太阳能热水器.docx
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太阳能热水器
M-AlN太阳选择性吸收涂层的研制
作者:
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太阳能高温利用是当前太阳能领域的前沿课题。
太阳能热发电采用高倍聚焦式真空管集热器,其工作温度在450℃以上。
Luz公司采用掺钼的三氧化二铝(Mo-Al2O3)金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料,该涂层在500℃温度下性能稳定。
涂层采用连续式射频溅射方法进行规模化生产,工艺复杂,成本昂贵。
目前我国广泛应用的是真空管太阳集热器,其选择性涂层大多采用磁控溅射多层渐变Al-N-Al。
该涂层靠多层吸收膜提高吸收能力,很容易引起发射率的升高,尤其是当温度较高时,发射率随温度急剧升高,所以只能在250℃以下使用。
太阳能中高温(350-500℃)利用有十分广阔的前景,以太阳能空调技术为例,如果采用低倍聚焦的中高温集热器可以大大提高制冷系统的性能系数(COP)。
太阳能中高温集热器要求吸收涂层具有低的发射率,在350℃以上的较高温度下发射率不能太高。
吸收层数太厚与金属体积因子过高,二者均使吸收率截止波长向长波方向移动,引起发射率的升高,这就需要重新选择材料并进行膜系设计。
复合材料的有效介质理论表明,随着金属体积分数的增加吸收峰向长波方向移动,通过金属粒子体积分数与膜层厚度等参数的适当组合,可使吸收峰分别处于不同位置,相应波长的表面反射率更接近于理想状况,即低太阳光谱反射率和高红外反射率。
实验结果表明,采用适当结构的金属陶瓷选择性涂层,符合中高温太阳集热器的工作要求。
1 有效介质理论与膜系设计 根据选择性吸收的原理,选择钼、钨、铬、钴、镍等金属粒子注入氮化铝介质,得到金属陶瓷复合膜。
该复合膜改变了原材料的n、k值,具有对可见、近红外的吸收性,同时还可以透射红外光谱并具有较低的折射率(<2.0=,可满足太阳选择性吸收涂层的基本要求。
为了避免吸收层金属粒子体积分数过高而引起发射率升高这一问题,应尽量利用干涉效应。
在薄膜吸收系数较低即体积分数较低的情况下,基片的反射系数越高,薄膜中由于干涉作用吸收能量所占的比率越大。
为了增强干涉效果,选择高反射率的金属(铜、铝等)作基底材料,并严格控制膜的光学厚度。
此外,在吸收膜上再制备减反射层,以降低可见光在吸收层与空气界面上的反射,从而得到理想的选择性吸收效果。
确定薄膜材料和结构后,需要计算出膜层的反射率和透射率进行反演寻优膜系设计,其中关键问题是求出不同金属体积分数金属陶瓷的复合介电常数?
=(n+ik)2(≡?
),确定它们的n、k值等光学常数后,才能进行膜层厚度以及体积分数等参数的优化设计。
将金属粒子掺入介质块体中形成的膜称粒子膜,它象岛状结构膜那样,粒子分散在介质基体中。
为求出粒子膜的复折射率需运用均匀介质理论。
但至今仍未求出能够适用于任意粒子形状、直径及粒子分布状况的粒子膜的通式,所以通常采用有效介质理论。
该理论是将适用于一个粒子的无粒子直径限制的理论用于上述粒子膜的集合体上,其中包括Maxwell-Garnet(MG)理论和Bruggeman(Br)理论。
两种理论的表达式如下:
(?
-?
m)/(?
+2?
m)=f(?
p-?
m)/(?
p+2?
m) [MG]
(1)f(?
p-?
)/(?
p+2?
)+(1-f)(?
m-?
)/(?
m+2?
)=0 [Br]
(2)式中,?
p、?
m分别为金属粒子和介质基体的介电常数,与波长有关;由于2≡?
式
(2)可表达为f(N2p-N2)/(N2p+2N2)+(1-f)(N2-N2m)/(2N2+N2m)=0 (3)式中,Np、Nm、N分别为金属、介质及金属陶瓷复合材料的折射率和复折射率,均与波长有关;Nm为介质的折射率,通常为实数。
式(3)为四次复数方程,解该方程求出膜层的n、k值后即可利用多层膜系矩阵公式进行计算反应溅射沉积氮化铝介质层,求出膜系的反射率(计算过程略)。
2 实验与结果 实验采用平面三靶磁控溅射装置。
靶直径为?
