研究太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板工艺

摘要：在钢化玻璃上应用化学镀方法，研究太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板的制造工艺。该钢化玻璃透明盖板具有多层镀层，其结构为钢化玻璃、隔热层和表层。隔热层为镍磷合金，表层由类金刚石玻璃层、类金刚石碳层、类金刚石玻璃和类金刚石碳交替层叠形成。钢化玻璃透明盖板的主要优点：制造工艺简单、产品选材范围广、光-热转化效率高、使用寿命长。 　　0引言 　　太阳能光热转换技术即太阳能集热技术是太阳能利用主要技术之一，主要应用于太阳能熔炉[1]，太阳能干燥器[2-3]，太阳能集热器[4-5]等。其中，太阳能集热器正得到广泛的应用，尤其是平板集热器与建筑相结合[6-12]更受青睐。 　　平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用基本器件，已经广泛应用于生活热水、加热、潜泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖等。基本部件包括：吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等。透明盖板主要作用在保证太阳辐射有效透过前提下保护吸热板，以防灰尘、雨雪等侵蚀吸热板导致损坏。用于制造透明盖板的材料主要有两大类：玻璃钢板和钢化玻璃。 　　玻璃钢板基本结构为玻璃纤维增强透明树脂板，虽导热率小，但树脂基材在长期光照下易老化，导致树脂材料降解，不仅影响其力学性能，也导致玻璃钢板变黄、透光效率降低。钢化玻璃多选用低铁钢化玻璃，其透光性好、耐候性强。但玻璃材料导热率高，难以将热能保存于太阳能集热器内部，导致太阳光集热器光-热转换效率降低；另一方面，普通硅酸盐基玻璃耐磨性、耐腐蚀性差，难以抵御灰尘刮磨和雨水中酸碱物质对其腐蚀，结果也是导致透明盖板透光效率降低。 　　本文针对现有技术中钢化玻璃透明盖板缺陷，采用化学镀方法，提出了一种具有多层镀层新型太阳能集热器钢化玻璃透明盖板。通过在钢化玻璃上增加一层镍磷合金镀层，不仅可以有效提高钢化玻璃耐磨性、耐腐蚀性等性能，同时显著降低具有该镀层钢化玻璃导热率，有效抑制太阳能集热器内部热能通过透明盖板散失。 　　1太阳能集热器钢化玻璃透明盖板制作工艺流程 　　1.1太阳能集热器钢化玻璃透明盖板组成 　　图1太阳能集热器钢化玻璃结构。1—玻璃钢板；2—隔热层；3—表层。隔热层为镍磷合金，表层为具有一层类金刚石碳层3-1和一层类金刚石玻璃层3-2。 1、钢化玻璃，2、隔热层，3-1、类金刚石碳层，3-2、类金刚石玻璃层。 图1太阳能集热器钢化玻璃结构 　　化学镀镍磷合金采用常规化学镀方法，传统化学镀配方包括硫酸镍、磷酸二氢钠添加剂、稳定剂等，一般在（55℃-70℃）±2℃、pH5.0-6.5条件下实现。镀层厚度可通过化学镀时间和镀层原料周期性补加方式实现，一般化学镀时间为0.5h-2.5h，镀液原料周期性补加2次-8次。 　　隔热层厚度对于平衡透光性和导热率至关重要。镀层过厚，尽管导热率上升，但透光性也随之下降；镀层厚度不足，难以有效降低钢化玻璃导热率。镀层厚度一般应控制在8μm-22μm、优选9μm-18μm、进一步优选10μm-12μm。 　　隔热层中，镍磷镀层优选通过刻蚀方法形成多个独立区间，在隔热层之上再覆盖表层，部分表层材料可与钢化玻璃基底直接接触，从而将镍磷镀层分割为多个独立区间，不仅提高镀层牢固性，也保证镀层个别区间遭到破坏后与区间依然可以维持封闭状态，从而延长镀层的寿命。