Pellicola assorbente solare: la "tecnologia Soul Black" del collettore a piastra piana

Nel componente centrale del collettore solare piano, la piastra termoisolante svolge indubbiamente un ruolo cruciale. È proprio il rivestimento Selective Absorbing Coating, apparentemente semplice ma altamente tecnologico, sulla superficie della piastra termoisolante che le conferisce la capacità di convertire l'energia in modo efficiente. Questo speciale rivestimento può essere considerato l'"anima" del collettore piano, determinando direttamente l'efficienza di raccolta del calore, la temperatura di esercizio e la durata dell'intero sistema. Questo articolo approfondirà i principi tecnici, la storia dell'evoluzione, gli indicatori di prestazione di questo "vestito nero" e il suo impatto chiave sull'efficienza complessiva del collettore.

I. Funzione principale: perché è necessario l'assorbimento "selettivo"?

L'energia della radiazione solare è composta principalmente da luce visibile e luce nel vicino infrarosso, e la sua distribuzione energetica è approssimativamente equivalente a quella della radiazione di corpo nero a 5800 K. Quando la piastra di assorbimento del calore del collettore è in funzione (solitamente al di sotto dei 150 °C), genererà anche radiazione infrarossa a causa del calore, con conseguente perdita di calore. 

1. Uno strato di pellicola assorbente ideale deve raggiungere due obiettivi apparentemente contraddittori: 

Massimizzare l'assorbimento di energia dallo spettro solare (lunghezze d'onda 0,3-2,5 μm). 

Ridurre al minimo l'energia della radiazione infrarossa (lunghezza d'onda >2,5 μm) generata dalla piastra stessa che assorbe il calore. 

2. Questa caratteristica "solo dentro, niente fuori" è l'essenza dell'assorbimento selettivo. Le sue prestazioni sono definite da due parametri chiave: 

Tasso di assorbimento dell'energia solare (α): capacità di uno strato di pellicola di assorbire l'energia della radiazione solare. Più il valore ideale è vicino a 1 (100%), migliore è. 

Emissività termica (ε): capacità di uno strato di pellicola di irradiare calore verso l'esterno alla temperatura di esercizio. Quanto più il valore ideale è vicino a 0 (0%), tanto migliore è. 

Pertanto, il vero indicatore fondamentale per valutare la qualità di uno strato di pellicola è il suo rapporto di prestazione di conversione fototermica (α/ε). Più alto è questo rapporto, migliore è la sua selettività e maggiore è il beneficio netto del collettore.

Ii. Evoluzione tecnologica: dalla comune vernice nera ai rivestimenti high-tech

Lo sviluppo dello strato di pellicola assorbente ha subito tre generazioni di innovazioni tecnologiche: 

1. La prima generazione: rivestimento non selettivo 

Materiale: vernice nera comune (come vernice per asfalto, vernice per lavagna). 

Caratteristiche: Sebbene il tasso di assorbimento sia relativamente elevato (α ~0,90-0,95), l'emissività è altrettanto elevata (ε ~0,85-0,90) e il rapporto α/ε è prossimo a 1. È come una pietra nera, in grado di assorbire il calore ma anche di dissiparlo facilmente. È inefficiente ed è stato ampiamente eliminato. 

2. La seconda generazione: rivestimento selettivo intrinseco 

Materiali: Alcuni materiali sono intrinsecamente selettivi, come il cromo nero, il nichel nero, l'ossido di rame (CuO), l'ossido di ferro (Fe3O4), ecc. 

Caratteristiche: Questi materiali presentano diverse proprietà ottiche per luce di diverse lunghezze d'onda a livello microstrutturale. Ad esempio, il tradizionale rivestimento elettrolitico in cromo nero è rinomato per la sua eccezionale stabilità (resistenza alle alte temperature e all'umidità), con un tasso di assorbimento α di 0,93-0,97, un'emissività ε di 0,08-0,12 e un significativo aumento del rapporto α/ε a oltre 10. 

Terza generazione: rivestimento selettivo a gradiente (rivestimento di tipo interferenza ottica) 

Tecnologia: viene adottata la tecnologia di rivestimento sotto vuoto Magnetron Sputtering (magnetron Sputtering). 

Struttura: depositando successivamente più strati di pellicole nanometriche con diversi indici di rifrazione (come nitruro di alluminio, nitruro di zirconio e compositi di nitruro di alluminio e acciaio inossidabile) su un substrato metallico (come rame o alluminio), si forma una struttura "a gradiente" con un indice di rifrazione che cambia gradualmente dalla superficie al substrato. 