75,其中两个直流电源和一个射频电源,呈三角形分布。
真空室为?
500×300,涡轮分子泵的极限真空度为7×10-5Pa。
工件台位于真空室中央,无级调速,自转运动。
实验采用高纯铝靶溅射沉积红外反射金属层,(n≈1.8,与三氧化二铝折射率十分接近),采用钨靶沉积过渡金属粒子。
由于金属与介质的沉积速率相差甚远,为了更好地控制膜厚及组分,首先确定各种材料的沉积速率。
实验表明,介质与某些金属的沉积速率有时相差一个数量级以上。
为保证金属粒子自由电子等离子体的共振吸收作用,应控制反应溅射生成氮化铝介质所需氮气的最小流量,尽量避免金属粒子在沉积过程中与氮气发生反应。
在金属粒子与介质材料共沉积的过程中,通过控制金属靶的放电电流得到不同金属粒子体积分数的金属陶瓷复合膜。
采用X-射线光电子能谱对金属陶瓷膜进行成分分析,利用两靶之间沉积速率之比(即膜厚之比)确定金属粒子体积分数。
根据计算结果,控制膜层金属粒子体积分数及膜厚,将吸收峰控制在太阳能量密度最大的波长范围内,并尽量将干涉峰移到太阳能量密度相对较低的长波区。
实验制备了含钨体积分数f=0.20-0.50之间的单层复合膜,膜厚范围40-160nm。
表1是一组样品的测试结果表1 Cu/AlN,fw=0.35(80nm)/AlN(20nm)序号?
?
?
(500℃真空加热)W-35-10.880.050.05W-35-30.900.060.06W-35-60.910.060.06W-35-70.900.050.05实验样品为40×40不锈钢片,?
0.90,?
=0.05~0.06。
在真空炉内500℃条件下烘烤6小时后?
未发生明显变化。
3 结 论
(1)金属陶瓷复合材料具有透射红外光谱、在可见及近红外光谱区域具有一定吸收作用的性能。
采用干涉吸收加防反射层的膜系结构,可以降低吸收膜中金属粒子的体积分数并使涂层减薄,从而使吸收峰边缘变得陡峭,当温度升高时发射率不会随之急剧上升。
(2)采用直流溅射的方法沉积氮化铝介质代替射频溅射方法制取的三氧化二铝,可制备性能相似的中高温选择性吸收涂层。
前者可使金属陶瓷膜和防反射介质层沉积速率大大提高,从而降低涂层的生产成本
太阳能吸收层
根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同,可将选择性吸收涂层分为四类。
(1)半导体涂层
半导体涂层是利用半导体物质的电子结构中适当能隙Eg,吸收能量大于Eg的太阳辐射光子,从而使材料的价电子产生跃迁进入导带,而对能量小于Eg的光子透过。
所以要求半导体物质能隙最好为0.62ev(1ev=1.602×10-19J),即9.939×10-20J。
它吸收可见光而不吸收红外线,Si、Ge是最常见的半导体材料。
过渡金属的氧化物、硫化物都属化合物半导体,如黑铬(CrxOy)、黑镍(NiS-ZnS)、氧化铜黑(CuxOy)和氧化铁(Fe3O4)等。
(2)光干涉涂层
光干涉涂层利用了光的干涉原理,是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成,并严格控制每层膜的折射率和厚度,使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应,降低对太阳光波长中心部分的反射率,在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰,如Al2O3-Mox-Al2O3(AMA)三层膜,AlN-Al/Al八层
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膜,OCLI多层膜等。
(3)米氏散射涂层
米氏散射涂层是根据有效的媒质理论,利用在母体中细分散的金属粒子,对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收。
金属粒子和氧化物的共析涂层,如Co-Al2O3涂层、Al-Al2O3涂层、Au-Al2O3涂层和黑镍等属于此类。
(4)多孔涂层
多孔涂层是通过控制涂层表面的形貌和结构,使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当,从而对可见光起陷阱作用,对长波辐射具有很好反射作用,即在短波侧以黑洞的形式集光,而在长波侧以平面的形式辐射光。
如通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的Cu-CuO涂层,钨的化学蒸镀涂层及粗糙表面上的黑铬镀层等都利用这一性质。
3.2按制备工艺不同分类
根据制备工艺不同,又可将选择性吸收涂层分为四类。
(1)电镀涂层
常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等,均具有良好的光学性能。
以黑铬和黑镍的效果最好,吸收发射比(α/ε)接近6~13。
但电镀黑铬生产成本高,同时镀液中的Cr6+对环境有污染。
电镀黑镍耗能少、成本低,镀液中不存在有毒物质。
但黑镍涂层薄、热稳定性、耐蚀性较差,通常只适用于低温太阳能热利用。
SaherShawk等研究的黑镍镀层吸收率能达到0.93,耐久性、热稳定性、抗腐蚀能力较强[2]。
费敬银[3]等研制的黑色镍—锡合金镀层,由于其中不含硫,所以能克服黑镍镀层所具有的缺点,其镀液的配制比较复杂。
(2)电化学转化涂层
常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层,CuO转化涂层和钢的阳极氧化涂层等。
