Revestimentos de absorção solar altamente seletivos: uma tecnologia essencial para os avanços na eficiência da conversão fototérmica

No campo da utilização da energia solar térmica, o desempenho do revestimento de absorção determina diretamente a eficiência de conversão de energia de todo o sistema. Como material central da tecnologia solar térmica, os revestimentos de absorção solar altamente seletivos conseguem uma absorção eficiente da radiação solar e a supressão eficaz da radiação térmica através das suas propriedades óticas únicas, tornando-se um fator chave para a melhoria do desempenho dos coletores solares. Este artigo irá aprofundar os princípios técnicos, as características de desempenho, os processos de preparação e as perspetivas de aplicação dos revestimentos de absorção solar altamente seletivos, fornecendo referências técnicas abrangentes para profissionais da indústria e utilizadores finais.

I. Princípios e Características Técnicas

Os revestimentos de absorção solar altamente seletivos são materiais funcionais com propriedades óticas especiais. O seu princípio básico é ter uma elevada taxa de absorção na gama de radiação solar (0,3-2,5 μm), mantendo uma baixa emissividade na gama de radiação térmica (2,5-25 μm). Esta característica de absorção seletiva é conseguida através do design preciso de uma estrutura de sistema de filme multicamadas, que normalmente consiste em componentes como uma camada refletora, uma camada de absorção, uma camada antirreflexo e uma camada protetora.

Características de desempenho ótico

A taxa de absorção (α) dos revestimentos de absorção de alta seletividade e alta qualidade pode atingir 0,95-0,98, a emissividade (ε) pode ser tão baixa como 0,04-0,08 e a relação de desempenho ótico (α/ε) pode exceder 12. Sob o espectro solar padrão AM1. 5, a sua eficiência de conversão fototérmica excede 92%, o que é 20-30% superior à dos revestimentos comuns. As características seletivas do revestimento permitem absorver a quantidade máxima de energia solar, minimizando a perda de radiação térmica.

Desempenho de estabilidade térmica

Após 2000 horas de teste de envelhecimento a alta temperatura a 350°C, a taxa de degradação do desempenho foi inferior a 3%. Após ter sido testado durante 3000 horas num ambiente húmido e quente de 85°C e 85% de humidade relativa, o revestimento não apresentou descascamento nem descoloração, demonstrando uma excelente adaptabilidade ambiental. A resistência à névoa salina atinge as 1.500 horas sem corrosão, sendo adequado para utilização em diversas condições climatéricas.

Ii. Processo de Preparação e Progresso Tecnológico

Tecnologia de pulverização catódica magnetron

O processo de preparação mais avançado atualmente é a tecnologia de pulverização catódica por magnetrão. Ao controlar com precisão os parâmetros de pulverização catódica num ambiente de alto vácuo, a deposição do filme é alcançada com uma precisão nanométrica. Este processo permite a preparação de estruturas de filme multicamadas com espessura uniforme e composição precisa, garantindo a consistência e a repetibilidade do desempenho do revestimento. A moderna linha de produção adota um sistema de controlo totalmente automático, com uma precisão de controlo da espessura do filme de ±0,5 nm.

Tecnologia de deposição eletroquímica

Para alguns cenários de aplicação, a deposição eletroquímica continua a ser um método de preparação importante. Ao otimizar a fórmula do eletrólito e os parâmetros de deposição, é possível obter revestimentos de absorção seletiva com um excelente desempenho. Este método tem um custo relativamente baixo e é adequado para a produção em grande escala, mas é inferior à pulverização catódica por magnetrão em termos de precisão de controlo e consistência.

Método sol-gel

A emergente tecnologia de preparação sol-gel está a desenvolver-se rapidamente. Este método permite preparar revestimentos de absorção seletiva com nanoestruturas a temperaturas relativamente baixas. É particularmente adequado para substratos flexíveis e substratos com formatos especiais, oferecendo novas possibilidades para aplicações de revestimento.

Iii. Análise de Vantagem de Desempenho

Excelente eficiência de conversão fototérmica

Em comparação com os revestimentos tradicionais, a eficiência térmica dos revestimentos de absorção altamente seletiva aumenta em mais de 25%. Nas mesmas condições de iluminação, a temperatura da água de saída do coletor com este revestimento aumenta 10-15°C e o ganho de calor do sistema aumenta mais de 30%. Especialmente em campos de aplicação de média e alta temperatura, as suas vantagens de desempenho são ainda mais evidentes.