Principio di funzionamento: sfrutta il principio dell'interferenza ottica. Lo spessore e il materiale di ogni strato di pellicola sono stati progettati con precisione per causare molteplici riflessioni e interferenze della luce solare all'interno dello strato di pellicola, che alla fine viene assorbita quasi completamente (il cosiddetto "effetto trappola"). Allo stesso tempo, questa struttura multistrato presenta un'elevata riflettività della radiazione infrarossa a onde lunghe, sopprimendo così l'emissione termica. 

Caratteristica: Questa è la tecnologia di fascia alta attualmente più diffusa. Offre prestazioni estremamente eccellenti, con un tasso di assorbimento α > 0,95 e un'emissività ε pari a 0,04-0,06 (a 80°C), e un rapporto α/ε superiore a 15. L'aspetto è solitamente uniforme, di colore blu-nero o nero scuro.

Iii. Indicatori di prestazione fondamentali e standard di prova

Per valutare la qualità di uno strato di pellicola assorbente, è necessario considerare le seguenti prestazioni principali: 

Prestazioni ottiche: α > 0,95, ε < 0,05 sono i tratti distintivi dei prodotti di fascia alta. 

Resistenza agli agenti atmosferici (durabilità) 

Resistenza all'umidità e al calore: dopo essere stato testato per centinaia di ore in un ambiente ad alta temperatura e umidità (ad esempio 85 °C e 85% di umidità relativa), il degrado delle prestazioni dovrebbe essere minimo. Questo è il fattore chiave per valutare la durata del rivestimento. 

Resistenza al calore: può funzionare stabilmente per lungo tempo in condizioni di lavoro di 150-200 °C senza sfaldarsi, sfaldarsi o ossidarsi. 

Resistenza alla nebbia salina: per le zone costiere, la capacità di resistere alla corrosione salina è di vitale importanza. 

Adesione: il rivestimento deve aderire saldamente al supporto metallico. Attraverso test come quelli trasversali, si garantisce che non cada. 

Resistenza all'esposizione al sole: in condizioni di esposizione solare estrema, le prestazioni del rivestimento rimangono stabili, senza invecchiamento o cedimenti.

Iv. Tecnologie di rivestimento tradizionali

Tipo di rivestimento: Rivestimento a gradiente di alluminio-azoto (film blu/film nero)

Prestazioni ottiche: eccellenti (α>0,95, ε<0,05)

Resistenza alle intemperie: Ottima (resistente al calore umido e alle alte temperature)

Rispetto per l'ambiente: ecologico, privo di metalli pesanti

Costo: relativamente alto (grande investimento in attrezzature)

Aspetto: Blu-nero uniforme o nero scuro

Tendenze del mercato: tendenze attuali e future

V. Come scegliere strati di pellicola di alta qualità per il tuo collezionista?

Informarsi sul tipo di tecnologia: dare priorità al rivestimento gradiente di alluminio-azoto mediante tecnologia di sputtering magnetron. 

Richiedi parametri di prestazione: chiedi al fornitore di fornire un rapporto rilasciato da un istituto di prova autorevole, con particolare attenzione ai risultati dei test relativi al tasso di assorbimento (α), all'emissività (ε) e alla resistenza all'umidità e al calore. 

Osservare l'aspetto: un rivestimento di alta qualità ha un colore uniforme, è denso, privo di graffi e imperfezioni. Può essere toccato delicatamente con le mani. Non dovrebbe esserci polvere che cade. 

Scegli un marchio affidabile: i materiali di rivestimento di marchi noti hanno una qualità più stabile e una durata garantita.

Vi. Conclusione

Sebbene il film di assorbimento selettivo solare sia sottile, è uno dei componenti principali con il più alto contenuto tecnologico e il maggiore valore aggiunto nella tecnologia dei collettori solari piani. Dalla normale vernice nera al rivestimento a sputtering sotto vuoto ad alta tecnologia, ciascuna delle sue evoluzioni ha migliorato significativamente l'efficienza e l'economicità dell'utilizzo dell'energia solare termica. 

Oggi, il rivestimento a gradiente ad alte prestazioni è diventato lo standard per i collettori piani di fascia alta, determinando non solo la capacità di rendimento del collettore in condizioni di bel tempo, ma anche le sue prestazioni di accumulo di calore nelle giornate di pioggia, negli ambienti a basse temperature invernali e l'affidabilità a lungo termine dell'intero sistema. Nella scelta di un collettore piano, una conoscenza approfondita di questo strato di pellicola nera "interna" è senza dubbio un passo cruciale per prendere una decisione saggia. Investire in un collettore con un "cuore" forte significa investire nei vantaggi dell'efficienza energetica per i decenni a venire.