Rivestimenti solari altamente selettivi assorbenti: una tecnologia chiave per innovazioni nell'efficienza di conversione fototermica

Nel campo dell'utilizzo del solare termico, le prestazioni del rivestimento ad assorbimento determinano direttamente l'efficienza di conversione energetica dell'intero sistema. Come materiale fondamentale della tecnologia solare termica, i rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi assicurano un assorbimento efficiente della radiazione solare e un'efficace soppressione della radiazione termica grazie alle loro proprietà ottiche uniche, diventando un fattore chiave per il miglioramento delle prestazioni dei collettori solari. Questo articolo approfondirà i principi tecnici, le caratteristiche prestazionali, i processi di preparazione e le prospettive applicative dei rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi, fornendo riferimenti tecnici completi per gli operatori del settore e gli utenti finali.

I. Principi e caratteristiche tecniche

I rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi sono materiali funzionali con proprietà ottiche speciali. Il loro principio fondamentale è quello di ottenere un elevato tasso di assorbimento nella banda della radiazione solare (0,3-2,5 μm) mantenendo una bassa emissività nella banda della radiazione termica (2,5-25 μm). Questa caratteristica di assorbimento selettivo è ottenuta attraverso la progettazione precisa di una struttura di sistema a film multistrato, che in genere è composta da componenti quali uno strato riflettente, uno strato assorbente, uno strato antiriflesso e uno strato protettivo.

Caratteristiche prestazionali ottiche

Il tasso di assorbimento (α) dei rivestimenti assorbenti ad alta selettività di alta qualità può raggiungere 0,95-0,98, l'emissività (ε) può essere fino a 0,04-0,08 e il rapporto di prestazione ottica (α/ε) può superare 12. Sotto lo spettro solare standard AM1.5, la sua efficienza di conversione fototermica supera il 92%, che è del 20-30% superiore a quella dei rivestimenti ordinari. Le caratteristiche selettive del rivestimento gli consentono di assorbire la massima quantità di energia solare riducendo al minimo la perdita di radiazione termica.

Prestazioni di stabilità termica

Dopo 2000 ore di test di invecchiamento ad alta temperatura a 350 °C, il tasso di degradazione delle prestazioni è risultato inferiore al 3%. Dopo essere stato testato per 3000 ore in un ambiente umido e caldo a 85 °C e 85% di umidità relativa, il rivestimento non ha mostrato desquamazione o scolorimento, dimostrando un'eccezionale adattabilità ambientale. La resistenza alla nebbia salina raggiunge le 1500 ore senza corrosione, rendendolo adatto all'uso in diverse condizioni climatiche.

Ii. Processo di preparazione e progresso tecnologico

Tecnologia di sputtering magnetron

Il processo di preparazione più avanzato attualmente è la tecnologia di sputtering magnetron. Controllando con precisione i parametri di sputtering in un ambiente ad alto vuoto, si ottiene una deposizione del film con precisione nanometrica. Questo processo può preparare strutture di film multistrato con spessore uniforme e composizione precisa, garantendo la coerenza e la ripetibilità delle prestazioni del rivestimento. La moderna linea di produzione adotta un sistema di controllo completamente automatico, con una precisione di controllo dello spessore del film pari a ±0,5 nm.

Tecnologia di deposizione elettrochimica

Per alcuni scenari applicativi, la deposizione elettrochimica rimane un importante metodo di preparazione. Ottimizzando la formula dell'elettrolita e i parametri di deposizione, è possibile ottenere rivestimenti ad assorbimento selettivo con prestazioni eccellenti. Questo metodo ha un costo relativamente basso ed è adatto alla produzione su larga scala, ma è inferiore allo sputtering magnetronico in termini di accuratezza e coerenza del controllo.

Metodo sol-gel

La tecnologia emergente di preparazione sol-gel è in rapido sviluppo. Questo metodo consente di preparare rivestimenti ad assorbimento selettivo con nanostrutture a temperature relativamente basse. È particolarmente adatto per substrati flessibili e substrati di forme speciali, offrendo nuove possibilità per le applicazioni di rivestimento.

Iii. Analisi del vantaggio prestazionale

Eccezionale efficienza di conversione fototermica

Rispetto ai rivestimenti tradizionali, l'efficienza termica dei rivestimenti ad assorbimento altamente selettivo aumenta di oltre il 25%. A parità di condizioni di illuminazione, la temperatura dell'acqua in uscita dal collettore con questo rivestimento aumenta di 10-15 °C e l'assorbimento di calore del sistema aumenta di oltre il 30%. Soprattutto nei campi di applicazione a media e alta temperatura, i suoi vantaggi prestazionali sono ancora più evidenti.

