Rivestimenti per assorbitori solari: la chiave per una raccolta solare termica ad alta efficienza

Rivestimenti assorbenti solari: la chiave per un'efficiente raccolta di luce e calore

Nell'ondata globale di ricerca di energia sostenibile, la tecnologia di utilizzo del solare termico, con il suo metodo di conversione energetica diretto ed efficiente, ha sempre occupato una posizione indispensabile. Al centro di questa tecnologia si trova un elemento chiave che determina le prestazioni dell'intero sistema: il rivestimento ad assorbimento solare. Sebbene sia nascosto all'interno del collettore, è il "cuore" dell'intero processo di conversione energetica. Ogni piccolo miglioramento nelle sue prestazioni porta a un miglioramento radicale dell'efficienza di utilizzo del solare termico. Questo articolo approfondirà il principio di funzionamento dei rivestimenti ad assorbimento solare, esplorerà in modo completo i loro ampi scenari applicativi, analizzerà oggettivamente il loro attuale stato di sviluppo e ne illustrerà le promettenti prospettive future.

Specifiche e dati

1) La linea di saldatura laser ha sviluppato una piccola piscina di fusione, il che significa una maggiore resistenza della connessione tra l'assorbitore e i tubi montanti, il risultato è una maggiore durata dell'assorbitore solare; 

2) L'aspetto del collettore solare senza linea di saldatura è più bello e si integra bene con il tetto dell'edificio; 

3) Non si verifica alcuna distruzione della superficie del film di rivestimento blu nel collettore solare a piastra piana; 

4) La distanza tra due punti di saldatura è di 3 mm; più punti di saldatura richiedono una trasmissione più elevata al sistema.

1. Assorbimento selettivo spettrale: "Setaccio luminoso" intelligente

L'assorbitore solare è un componente chiave che converte l'energia della radiazione solare in energia termica e trasferisce il calore all'acqua. La scelta del materiale, della struttura e del rivestimento superficiale del nucleo assorbente influenzano in modo decisivo le prestazioni dello scaldacqua. I requisiti per la piastra di assorbimento del calore sono una certa capacità di sopportare la pressione, una buona compatibilità con l'acqua e un'elevata prestazione termica.

La radiazione solare è una fonte di energia ad ampio spettro, con la sua energia principale concentrata nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 0,3 e 2,5 micrometri (inclusi raggi ultravioletti, luce visibile e raggi infrarossi vicini). Qualsiasi oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto perderà energia anche attraverso la radiazione termica, e la sua lunghezza d'onda è solitamente superiore a 2,5 micrometri (raggi infrarossi medi e lontani).

1. Principio di funzionamento: la magia della luce e del calore nel micro mondo

La missione dei rivestimenti ad assorbimento solare sembra semplice: catturare la radiazione solare il più possibile e convertirla in energia termica, riducendo al minimo la perdita di calore. Tuttavia, raggiungere questo obiettivo richiede un'ingegnosa progettazione fisico-chimica, il cui fulcro risiede nella "selettività spettrale".

La normale vernice nera assorbe la luce di tutte le lunghezze d'onda in egual misura, ma quando viene riscaldata, irradia anche calore verso l'esterno con la stessa efficienza. Il rivestimento ad assorbimento selettivo spettrale, d'altra parte, è un "guardiano" intelligente, con due facce completamente diverse:

Elevato tasso di assorbimento (α ≥ 0,94): mostra una capacità di "divoramento" estremamente forte della banda di onde corte della radiazione solare (0,3-2,5 µm), riflettendo la minor quantità possibile di luce solare.

Bassa emissività (ε ≤ 0,05): presenta una capacità di "soppressione" estremamente elevata per la banda delle onde lunghe (>2,5µm) della propria radiazione termica, impedendo che il prezioso calore venga irradiato sotto forma di raggi infrarossi.

Questa caratteristica di "elevato assorbimento e bassa emissione" consente al rivestimento di riscaldarsi rapidamente e di "bloccare" saldamente il calore. Le sue prestazioni sono solitamente misurate dal rapporto "efficienza di conversione fototermica" (α/ε); maggiore è questo rapporto, più eccezionali sono le prestazioni del rivestimento.

2. Raggiungere approcci tecnici selettivi

Questa proprietà magica non è casuale, ma è ottenuta attraverso i seguenti micro-meccanismi principali:

Assorbimento intrinseco: le proprietà intrinseche del materiale di rivestimento determinano che esso assorba fortemente energia solo in bande specifiche. Selezionando attentamente materiali compositi come ossidi metallici, nitruri o carburi, è possibile far sì che le loro bande di assorbimento si sovrappongano alle principali regioni energetiche dello spettro solare.

Effetto di interferenza: il rivestimento è progettato come una struttura a film multistrato (come un film composito metallo-dielettrico), in cui ogni strato ha uno spessore di soli nanometri. Quando la luce solare viene riflessa a diverse interfacce, si verificano interferenze costruttive e distruttive, aumentando così l'assorbimento a onde corte e la riflessione a onde lunghe.

