新一代太陽(yáng)能集熱板真空鍍膜生產(chǎn)線系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

　　本文介紹了新一代太陽(yáng)能集熱板真空鍍膜生產(chǎn)線系統(tǒng)組成及其主要結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)制備的集熱板選擇性吸收涂層具有良好的光熱性能、力學(xué)性能和耐候性能；提高集熱板光熱效率和涂層的使用壽命并實(shí)現(xiàn)了集熱板集熱涂層生產(chǎn)的環(huán)�；�和連續(xù)化，對(duì)平板集熱器的發(fā)展和應(yīng)用具有極大的推動(dòng)作用。

　　在國(guó)內(nèi)城市建筑物中真空管產(chǎn)品在安裝高度、公共安全、管道、質(zhì)量以及市容建設(shè)等方面遇到的瓶頸問(wèn)題日益突出。世界各國(guó)都力圖將太陽(yáng)能與建筑密切結(jié)合，尋求外形美觀，布局合理，管理規(guī)范的太陽(yáng)能與建筑一體化的設(shè)計(jì)。平板集熱器具有承壓性、雙循環(huán)系統(tǒng)、易于與建筑結(jié)合，提供更多的生活熱水等自身優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，平板集熱器在系統(tǒng)使用壽命、系統(tǒng)維護(hù)等方面比全玻璃真空集熱管具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家(北美、北歐及夏威夷地區(qū)) 平板太陽(yáng)能集熱器占市場(chǎng)的90%以上，把平板集熱器作為建筑材料實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用與建筑一體化。

　　目前，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能集熱市場(chǎng)正逐漸接受這一理念，這促進(jìn)了平板太陽(yáng)能集熱器的廣泛使用和對(duì)太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層集熱板芯的需求。例如，北京2008 年的一些奧運(yùn)比賽場(chǎng)館采用的就是平板太陽(yáng)能集熱器，就是以突出太陽(yáng)能利用和環(huán)保與建筑一體化為鮮明標(biāo)志。

　　國(guó)內(nèi)平板集熱器板芯吸收涂層的制備工藝從簡(jiǎn)單噴涂發(fā)展到選擇性的硫化鉛，金屬氧化處理。但與真空鍍膜相比，其工藝復(fù)雜，手工操作多，工藝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)控制不當(dāng)，廢液處理容易造成一定程度的環(huán)境污染�，F(xiàn)有的間歇式單體真空鍍膜是一爐一爐地生產(chǎn)，這種方式生產(chǎn)效率低，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為更重要的是各爐之間生產(chǎn)的膜層色澤一致性、穩(wěn)定性差。

　　目前，國(guó)外采用電子束蒸發(fā)的方法將鈦和石英在電子射線槍的作用下被汽化，汽化物在加入氮和氧后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮氧化鈦，最后在金屬銅帶上沉積冷凝而成涂層。這種集熱薄膜主要生產(chǎn)在銅基體條帶上(1200×50000×0.3 mm)，制造平板集熱器板芯時(shí)需要對(duì)條帶進(jìn)行切割，同時(shí)在每個(gè)翼片的背面通過(guò)超聲波焊接排管，一方面焊接過(guò)程中破壞膜層性能，另一方面在整個(gè)板芯組焊過(guò)程中造成膜層的二次污染，影響集熱板芯的集熱效率。

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有采用連續(xù)式真空鍍膜技術(shù)生產(chǎn)和制備平板太陽(yáng)能集熱器選擇性涂層，現(xiàn)有平板太陽(yáng)能集熱器集熱膜層的性能(吸收率、發(fā)射率、耐候性)與國(guó)際同類產(chǎn)品有一定差距，尤其是在大氣環(huán)境下長(zhǎng)期使用的耐候性方面更明顯，生產(chǎn)過(guò)程造成環(huán)境污染。采用連續(xù)式太陽(yáng)能集熱板真空鍍膜生產(chǎn)方式替代傳統(tǒng)、有環(huán)境污染的電鍍生產(chǎn)方式或單室間歇式鍍膜方式，以提高集熱膜層在大氣中使用的耐候性能及集熱性能為目的的膜層、膜系研究和設(shè)備結(jié)構(gòu)的研制，是當(dāng)前太陽(yáng)能集熱器光譜選擇性吸收膜層研究、生產(chǎn)和發(fā)展的主要方向。