Durabilidade de longa duração

Os testes de envelhecimento acelerado mostram que a vida útil dos revestimentos de absorção altamente seletivos pode chegar a mais de 30 anos. No ambiente de utilização real, após 15 anos de testes de exposição externa, a taxa de absorção do revestimento diminuiu apenas 2,5%, a emissividade aumentou 0,9% e a taxa de degradação do desempenho foi muito inferior aos requisitos padrão da indústria.

Ampla adaptabilidade de aplicações

Este revestimento pode ser aplicado em diversos substratos, incluindo materiais metálicos como o cobre, o alumínio e o aço inoxidável, bem como em determinados materiais flexíveis. Ajustando os parâmetros do processo de preparação, é possível satisfazer os requisitos específicos de diferentes cenários de aplicação, permitindo uma produção personalizada.

4. Campos de Aplicação e Análise de Caso

Aplicação de coletores de placa plana

No campo dos coletores planos, os revestimentos de absorção altamente seletivos tornaram-se uma configuração padrão para produtos de alta qualidade. Após uma marca de renome de coletores planos ter adotado este revestimento, a eficiência instantânea aumentou para 85%, 15% superior à dos produtos comuns. A temperatura de saída do produto pode atingir mais de 100°C, cumprindo os requisitos de aquecimento industrial.

Aplicação de coletores de tubos de vácuo

Nos coletores de tubos de vácuo, é aplicado um revestimento de absorção altamente seletivo na superfície exterior dos tubos de absorção de calor, aumentando significativamente a eficiência da recolha de calor. O coletor de tubo de vácuo com este revestimento adotado num determinado projeto alcançou uma eficiência do sistema de 70%, 18% superior à dos produtos tradicionais, e o período de retorno do investimento foi reduzido para 3,5 anos.

Geração de energia solar térmica concentrada

No campo da CSP, os revestimentos de absorção altamente seletivos são a tecnologia chave para a geração de energia a altas temperaturas. Uma central solar térmica adota absorvedores de calor com este revestimento, atingindo uma temperatura de funcionamento superior a 400°C, aumentando a eficiência da geração de energia em 25% e reduzindo o custo por quilowatt-hora em 30%.

Aplicação de Edifício Integrado

Nos sistemas BIPV/T, são utilizados revestimentos de absorção altamente seletivos para aumentar a eficiência de absorção de calor, enquanto os requisitos estéticos arquitetónicos são garantidos através de um design otimizado. Os dados de um determinado projecto de demonstração mostram que o sistema que utiliza este revestimento tem uma eficiência global de 78%, 22% superior à do sistema normal.

V. Tendências de Desenvolvimento Tecnológico

Direção de inovação de materiais

Os investigadores estão a desenvolver novos tipos de nanocompósitos, como nanotubos de carbono, grafeno e outros novos materiais de carbono, bem como materiais nanoestruturados de óxido metálico. Espera-se que estes novos materiais aumentem a taxa de absorção para acima de 0,98 e reduzam a emissividade para abaixo de 0,03.

Otimização do projeto estrutural

O design de sistemas de filmes multicamadas está a evoluir para um maior número de camadas e um controlo de espessura mais preciso. Uma melhor seletividade espectral é conseguida através do design de otimização ótica computacional. Novos conceitos, como a estrutura de índice de refração de gradiente e a estrutura de cristal fotónico, estão a ser explorados e aplicados.

Inovação no processo de preparação

Novos processos, como a tecnologia de preparação a baixa temperatura e a tecnologia de produção contínua rolo a rolo, estão a desenvolver-se rapidamente. Estes processos podem reduzir os custos de produção, aumentar a eficiência da produção e, ao mesmo tempo, minimizar o impacto ambiental. Tecnologias de ponta, como a deposição de camada atómica (ALD), também começaram a ser aplicadas na preparação de revestimentos de absorção seletiva.