Texture superficiale e dispersione: trasformando la superficie del rivestimento in una struttura ruvida microscopica o in nanoparticelle, la luce incidente subisce molteplici riflessioni e dispersioni al suo interno, venendo così completamente assorbita, come se fosse intrappolata in una "trappola luminosa".

3. Processo di preparazione avanzata

Per ottenere queste microstrutture vengono adottate principalmente le seguenti tecniche di preparazione avanzate:

Deposizione fisica da vapore (PVD)/magnetron sputtering: si tratta di un processo in cui, in un ambiente sotto vuoto, il plasma viene utilizzato per bombardare un bersaglio metallico, facendo sì che i suoi atomi si depositino sul substrato formando un film denso e uniforme. Questa è la tecnologia più avanzata per la produzione di rivestimenti commerciali ad alte prestazioni e lunga durata, caratterizzati da elevata purezza e forte adesione.

Metodi elettrochimici (come anodizzazione e galvanica): una pellicola di conversione o uno strato di deposizione si forma sulla superficie di un substrato metallico (come alluminio o rame) attraverso reazioni chimiche nell'elettrolita. Il costo è relativamente basso, ma le sue prestazioni sono generalmente inferiori a quelle dei rivestimenti PVD.

Metodo sol-gel: un metodo chimico a umido che forma un film sottile attraverso reazioni chimiche in soluzione. Ha potenziale nella preparazione di rivestimenti con componenti e strutture speciali, ma la stabilità e la durabilità per applicazioni su larga scala sono ancora in continua ottimizzazione.

Ii. Scenari applicativi: un vasto mondo oltre gli scaldabagni

L'applicazione di rivestimenti ad assorbimento di energia solare ha da tempo trasceso i tradizionali scaldabagni domestici e si è diffusa in vari settori, dall'uso civile a quello commerciale e industriale.

1. Applicazioni a bassa temperatura (<100°C): acqua calda sanitaria e riscaldamento degli edifici

Scaldacqua solari domestici: che si tratti di collettori a tubi sottovuoto o di collettori piani, il loro cuore è il corpo termoassorbente rivestito con un rivestimento ad assorbimento selettivo. Forniscono acqua calda sanitaria a basso costo a milioni di famiglie in tutto il mondo.

Building Integrated Solar System (BIST): i rivestimenti sono integrati nelle facciate degli edifici, nelle ringhiere dei balconi o nei tetti, raccogliendo energia termica e servendo anche come componenti dell'edificio per fornire energia per il riscaldamento degli ambienti e l'acqua calda.

Riscaldamento della piscina: anche i semplici collettori scoperti utilizzano rivestimenti assorbenti resistenti alle intemperie per aumentare la temperatura dell'acqua della piscina.

2. Applicazioni a media temperatura (100°C - 400°C): Energia termica industriale e azionamento

Riscaldamento dei processi industriali: si tratta di un mercato potenzialmente enorme, un "oceano blu". In settori come la lavorazione alimentare, la stampa e la tintura tessile, l'ingegneria chimica e la galvanica, è richiesta una grande quantità di vapore o acqua calda a media e bassa temperatura. I campi solari termici basati su rivestimenti ad alte prestazioni possono sostituire i combustibili fossili e fornire energia direttamente a questi processi, ottenendo risparmi energetici e una riduzione delle emissioni di carbonio.

Raffreddamento solare: utilizzando il calore generato dall'accumulo di calore solare per azionare i frigoriferi ad assorbimento o ad adsorbimento, si ottiene l'effetto di raffreddamento ecologico secondo cui "più forte è il sole, più freddo è il condizionatore".

Desalinizzazione dell'acqua di mare: la tecnologia di desalinizzazione dell'acqua di mare mediante energia solare termica sfrutta l'energia termica raccolta dal rivestimento per far evaporare l'acqua di mare e ottenere acqua dolce.

3. Applicazioni ad alta temperatura (>400°C): generazione di energia solare concentrata e sistemi di alimentazione avanzati

Energia solare a concentrazione (CSP): nelle centrali CSP, come quelle a collettori parabolici e a torre, i rivestimenti ad assorbimento vengono applicati ai tubi di raccolta del calore o ai ricevitori. In condizioni di luce altamente concentrata, il rivestimento deve resistere a temperature di centinaia o addirittura migliaia di gradi Celsius e trasferire efficacemente il calore al fluido termovettore (come i sali fusi) per azionare la turbina a vapore per la produzione di energia. In questo caso, il rivestimento è fondamentale affinché la centrale raggiunga un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica.

Iii. Stato di sviluppo attuale: le tecnologie mature coesistono con una forte concorrenza

Dopo decenni di sviluppo, il settore dei rivestimenti per l'assorbimento dell'energia solare ha definito un modello con una chiara gerarchia tecnologica e una forte concorrenza di mercato.

Maturità tecnologica e stratificazione del mercato: rivestimenti come il film blu e il cromo nero prodotti con la tecnologia magnetron sputtering sono diventati configurazioni standard per collettori solari a piastre piane e a tubi a vuoto di fascia medio-alta. La tecnologia è altamente matura e ha una durata fino a 15-20 anni. Il mercato offre contemporaneamente rivestimenti elettrochimici convenienti e rivestimenti PVD che puntano alle massime prestazioni.