Durabilità di lunga durata

Test di invecchiamento accelerato dimostrano che la durata dei rivestimenti ad assorbimento altamente selettivo può superare i 30 anni. Nell'ambiente di utilizzo reale, dopo 15 anni di test di esposizione all'aria aperta, il tasso di assorbimento del rivestimento è diminuito solo del 2,5%, l'emissività è aumentata dello 0,9% e il tasso di degradazione delle prestazioni è risultato di gran lunga inferiore ai requisiti standard del settore.

Ampia adattabilità alle applicazioni

Questo rivestimento può essere applicato a vari substrati, inclusi materiali metallici come rame, alluminio e acciaio inossidabile, nonché alcuni materiali flessibili. Regolando i parametri del processo di preparazione, è possibile soddisfare i requisiti specifici di diversi scenari applicativi e ottenere una produzione personalizzata.

Iv. Campi di applicazione e analisi di casi

Applicazione dei collettori piani

Nel campo dei collettori piani, i rivestimenti ad assorbimento altamente selettivi sono diventati una configurazione standard per i prodotti di fascia alta. Dopo che un noto marchio di collettori piani ha adottato questo rivestimento, l'efficienza istantanea è stata aumentata all'85%, ovvero il 15% in più rispetto a quella dei prodotti tradizionali. La temperatura di uscita del prodotto può superare i 100 °C, soddisfacendo i requisiti di riscaldamento industriale.

Applicazione dei collettori a tubi sottovuoto

Nei collettori solari a tubi sottovuoto, un rivestimento ad assorbimento altamente selettivo viene applicato alla superficie esterna dei tubi che assorbono il calore, migliorando significativamente l'efficienza di raccolta del calore. Il collettore solare a tubi sottovuoto con questo rivestimento adottato in un progetto specifico ha raggiunto un'efficienza del sistema del 70%, superiore del 18% rispetto ai prodotti tradizionali, e il periodo di ammortamento è stato ridotto a 3,5 anni.

Generazione di energia solare termica concentrata

Nel campo del CSP, i rivestimenti ad assorbimento altamente selettivi rappresentano la tecnologia chiave per la produzione di energia ad alta temperatura. Una centrale solare termoelettrica adotta assorbitori di calore con questo rivestimento, raggiungendo una temperatura di esercizio di oltre 400 °C, aumentando l'efficienza di produzione di energia del 25% e riducendo il costo per kilowattora del 30%.

Applicazione di edilizia integrata

Nei sistemi BIPV/T, vengono utilizzati rivestimenti ad assorbimento altamente selettivi per migliorare l'efficienza di assorbimento del calore, mentre i requisiti estetici architettonici sono garantiti da una progettazione ottimizzata. I dati di un progetto dimostrativo mostrano che il sistema che utilizza questo rivestimento ha un'efficienza complessiva del 78%, superiore del 22% rispetto a quella del sistema tradizionale.

V. Tendenze dello sviluppo tecnologico

Direzione dell'innovazione dei materiali

I ricercatori stanno sviluppando nuovi tipi di nanocompositi, come nanotubi di carbonio, grafene e altri nuovi materiali a base di carbonio, nonché materiali nanostrutturati a base di ossidi metallici. Si prevede che questi nuovi materiali aumenteranno il tasso di assorbimento a oltre 0,98 e ridurranno l'emissività a meno di 0,03.

Ottimizzazione del progetto strutturale

La progettazione dei sistemi di film multistrato si sta evolvendo verso un numero maggiore di strati e un controllo dello spessore più preciso. Una migliore selettività spettrale si ottiene attraverso la progettazione di ottimizzazione ottica computazionale. Nuovi concetti come la struttura dell'indice di rifrazione del gradiente e la struttura del cristallo fotonico vengono esplorati e applicati.

Innovazione nel processo di preparazione

Nuovi processi, come la tecnologia di preparazione a bassa temperatura e la tecnologia di produzione continua roll-to-roll, si stanno sviluppando rapidamente. Questi processi possono ridurre i costi di produzione, migliorare l'efficienza produttiva e minimizzare al contempo l'impatto ambientale. Tecnologie all'avanguardia come la deposizione a strato atomico (ALD) hanno iniziato a essere applicate anche alla preparazione di rivestimenti ad assorbimento selettivo.