Desenvolvimento inteligente

Os revestimentos responsivos inteligentes representam uma importante direção de desenvolvimento no futuro. Estes revestimentos podem ajustar automaticamente as suas características de radiação de acordo com a temperatura ambiente. Novos materiais funcionais, como os materiais de mudança de fase e os materiais termocrómicos, estão a ser estudados para a preparação de revestimentos de absorção seletiva inteligentes.

Vi. Padrões de qualidade e métodos de ensaio

Sistema padrão internacional

Os testes de desempenho e a avaliação de revestimentos de absorção solar altamente seletivos formaram um sistema completo de normas internacionais. Inclui principalmente as normas da série ISO 22975, EN 12975, etc. Estas normas estipulam os métodos de ensaio e os requisitos para o desempenho ótico, durabilidade, adaptabilidade ambiental e outros indicadores de revestimentos.

Método de teste de desempenho

Os testes de taxa de absorção utilizam geralmente um espectrofotómetro com uma esfera integradora, enquanto os testes de emissividade utilizam um espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os testes de durabilidade incluem uma série de testes de envelhecimento acelerado, tais como testes de envelhecimento a alta temperatura, testes de calor húmido, testes de névoa salina e testes de envelhecimento ultravioleta.

Sistema de certificação da qualidade

A certificação Solar Keymark é uma certificação de qualidade reconhecida a nível global para produtos solares. Os produtos aprovados nesta certificação significam que o seu desempenho e qualidade atingiram o nível avançado internacional. Além disso, cada país tem o seu próprio sistema de certificação, como a Certificação Golden Sun da China e a Certificação SRCC dos Estados Unidos, entre outros.

Vii. Análise de Benefícios Económicos

Análise de composição de custos

Os custos de produção de revestimentos de absorção altamente seletivos incluem principalmente custos de material, depreciação de equipamentos, consumo de energia e custos de mão-de-obra, etc. Entre eles, o investimento em equipamentos de pulverização catódica magnetron representa mais de 40% do custo total, o consumo de materiais alvo representa cerca de 30% e o consumo de energia representa 15%.

Análise de retorno de investimento

Embora o investimento inicial seja 50-80% superior ao dos revestimentos comuns, devido à sua maior eficiência e maior vida útil, o período de retorno é reduzido em 2 a 4 anos. Ao longo de todo o seu ciclo de vida, pode gerar mais de 35% de energia térmica e aumentar os benefícios económicos abrangentes em mais de 60%.

Avaliação do valor de mercado

O tamanho do mercado global de revestimentos de absorção solar altamente seletivos deverá atingir os 5 mil milhões de dólares americanos até 2025, com uma taxa de crescimento anual superior a 15%. A redução de custos e a melhoria de desempenho proporcionadas pelo progresso tecnológico estão a impulsionar o rápido desenvolvimento deste mercado.

Viii. Conclusões e Perspectivas

Como material central da tecnologia de utilização da energia solar térmica, os revestimentos de absorção solar altamente seletivos estão a impulsionar toda a indústria para uma elevada eficiência e eficácia a longo prazo. O seu excelente desempenho e benefícios económicos significativos fazem deles a tecnologia preferida para a modernização e substituição de coletores solares. 

No futuro, com o surgimento contínuo de novos materiais e novos processos, o desempenho dos revestimentos de absorção altamente seletivos será ainda mais melhorado e os seus custos, ainda mais reduzidos. Especialmente em aplicações de média e alta temperatura, este revestimento desempenhará um papel cada vez mais importante. Ao mesmo tempo, com o desenvolvimento da manufatura inteligente e da nanotecnologia, o processo de preparação de revestimentos tornar-se-á mais preciso e amigo do ambiente. 

Sugerimos que as empresas e instituições de investigação relevantes aumentem o investimento em investigação e desenvolvimento, promovam a inovação tecnológica, reduzam custos e melhorem o desempenho. Os organismos governamentais competentes devem melhorar o sistema de normas, reforçar a supervisão da qualidade e promover o desenvolvimento saudável da indústria. Ao escolher produtos solares, os utilizadores finais devem estar atentos aos parâmetros de desempenho e à certificação da qualidade do revestimento para garantir o melhor retorno do investimento. 

O desenvolvimento de tecnologia de revestimento de absorção solar altamente seletiva fará contribuições significativas para a transição energética global e metas de redução de carbono, além de levar a indústria de utilização de energia solar térmica a um novo estágio de desenvolvimento.