Progressi continui nei colli di bottiglia delle prestazioni: l'attenzione della ricerca e dello sviluppo è sempre stata rivolta al miglioramento del rapporto α/ε e al miglioramento della stabilità termica (non degradazione ad alte temperature) e della resistenza agli agenti atmosferici (capacità di resistere all'erosione ambientale come umidità e nebbia salina) del rivestimento.

Forte concorrenza del fotovoltaico: il crollo "a picco" del prezzo dei moduli fotovoltaici ha esercitato una forte pressione sul mercato dell'utilizzo termico a media e bassa temperatura nell'energia solare. Negli scenari in cui è necessaria solo acqua calda sanitaria di bassa qualità, il modello "fotovoltaico + riscaldamento elettrico" rappresenta una seria sfida per il mercato solare termico tradizionale, grazie alla sua semplicità di installazione e ai vantaggi dell'investimento iniziale.

La persistenza della pressione sui costi: gli investimenti in linee di produzione di rivestimenti PVD ad alte prestazioni sono enormi, il che comporta costi elevati e ostacola la loro promozione nei mercati sensibili ai prezzi.

Iv.Prospettive di sviluppo: il futuro dell'integrazione transfrontaliera e guidata dall'innovazione

Nonostante le sfide, il futuro dei rivestimenti ad assorbimento solare non è cupo, ma piuttosto ricco di opportunità per aprire nuovi orizzonti attraverso tecnologie dei materiali all'avanguardia e innovazioni di sistema.

1. Perseguire le massime prestazioni: nuovi materiali e strutture di rivestimento

Sistemi di film multistrato a gradiente e metamateriali: attraverso la progettazione assistita da computer, vengono realizzati sistemi di film multistrato più complessi per ottenere una "personalizzazione precisa" dell'assorbimento spettrale. Sfruttando concetti emergenti come i cristalli fotonici e i metamateriali plasmonici, si prevede di realizzare rivestimenti "ideali" con spettri di assorbimento estremamente ampi ed emissività estremamente bassa.

Svolta nella stabilità alle alte temperature: sono stati sviluppati nuovi materiali di rivestimento a base di nitruri di metalli di transizione, carburi, ecc., che consentono loro di rimanere stabili a lungo a temperature superiori a 400 °C e in aria. Ciò ridurrà significativamente i costi di esercizio e manutenzione delle centrali termoelettriche a concentrazione (CSP) e ne aumenterà l'efficienza.

2. Rivestimenti intelligenti e adattabili

Rivestimento adattivo spettrale: questa è una direzione all'avanguardia. Ricerca su rivestimenti "intelligenti" in grado di regolare automaticamente la propria emissività in base alla temperatura ambiente. Mantenere una bassa emissività durante la raccolta del calore; quando la temperatura è troppo elevata e potrebbe danneggiare il sistema, può passare a uno stato di alta emissività per migliorare la dissipazione del calore e svolgere una funzione di autoprotezione.

3. Ruolo fondamentale nei sistemi fotovoltaici e solari termici (PV-T)

Il sistema PV-T può generare elettricità e calore simultaneamente e sarà il protagonista dell'energia distribuita del futuro. In questo contesto, il rivestimento ad alte prestazioni ad assorbimento svolge un ruolo cruciale: fungendo da dissipatore di calore per il backsheet delle celle fotovoltaiche, raccoglie efficacemente il calore di scarto generato dalle celle. Questo non solo raffredda i moduli fotovoltaici (migliorandone l'efficienza di generazione e la durata), ma acquisisce anche energia termica gratuita, massimizzando l'efficienza di utilizzo complessiva dell'energia solare per unità di superficie.

4. Produzione intelligente e ottimizzazione dei costi

Migliorando il tasso di utilizzo dei target di sputtering, sviluppando la tecnologia di rivestimento continuo Roll-to-Roll e potenziando il livello di automazione delle linee di produzione, è possibile ridurre costantemente i costi di produzione dei rivestimenti ad alte prestazioni, rendendoli competitivi in ​​un mercato più ampio.

Conclusione

Il rivestimento ad assorbimento solare, questo sottile strato con uno spessore misurato in micrometri, è un perfetto esempio dell'integrazione di scienza dei materiali, ottica e termodinamica. Sebbene sia nascosto all'interno del collettore, è il motore principale che guida lo sviluppo dell'intero settore dell'utilizzo del solare termico. Nel contesto della trasformazione del sistema energetico globale verso la neutralità carbonica, i rivestimenti ad assorbimento solare svolgono un ruolo insostituibile, che si tratti di fornire calore alle famiglie, di iniettare energia nelle industrie o, in ultima analisi, di illuminare le città attraverso la generazione concentrata di energia. La sua continua evoluzione non è legata solo alla competitività della tecnologia solare termica in sé, ma anche alla nostra capacità di catturare e utilizzare l'enorme energia di questa stella in modo più efficiente ed economico. In futuro, con la continua affermazione di nuovi materiali e nuove strutture, questa "chiave" che apre le porte all'energia solare termica efficiente ci aprirà sicuramente un nuovo mondo energetico più pulito e sostenibile.