1、涂層的制備工藝及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

　　該系統(tǒng)采用磁控濺射技術(shù)、中頻濺射技術(shù)、離子源表面活化等技術(shù)，在平板太陽(yáng)能集熱器整板芯片上反應(yīng)沉積鋁—氮—鋁反應(yīng)系列和二氧化硅疊加的光譜選擇性吸收膜層，解決產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境污染問(wèn)題和提高集熱芯片的集熱性能、涂層的附著力和耐候性能。涂層的結(jié)構(gòu)采用：SiO2/AlN/(LMVF)Al-N/(HMVF)Al-N/Al(Cu)，其中：HMVF 是金屬粒子體積比較高的吸收層，而LMVF 是金屬粒子體積比較低的吸收層。即在銅、鋁或者銅鋁復(fù)合整板芯片上沉積鋁或銅為基膜，在此基礎(chǔ)上反應(yīng)濺射沉積兩層不同成分和金屬含量吸收膜層，最后沉積AlN 和SiO2 介質(zhì)增透、保護(hù)層。系統(tǒng)包括依次連接的上片臺(tái)、防塵加熱室、進(jìn)片室、進(jìn)片過(guò)渡室和進(jìn)片緩沖室、至少一個(gè)沉積高反射率金屬層鍍膜室、至少兩個(gè)沉積金屬含量不同的吸收層鍍膜室、至少一個(gè)沉積減反射層鍍膜室、至少一個(gè)沉積保護(hù)層鍍膜室、出片緩沖室、出片過(guò)渡室、出片室、下片臺(tái)，抽空系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)吸收膜層的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)節(jié)拍的要求，增加鍍膜區(qū)各個(gè)鍍膜室的數(shù)量。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　1.上片臺(tái)；2.溫度調(diào)節(jié)；3.進(jìn)片閥門(mén)；4.進(jìn)片隔離閥；5.芯片表面活化裝置；6- 進(jìn)片區(qū)；601.進(jìn)片室；602.進(jìn)片過(guò)渡室；603.進(jìn)片緩沖室；7.鍍膜區(qū)；701.高發(fā)射金屬層鍍膜室；702、703.金屬含量不同的吸收層鍍膜室；704.減發(fā)射層鍍膜室；705.保護(hù)層鍍膜室；8.擴(kuò)散泵；9.出片區(qū)；901.出片緩沖室；902.出片過(guò)渡室；903.出片室；10.羅茨泵；11.出片隔離閥；12.出片閥門(mén)；13.下片臺(tái)；14.機(jī)械泵；15.前級(jí)閥；16.防塵加熱室

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

　　系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，水平臥式傳送太陽(yáng)能集熱板整板芯片的方式、采用專有的防塵加熱結(jié)構(gòu)和控制、采用專用的充氣管結(jié)構(gòu)向鍍膜腔充入工作氣體和等離子體光譜檢測(cè)裝置、離子源表面活化裝置，提高涂層生產(chǎn)過(guò)程中的附著力、均勻性和一致性問(wèn)題，一次性獲得高能選擇性吸收涂層和耐候性保護(hù)涂層，滿足高品質(zhì)集熱板芯的需求和連續(xù)式工業(yè)化生產(chǎn)。以取代以往有環(huán)境污染的電鍍光譜選擇性涂層的生產(chǎn)模式和間歇式真空鍍膜生產(chǎn)方式，解決產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境污染問(wèn)題，提高了集熱芯片的集熱性能和耐候性能。

2.1、防塵加熱室及其特點(diǎn)

　　防塵加熱室16 內(nèi)設(shè)有多個(gè)加熱源，采用遠(yuǎn)紅外加熱管。加熱源呈矩陣式分布，每個(gè)加熱源配有熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)SSR(固態(tài)繼電器)溫度調(diào)節(jié)回路2，現(xiàn)場(chǎng)各點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)值進(jìn)入PLC 存儲(chǔ)器，輸出的控制對(duì)象為SSR，采用模糊控制，將給定溫度與測(cè)量溫度相比較，得到相應(yīng)的通斷比例控制輸出。

2.2、鍍膜室及其特點(diǎn)