间隙可通过将隔热层完全刻蚀形成，间隙宽度优选0.5-1.5μm，所述蚀刻可使用本领域常用的方法，例如全息激光蚀刻（HLE）、溅射与离子束铣蚀（SIME）、高压等离子刻蚀（HPPE）、反应离子刻蚀（RIE）等。 　　表层位于隔热层相反与玻璃钢板基底的一侧，起到保护隔热层、同时降低钢化玻璃自爆率作用。其构成材料包括等离子体聚合物层，具体可以为类金刚石玻璃（DLG）或类金刚石碳（DLC）。 　　类金刚石玻璃（DLG）是由碳和硅构成无定形态玻璃，可任选含有诸如氢、氮、氧、氟等杂原子；类金刚石碳（DLC）主要由碳原子和氢原子构成。DLG和DLC分子结构稳定，具有良好的刚性、耐磨性和耐腐蚀性，即使使用非常薄的镀层也能有效防止沙尘刮花钢化玻璃或酸碱对玻璃钢板的腐蚀。DLG和DLC层的制备方法可依据美国专利US2007/0020451A1中所公开的方法实施。表层可包含一层DLG或DLC，也可为DLG和DLC交替形成多层表层。表层厚度优选100nm-300nm、进一步优选150nm-200nm。 　　1.2 太阳能集热器钢化玻璃透明盖板制备方法 　　太阳能集热器钢化玻璃透明盖板可通过如下步骤制备： 　　1.对钢化玻璃进行清洁； 　　2.在钢化玻璃上通过化学镀的方法形成镍磷镀层，即为隔热层； 　　3.对隔热层进行蚀刻，将隔热层分割为多个相互独立的区间； 　　4.在隔热层的上方生成表层。 　　其中，化学镀液的配方为NiSO4·6H2O 25g/L、NaH2PO4 25g/L、乙酸钠15g/L、稳定剂5mg/L，工艺温度55℃-70℃，pH 5.0-6.5，化学镀时间为0.5h-2.5h，镀液原料周期性补加2-8次。 　　2性能实验及结果分析 　　实验采用自制钢化玻璃盖板，根据单一变量原则，设置两组对比实验，采用BTC-3型可见光透射率测试仪测定透明盖板透光率。实验设置如下： 　　实施例1。参照图1的结构。透明盖板可采用以下原料和工艺步骤制备而成： 　　1. 准备10mm低铁钢化玻璃板，并进行清洁； 　　2. 在低铁钢化玻璃上形成厚度为11μm 的镍磷镀层，化学镀液的配方为NiSO4·6H2O25g/L、NaH2PO425g/L、乙酸钠15g/L、稳定剂5mg/L，具体工艺条件为温度60℃、pH为5.5，化学镀时间1.5h，周期性补加镀液原料4次，即得到隔热层； 　　3. 以高压等离子刻蚀（HPPE）对隔热层进行蚀刻，将隔热层分割为多个相互独立区间，各区间的间隙控制在1滋m； 　　4.在隔热层上方生成表层，在隔热层上依次形成一层类金刚石碳层3-1和一层类金刚石玻璃层3-2，两层的厚度均控制在90nm，表层总厚度为180nm。 　　实施例2与实施例1的区别仅在于，使用相同材质的20mm 低铁钢化玻璃，其余与步骤相同。 　　对比例1，采用相同材质的10mm低铁钢化玻璃，仅进行实施例1的步骤（1）和（4）。 　　对比例2，采用相同材质的20mm低铁钢化玻璃，仅进行实施例1的步骤（1）和（4）。 　　采用BTC-3型可见光透射率仪器，通过准稳态平壁导热测定法测定透明盖板导热系数U值，结果列于表1。 　　通过表1测试数据可知：通过使用隔热层，同样材质的10mm 厚钢化玻璃透明盖板在透光率略微降低（降低0.56%）的情况下，其导热系数显著降低（降低1.79%），达到甚至超过20mm不具备隔热层钢化玻璃透明盖板对应性能，从而有效抑制太阳能集热器内部热能通过透明盖板散失。以20mm厚钢化玻璃为基材，尽管可以获得更低导热系数的透明盖板，但其透光率显著下降。 　　3结论 　　通过采用化学镀方法，在钢化玻璃上增加一层镍磷合金镀层，设计了一种具有多层镀层新型太阳能集热器钢化玻璃透明盖板。对比实验分析发现：通过增加隔热层，可以使用厚度较低的钢化玻璃来制备透明盖板，从而在保证透光率的前提下有效提高透明盖板隔热性，最终提高太阳能集热器的光- 热转换率、降低产品重量、便于运输和安装。（宁夏银晨太阳能科技有限公司王学峰）