Sviluppo intelligente

I rivestimenti intelligenti e reattivi rappresentano un'importante direzione di sviluppo per il futuro. Questi rivestimenti possono adattare automaticamente le loro caratteristiche di radiazione in base alla temperatura ambiente. Nuovi materiali funzionali, come i materiali a cambiamento di fase e i materiali termocromici, sono allo studio per la preparazione di rivestimenti intelligenti ad assorbimento selettivo.

Vi. Standard di qualità e metodi di prova

Sistema standard internazionale

I test prestazionali e la valutazione dei rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi hanno dato vita a un sistema di standard internazionali completo. Questo sistema include principalmente le norme della serie ISO 22975, EN 12975, ecc. Queste norme stabiliscono i metodi di prova e i requisiti per le prestazioni ottiche, la durabilità, l'adattabilità ambientale e altri indicatori dei rivestimenti.

Metodo di test delle prestazioni

I test di assorbimento solitamente utilizzano uno spettrofotometro con sfera integratrice, mentre i test di emissività utilizzano uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier. I test di durabilità includono una serie di test di invecchiamento accelerato, come test di invecchiamento ad alta temperatura, test di calore umido, test di nebbia salina e test di invecchiamento ultravioletto.

Sistema di certificazione di qualità

La certificazione Solar Keymark è una certificazione di qualità riconosciuta a livello mondiale per i prodotti solari. I prodotti che hanno superato questa certificazione dimostrano che le loro prestazioni e qualità hanno raggiunto un livello avanzato a livello internazionale. Inoltre, ogni paese ha il proprio sistema di certificazione, come la certificazione Golden Sun cinese e la certificazione SRCC degli Stati Uniti, ecc.

Vii. Analisi dei benefici economici

Analisi della composizione dei costi

I costi di produzione dei rivestimenti ad assorbimento altamente selettivi includono principalmente i costi dei materiali, l'ammortamento delle attrezzature, il consumo di energia e i costi di manodopera, ecc. Tra questi, l'investimento in attrezzature per sputtering magnetron rappresenta oltre il 40% del costo totale, il consumo di materiali target rappresenta circa il 30% e il consumo di energia rappresenta il 15%.

Analisi del rendimento degli investimenti

Sebbene l'investimento iniziale sia superiore del 50-80% rispetto ai rivestimenti tradizionali, grazie alla maggiore efficienza e alla maggiore durata, il periodo di ammortamento si riduce di 2-4 anni. Durante l'intero ciclo di vita, può generare oltre il 35% di energia termica in più e aumentare i benefici economici complessivi di oltre il 60%.

Valutazione del valore di mercato

Si prevede che il mercato globale dei rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi raggiungerà i 5 miliardi di dollari entro il 2025, con un tasso di crescita annuo superiore al 15%. La riduzione dei costi e il miglioramento delle prestazioni apportati dal progresso tecnologico stanno guidando il rapido sviluppo di questo mercato.

VIII. Conclusioni e prospettive

Come materiale fondamentale della tecnologia di utilizzo del solare termico, i rivestimenti ad assorbimento solare altamente selettivi stanno guidando l'intero settore verso un'elevata efficienza ed efficacia a lungo termine. Le sue prestazioni eccezionali e i significativi vantaggi economici ne fanno la tecnologia preferita per l'ammodernamento e la sostituzione dei collettori solari. 

In futuro, con la continua evoluzione di nuovi materiali e processi, le prestazioni dei rivestimenti ad assorbimento altamente selettivi saranno ulteriormente migliorate e i loro costi ulteriormente ridotti. Soprattutto nei campi di applicazione a medie e alte temperature, questo rivestimento svolgerà un ruolo sempre più importante. Nel frattempo, con lo sviluppo della produzione intelligente e delle nanotecnologie, il processo di preparazione dei rivestimenti diventerà più preciso ed ecologico. 

Suggeriamo alle imprese e agli istituti di ricerca competenti di aumentare gli investimenti in ricerca e sviluppo, promuovere l'innovazione tecnologica, ridurre i costi e migliorare le prestazioni. Gli enti governativi competenti dovrebbero migliorare il sistema di standardizzazione, rafforzare la supervisione della qualità e promuovere un sano sviluppo del settore. Nella scelta dei prodotti solari, gli utenti finali dovrebbero prestare molta attenzione ai parametri prestazionali e alla certificazione di qualità del rivestimento per garantire il miglior ritorno sull'investimento. 

Lo sviluppo di una tecnologia di rivestimento ad assorbimento solare altamente selettivo darà un contributo significativo agli obiettivi globali di transizione energetica e di riduzione del carbonio e porterà l’industria dell’utilizzo del solare termico in una nuova fase di sviluppo.