其中铝阳极氧化涂层光谱选择性、耐腐蚀、耐光照性能良好,在太阳能热水器上得到了广泛应用。
CuO转化镀涂层有一层黑色绒面,保护不好容易导致性能下降,钢的阳极氧化涂层抗紫外线和抗潮湿性能好,这类涂层一般吸收率为0.88~0.95,发射率为0.15~0.32。
Jahan,F等研究的Mo黑化学转化涂层,吸收率最大能达到0.87,发射率为0.13~0.17[4]。
(3)真空镀膜涂层
利用真空蒸发和磁控溅射技术制取,如利用直接蒸发制取的PbS/Al/Al涂层。
利用磁控溅射制取的有不锈钢—碳/铜涂层、AlCN涂层、AlNxOy涂层和Ni-Cr涂层等。
应用比较多的是多层渐变铝氮铝(Al-N/Al)涂层,该涂层具有良好的光谱选择性,但当温度升高时,发射率也随之急剧上升,只能在250℃以下使用。
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还有采用射频溅射制备的金属陶瓷复合涂层,主要应用在中高温领域,它是近年来新开发的工艺,如Ni-Al2O3涂层。
Wu-AlNx选择性涂层,是将钨、铬等金属粒子掺入氮化铝介质,得到金属陶瓷复合涂层。
基片采用铜、铝等反射率高的金属,集热温度可达350℃以上。
Farooq,M.O等采用Ni∶SiO2金属陶瓷作吸收层,Ni在涂层表面的体积比为10%,到底部逐渐变化为90%,涂层厚度为(100~170)nm,吸收率为0.96,发射率为0.03~0.14[5]。
ZhangQi-chu等采用掺钼的三氧化二铝(Mo-Al2O3)金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料,Al2O3作减反射层,双层Mo-Al2O3金属陶瓷层作吸收层,Mo或Cu作减反射层,该涂层在350℃下性能稳定,吸收率为0.96,发射率为0.11[6]。
(4)涂料涂层
是一种发展比较早的涂层,制备方法一般采用压缩空气喷涂法。
如Fe2O3-Cr2O3涂层[7],以Fe2O3、Cr2O3和MnO2为颜料,有机硅改性丙烯酸树脂为粘结剂,涂层的吸收发射比可达3.26;PbS涂层,以0.1μm林蔓状晶体PbS为颜料,乙丙橡胶或氟树脂为粘结剂,吸收率为0.85~0.91,发射率为0.23~0.40,制备简单,但林蔓状结构易氧化失去转换性,防锈性能差[8];硅溶胶吸热涂层[9],以硅溶胶作粘结剂,Fe粉作发色体,涂层成本低、耐候性和防水性好,吸收率为0.94,发射率为0.41,但因为含有机物,使用寿命短。
还有酞菁绿涂层,颜料成分为Fe3CuO5,装饰性好,适合在太阳房和平板式热水器上应用。
吴桂初[10]采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层,工艺简单、成本低、性能稳定、光谱选择性好,其吸收率为0.91,发射率为0.15
黑铬涂层
黑铬涂层的吸收比α和发射比ε分别为0.93—0.97和0.07—0.15,α/ε为6~13,具有优良的光谱选择性。
黑铬涂层的热稳定性和抗高温性能也很好,适用于高温条件,在300℃能长期稳定工作。
此外,黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。
但是,现在采用的电镀黑铬工艺,电流密度大(15~200A/dm2),溶液导电性差,电镀时会产生大量的焦耳热,需要冷却和通风排气才能维持正常生产。
另外,黑铬镀在非铜件上,需要先预镀铜,再镀光亮镍,最后镀黑铬,生产成本较高。
黑镍涂层
黑镍涂层大都是镍合金涂层,其组成随电镀液成份和沉积条件变化。
黑镍的电镀液分为两类,即硫酸锌电镀液和含钼酸盐类电镀液。
由第一类镀液获得的黑镍涂层,含镍40%~60%,含锌约为20%~30%。
黑镍涂层的吸收比α可达0.93~0.96,热发射比ε为0.08~0.15,α/ε接近6~12,其吸收性能较好。
黑镍涂层很薄,为了提高涂层与基体的结合力和耐蚀性,常采用中间涂层(如Ni,Cu,Cd)或双层镍涂层。
由于黑镍涂层的热稳定性、耐蚀性较差,通常只适用于低温太阳能热利用。
黑钴涂层
黑钴涂层的主要成分是CoS,具有蜂窝型网状结构,其吸收比α可达0.94~0.96,发射比ε为0.12~0.14,α/ε为6.7~8。
2 电化学表面转化涂层
铝阳极氧化涂层
铝及铝合金的阳极氧化可在硫酸介质中进行,但在太阳能热利用中,主要用磷酸介质。
铝氧化涂层着色有多种工艺,其中电解着色工艺获得的涂层,具有牢固、稳定、耐晒优良特性,并且可进行大规模生产。
铝阳极氧化涂层是一种多孔膜,孔隙率达22%,电解着色时金属易沉积在微孔中。
用于电解着色的金属盐类有:
镍盐、锡盐、钴盐和铜盐等。
北京市太阳能研究所研制的铝阳极氧化涂层,先在磷酸溶液中获得氧化膜,再在NiSO4溶液中进行电解着色,其吸收比为0.92~0.96,法向发射比为0.1~0.2,具有良好的选择吸收特性。
铝阳极氧化涂层,耐蚀、耐磨和耐光照等性能也相当好,在太阳热水器中已得到广泛应用。
CuO转化涂层
以阳极氧化法制取的CuO转化涂层,NaOH电解液的浓度为1mol/L,电流密度为2mA/cm2,温度为50~57℃。
涂层的吸收比可达0.88~0.95,法向发射比为0.15~0.30。
这种CuO涂层有一层黑色绒面,保护不好,会导致吸收比的降低。
钢的阳极氧化涂层
阳极氧化工艺,在钢的表面可形成阳极氧化涂层,其吸收比达0.92~0.94,发射比为0.31~0.32,抗紫外线和耐潮湿性能良好。
因为不知道你说的蓝膜是那种技术,就把现在整个的资料发过你,你可以自己了解下,也许会对你有点帮助。