　　根據(jù)沉積光譜選擇性吸收涂層的工藝需求，本系統(tǒng)采用兩種鍍膜室結(jié)構(gòu)，鍍膜區(qū)7 的沉積高反射率金屬層鍍膜室701 和沉積保護(hù)層鍍膜室705 所采用同一結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，鍍膜室內(nèi)裝有一組孿生靶極24；鍍膜腔20 的間隔板28 上與靶極24 對(duì)應(yīng)側(cè)對(duì)稱設(shè)置有上、下可調(diào)節(jié)的“L”型調(diào)節(jié)擋板23，保證“L”型調(diào)節(jié)擋板23 與被鍍芯片21 之間的距離是可調(diào)的，“L”調(diào)節(jié)擋板和進(jìn)氣管與鍍膜室體絕緣，進(jìn)氣管的進(jìn)氣方向相反設(shè)置；工作氣體通過(guò)散氣孔經(jīng)“L”型調(diào)節(jié)擋板反射后擴(kuò)散到鍍膜腔20 內(nèi)。僅在隔離腔18 及第一排氣腔171、第二排氣腔172 兩側(cè)設(shè)有排氣口，為了保證工業(yè)化批量生產(chǎn)膜層的一致性、重復(fù)性，在沉積保護(hù)層鍍膜室705 鍍膜腔20 內(nèi)設(shè)有等離子體光譜檢測(cè)裝置38。沉積高反射率金屬層鍍膜室701 內(nèi)靶極采用銅或鋁及其合金沉積高反射率金屬層；沉積保護(hù)層鍍膜室705 采用Si作為靶極，氧氣作為反應(yīng)氣體，中頻濺射SiO2 覆蓋在吸收涂層的外表面，用它作為對(duì)吸收層起到減反射和保護(hù)作用，同時(shí)提高膜層的耐候性能，延長(zhǎng)膜層的使用壽命。

圖2 鍍膜室結(jié)構(gòu)1

　　如圖3 所示，第一、第二沉積金屬含量不同的吸收層鍍膜室702、703，沉積減反射層鍍膜室704 采用同一結(jié)構(gòu)；裝有二組旋轉(zhuǎn)孿生靶極；通過(guò)隔板28 分成兩個(gè)鍍膜腔20。在第一、第二沉積金屬含量不同的吸收層鍍膜室702、703，沉積減反射層鍍膜室704 的鍍膜腔20 內(nèi)設(shè)有等離子體光譜檢測(cè)裝置38。第一、第二沉積金屬含量不同的吸收層鍍膜室702、703 兩組靶材均采用鋁及其合金或一組靶材采用鋁及其合金、另一組靶材采用不銹鋼；反應(yīng)氣體采用氮?dú)獬练e金屬含量不同的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層。沉積減反射層鍍膜室704 兩組靶材均采用鋁及其合金，反應(yīng)氣體采用氮?dú)狻⒌�氧混合氣體，反應(yīng)沉積減反射介質(zhì)層。

圖3 鍍膜室結(jié)構(gòu)2

2.3、控制系統(tǒng)

　　人機(jī)界面采用觸摸屏(e-view)提供各種操作界面和菜單選取，系統(tǒng)采用西門(mén)子S7 系列PLC 進(jìn)行控制，可與真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、在線測(cè)量系統(tǒng)等之間進(jìn)行通訊，可全線實(shí)現(xiàn)電腦化自動(dòng)控制，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鍍膜過(guò)程的工藝參數(shù)(如鍍膜速度、靶極電流、氣體流量等)，可顯示真空系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)、傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，傳動(dòng)數(shù)據(jù)顯示、歷史報(bào)表、報(bào)警信息等多個(gè)窗口。有好的人機(jī)界面為操作者提供了簡(jiǎn)潔、明了的人機(jī)對(duì)話環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)置了各種軟硬件保護(hù)措施及在線自我診斷功能并發(fā)出聲、光報(bào)警。為設(shè)備的可靠運(yùn)行提供安全保障，滿足了大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

3、結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)所生產(chǎn)的真空鍍膜芯片，其涂層的光學(xué)性能指標(biāo)，經(jīng)國(guó)家太陽(yáng)能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，吸收率為0.94，發(fā)射率為0.063. 涂層的附著力經(jīng)遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院檢測(cè)為0級(jí)，具有良好的力學(xué)性能。通過(guò)耐酸、耐堿和鹽霧實(shí)驗(yàn)，均表明涂層的性能接近國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

　　該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高集熱板光熱效率和涂層的使用壽命，使平板太陽(yáng)能集熱芯片的生產(chǎn)方式由電鍍方式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)污染的環(huán)保過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化大批量整板平板芯片連續(xù)鍍膜生產(chǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作靈活、方便，產(chǎn)品的一致性和重復(fù)性好。突破國(guó)外在該領(lǐng)域的技術(shù)封鎖，填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白；具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)平板集熱器的發(fā)展和應(yīng)用具有極大的推動(dòng)作用，使我國(guó)平板太陽(yáng)能集熱器在國(guó)內(nèi)得以推廣和走向國(guó)際市場(chǎng)。