时焊接处比较牢固,减少了在北方寒冷地区由于较大温差的作用出现吸热板与流道脱落的机会;
  ——由于采用吸热板与流道先焊接后涂装的工艺,避免焊接过程损伤吸热体表面,吸热表面得到充分利用,可提高吸热量3%~5%。
  由于涂层属于功能性涂层,所以涂层厚度对发射比影响较大,常规喷涂工艺难以满足要求,为此万和公司在国内首先采用超低流量喷涂技术,实现涂层厚度的精确控制,以保证整片吸热体表面的热辐射性能的一致。
  与其他涂层的制作过程相比,采用涂装法制作涂层对底板预处理工艺要求可以十分简单,只需要进行除油、干燥,而固化过程与常规涂装固化过程相似。因此,生产过程环境影响小、能耗低,生产成本低。
  4涂料型涂层技术性能
  4.1热辐射性能
  不同涂层材料的吸收比比较接近,高一些的是0.95左右,最低的一般也达到0.92,而针对发射比的差异则较大,较高的指标是0.20,较低的是0.05。万和研制的涂料吸收比平均为0.93,发射比为0.15,GB/T 26974-2011《平板型太阳能集热器吸热体技术要求》规定选择性涂层的热辐射性能指标为,吸收比≥0.92,发射比≤0.20。
  4.2耐候性
  按GB/T 26974-2011规定的测试方法进行测试,万和公司生产的涂料型涂层能够通过1000h的中性盐雾试验,该指标明显优于目前市场上常见的其他主流涂层。
  4.3户外曝露试验
  耐热树脂涂料具备良好的抗紫外线影响力,可以满足正常条件下使用30年的要求。据日本国内应用的数据显示,在用户正常使用超过20年的太阳能集热器上拆卸下来的吸热体,经测试其主要技术指标基本保持不变。
  4.4不同涂层热性能测试对比
  根据不同涂层热性能测试对比得出的数据,对于用于制取生活热水的平板太阳能热水器,采用吸收比0.95,发射比为0.05的蓝膜和采用吸收比0.93,发射比为0.15的涂料型涂层,在其他设计和制造条件相同下组成整板,热效率差异一般在2%以内,多数情况下差异为1%左右。
  对于实际测试结果明显优于预期的情况,分析其原因大致为:
  ——由于使用蓝膜涂层的吸热体需要采用激光焊接工艺连接吸热板和流道,两者之间传热面积较小,而使用涂料型涂层的吸热体采用超声波焊接工艺,吸热板与流道之间接触面积大,传热性能好。同时焊接牢固,避免了在北方寒冷地区由于较大温差的作用出现吸热板与流道脱落的缺陷;
  ——由于采用吸热板与流道先焊接后涂装的工艺,避免焊接过程损伤吸热体表面,吸热表面得到充分利用,有效热利用率提高4%~5%。
  从实际应用效果比较,在北方地区冬季运行时,前者获得的热水温度可以高5℃左右,而在北方地区其他季节应用,或者在其他地区应用,前者获得的热水温度的差异一般在2℃左右。而整板设计和制造差异的影响明显大于此幅度,换言之,整板的设计和制造因素对集热器性能的影响远远大于涂层材料的热辐射性能差异。由于在北方地区冬季通常需要利用辅助热源进行升温,从用户使用的角度,并不会带来不便,两种涂层材料在使用过程的差异主要是在用户支付的辅助加热费用略有不同。
  5技术竞争能力分析
  衡量吸热表面对太阳能的利用能力的指标,是吸收比和发射比。吸收比是吸热表面将投射的太阳能转换为热能的能力,较高的吸收比意味更有效地利用太阳能;发射比是吸热表面将热能以辐射形式向外传递的能力,较低的发射比意味热能损失较少。选择性吸收涂层具有较高的吸收比和较低的发射比。
  从集热器效率与归一化温度的关系分析,发射比的影响主要体现在集热器的热损性能,主要影响效率曲线的斜率。当出水温度较高或太阳辐照度较小时,发射比的影响比较明显,而实际上,对于实际使用的集热器,主要工作范围在中间区域。在太阳能低温利用领域,例如生活热水供应,发射比对集热器的效率影响较小,对于太阳能采暖应用,由于供水温度通常为30℃~45℃,明显低于生活热水的供水温度,涂层发射比较高的不利影响更小。同时,集热器的效率还受到其他因素影响:
  ——玻璃盖板性能影响阳光透射到吸热表面的比率,较低的反射比可以让更多的太阳能透射到吸热体表面,玻璃盖板阻挡了吸热体辐射能量的传递,也隔断了吸热体与周围空气的对流传热,玻璃盖板与吸热表面的干燥空气层,有效抑制了热量的传导,这些措施可以有效减少集热板的热量损失;
  ——合理的流道设计及时将吸热体获得的热量高效率地传递到水中,最大限度减少由于温度分布不合理造成的热量损失;
  ——绝热辐射性能良好的板框可以有效减少热量损失。
  吸热体的热辐射性能是决定集热器效率的重要因素,但是,高效的集热器还需要玻璃盖板、流道以及板框的合理设计。由于玻璃盖板的使用,不同类型吸热体表面发射比差异对集热器效率造成的不良影响大大减小;虽然在此过程中玻璃盖板吸收了部分能量而导致表面温度升高,使得其造成一些对流热损失,但是,总体来说,玻璃盖板的使用有效提高了集热器的热利用效率。
  不同涂层材料的吸收比比较接近,高一些的是0.95左右,最低的一般也达到0.92,而发射比的差异则较大,较高的指标是0.20,较低的是0.05。太阳能行业曾出现了以发射比区分涂层档次的提议,但是,这种观点并未被普遍赞同,由于在太阳能低温利用领域,例如生活热水供应,发射比对集热器的效率影响较小,而对于多数的集热器生产企业和系统承包企业而言,较高的耐候性对于降低维修率意义重大。
  吸热体的热辐射性能是决定集热器效率的重要因素,高效的集热器还需要玻璃盖板、流道以及板框的合理设计。由于玻璃盖板的使用,不同类型吸热体表面发射比差异对集热器效率造成的影响大大减小;与此同时,如果吸热体的发射比较低,即使吸收比偏低,集热器的效率也有较好的表现。衡量太阳能集热器的优劣,取决于以技术性与经济性的均衡组合来满足用户需求的程度,包括使用性能和购置费用。涂层质量是行业发展的基础,市场上主流的涂层在生活热水和采暖热水供应的应用领域,使用性能差异不大,而在权衡热辐射性能和耐侯性的问题时,对于多数的集热器生产企业和系统承包企业而言,较高的耐候性对于降低维修率意义重大,应对改善耐候性给予更多的关注。
  6涂料型涂层发展前景
  以硅系树脂为基础的新一代太阳能选择性耐热树脂涂料型涂层,具有优异的耐候性和突出的经济性,同时其热辐射性能可以符合相关标准的要求,其设计寿命达到20年以上,具备了与市场上主流涂层进行竞争的能力。万和公司目前已经基本完成了硅系太阳能选择性耐热树脂涂料型涂层的产业化开发工作,并形成了大批量生产的能力。
  虽然涂料型涂层的热辐射性能与蓝膜涂层仍然存在一定的差距,但是,由于影响集热器热效率的一系列因素的综合影响,使得在实际应用条件下,差异显著缩小;更重要的是,影响集热器产品可靠性的耐候性和耐久性指标得到大幅度提高,有效解决我国平板太阳能集热器应用面临的质量问题。目前平板太阳能集热器高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平,高性能的涂料型涂层的应用将促进平板集热器产品的市场竞争力进一步增强。涂料型涂层的应用将吸热板的制造成本在目前市场上主流涂层吸热板的基础上,降低15%~65%;同时,吸热体的使用寿命延长一倍以上;至于涂料型涂层在耐候性方面的改进,颠覆了多数人对涂层的认知。
  随着平板太阳能与建筑相结合及工程应用的快速发展,涂料型平板集热器具有运行安全可靠、使用寿命长、维护费用低一系列优点更加显著,涂料型涂层将以其均衡的技术经济性形成的市场竞争力得到快速发展,使得未来使用涂料型涂层的太阳能集热器在住宅生活热水和采暖等低温应用领域具有广阔的市场空间。