太阳能集热器
科技名词定义
中文名称:
太阳能集热器
英文名称:
solarcollector
其他名称:
集热器
定义1:
用来吸收太阳辐射使之转换为热能并传递给热介质的装置。
常见的有平板型、真空管型和聚光型太阳能集热器。
应用学科:
电力(一级学科);可再生能源(二级学科)
定义2:
可吸收太阳辐射能,将其转换为热能,并传递到传热介质中的一种装置。
应用学科:
资源科技(一级学科);能源资源学(二级学科)
本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
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太阳能集热器
在太阳能的热利用中,关键是将太阳的辐射能转换为热能。
由于太阳能比较分散,必须设法把它集中起来,所以,集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。
由于用途不同,集热器及其匹配的系统类型分为许多种,名称也不同,如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉,以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。
目录
简介
定义
分类
平板型太阳能集热器
真空管太阳能集热器
编辑本段简介
名称:
太阳能集热器
主题词或关键词:
太阳能能源科学集热器
内容
在太阳能的热利用中,关键是将太阳的辐射能转换为热能。
由于太阳能比较分散,必须设法把它集中起来,所以,集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。
由于用途不同,集热器及其匹配的系统类型分为许多种,名称也不同,如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉,以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。
效率比较高的集热器由收集和吸收装置组成。
阳光由不同波长的可见光和不可见光组成,不同物质和不同颜色对不同波长的光的吸收和反射能力是不一样的。
黑颜色吸收阳光的能力最强,因此棉衣一般用深色或黑色布。
白色反射阳光的能力最强,因而夏季的衬衫多是淡色或白色的。
因此利用黑颜色可以聚热。
让平行的阳光通过聚焦透镜聚集在一点、一条线或一个小的面积上,也可以达到集热的目的。
纸在阳光照射下,不管阳光多么强,哪怕是在炎热的夏天,也不会被阳光点燃。
但是,若利用集光器,把阳光聚集在纸上,就能将纸点燃。
集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。
平板集热器一般用于太阳能热水器等。
聚光集热器可使阳光聚焦获得高温,焦点可以是点状或线状,用于太阳能电站、房屋的采暖(暖气)和空调(冷气)、太阳炉等。
按聚光镜构造有“菲涅尔”透镜、抛物面
太阳能集热器
镜和定日镜。
平面反射镜用于太阳能塔式发电,有跟踪设备,一般和抛物面镜联合使用。
平面镜把阳光集中反射在抛物面镜上,抛物面镜使其聚焦。
编辑本段定义
太阳能集热器的定义是:
吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。
这短短的定义却包含了丰富的含义:
第一:
太阳能集热器是一种装置;第二:
太阳能集热器可以吸收太阳辐射;第三:
太阳能能集热器可以产生热能;第四:
太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。
太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品,但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。
无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器,都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的.
编辑本段分类
太阳能集热器的分类
1.按集热器的传热工质类型分:
液体集热器、空气集热器
2.按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分:
聚光型集热器、非聚光型集热器
3.按集热器是否跟踪太阳分为:
跟踪集热器、非跟踪集热器
4.按集热器内是否有真空空间分为:
平板型集热器、真空管集热器
5.按集热器的工作温度范围分为:
低温集热器、中温集热器、高温集热器
6.按集热板使用材料分别为:
纯铜集热板、铜铝复合集热板
编辑本段平板型太阳能集热器
平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。
用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。
当平板型太阳能集热器工作时,太阳辐射穿过透明盖板后,投射在吸热板上,被吸热板吸收并转化成热能,然后传递给吸热板内的传热工质,使传热工质的温度升高,作为集热器的有用能量输出;与此同时,温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热,成为集热器的热量损失。
平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型,其结构简单、运行可靠、成本适宜,还具有承压
