一种太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板的工艺研究
本文主要在钢化玻璃上应用化学镀方法，研究了一种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，其结构为依次具有钢化玻璃、隔热层和表层。隔热层为镍磷合金，表层为类金刚石玻璃层、类金刚石碳层或类金刚石玻璃和类金刚石碳交替层叠形成的层。该太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板的主要优点在于其制造工艺简单，产品选材范围广，光-热转化效率高，使用寿命长。
关键字：太阳能集热器; 钢化玻璃; 隔热层; 化学镀
1 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，尤其是平板集热器以其低廉的价格，高的热效率，能与建筑物有机结合实现一体化应用[6-12]而更受青睐。
平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本器件，也是世界太阳能市场的主导产品。平板型集热器已经广泛应用于生活用水、加热、潜泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖等。其基本部件包括：吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分。透明盖板的主要作用在于在保证太阳辐射有效透过的前提下保护吸热板，以防灰尘、雨雪等侵蚀吸热板导致其损坏。可用于制造透明盖板的材料主要有两大类，即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，导致树脂材料的降解，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。但玻璃材料的导热率高，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，普通的硅酸盐基玻璃耐磨性、耐腐蚀性差，难以抵御灰尘的刮磨和雨水中酸碱物质对其的腐蚀，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的缺陷，采用化学镀方法，提出了一种具有多层镀层的新型的太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板。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诸如耐磨性、耐腐蚀性等性能，同时能够显著降低具有该镀层的钢化玻璃的导热率，从而有效抑制了太阳能集热器内部热能通过透明盖板散失。
2 太阳能集热器钢化玻璃透明盖板制作工艺流程
2.1 太阳能集热器钢化玻璃透明盖板组成介绍
图1为文中提及的太阳能集热器钢化玻璃结构示意图。其结构组成为玻璃钢板1、隔热层2和表层3。隔热层2为镍磷合金，表层3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示意图
化学镀镍磷合金采用常规化学镀方法获得。传统的化学镀配方包括硫酸镍、磷酸二氢钠和添加剂、稳定剂等，一般在（55-70）±2℃、pH 5.0-6.5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等方式来实现，一般化学镀时间为0.5-2.5h，镀液原料周期性补加2-8次。
隔热层的厚度对于平衡其透光性和导热率至关重要。镀层过厚，尽管导热率下降，但透光性也随之下降；镀层厚度不足，则难以有效降低钢化玻璃的导热率。镀层厚度一般应控制在8-22μm、优选9-18μm、进一步优选10-12μm范围内。
隔热层中，镍磷镀层优选通过刻蚀方法形成多个独立的区间。如此，于隔热层之上再覆盖表层时，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的区间，不仅提高了镀层的牢固性，也保证了镀层个别区间遭到破坏后其与区间依然可以维持封闭的状态，从而延长了镀层的寿命。间隙可通过将隔热层完全刻蚀而形成，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的作用。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）是由碳和硅构成的基本上呈无定形态的玻璃，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等刮花钢化玻璃、或酸碱等对玻璃钢板的腐蚀。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交替形成的多层表层。表层的厚度优选100-300nm、进一步优选150-200nm。
2.2 太阳能集热器钢化玻璃透明盖板制备方法
本文所涉及的太阳能集热器用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0.5-2.5h，镀液原料周期性补加2-8次。
3 性能实验及结果分析
实验采用自制的钢化玻璃盖板，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 6H2O 25g/L、NaH2PO4 25g/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的区间，各区间的间隙控制在1μm；
（4）在隔热层的上方生成表层，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。仿照实施例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。仿照实施例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中。
表1 不同透明盖板导透光率和导热系数实验数据
样本 | 透光率 （%） | U值 （W/M2·K） |
实施例1 | 89.0 | 5.50 |
实施例2 | 84.5 | 5.49 |
对比例1 | 89.5 | 5.60 |
对比例2 | 86.1 | 5.52 |
通过表1的测试数据可确定，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不具备隔热层的钢化玻璃透明盖板对应性能，从而有效抑制了太阳能集热器内部热能通过透明盖板的散失。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，但其透光率也显著下降，低的透光率对集热器选材来说是极其不利的。
4 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，提出了一种具有多层镀层的新型的太阳能集热器用钢化玻璃透明盖板。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的隔热性，最终提高太阳能集热器的光-热转换率，同时也有利于产品重量的降低、便于运输和安装。
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