太阳能集热器
能力强、吸热面积大等特点,是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。
根据IEA报告,截止到2004年底,平板型集热器占总市场份额的35%,真空管集热器占41%。
如果不统计无盖板的太阳能集热器,欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主,约占市场份额的90%;国内市场以真空管为主,2005年约占市场份额的87%,平板型集热器只占12%。
国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右,有众多因素造成的:
1)直接系统的平板热水器在冬季不能防冻,须排空,因此冬季不能使用并维护复杂;2)全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用;3)全玻璃真空管由于技术创新,成本大幅度降低,生产企业迅速增加,促进太阳能热水器市场迅速扩大。
因此,目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的,可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主。
国外太阳能市场始终以平板集热器为主,是因为国外太阳能系统设计理念的不同。
国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统,这类系统一般初投资高,但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。
针对这类系统,平板集热器体现出其自身的技术优势[4][5]:
1)平板集热器最适合用于承压系统;2)最适合于双循环的太阳能热水器;3)最有利用实现太阳能热水器与建筑结合;4)系统寿命长,维护费用低;5)大多数情况下可以提供更多的生活热水;6)平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。
因此,在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所,平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。
目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。
国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出[6]:
我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品,热损系数差别较大。
这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距,因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能,开展高效平板太阳能集热器研发。
尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合,集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。
平板集热器高效选择性涂层
为了提高太阳集热器的效率,唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损。
采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径[7]。
随着太阳能热利用技术的发展,我国对选择性吸收材料的研究工作已有二十年的历史了。
太阳集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程。
期间经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料,从黑镍、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。
随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。
目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。
间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的,基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。
由于该涂层耐候性能较差,不适于平板集热器的使用。
目前,国际上发达国家,尤其是欧洲,选择性吸收涂层的生产主要有两个特点,其一是采用真空镀膜技术,其二是采用卷绕式连续镀膜方式。
即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺。
如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的,在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产。
年生产能力为十几万平米,产品的
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