Película de absorção solar: a "tecnologia Soul Black" do coletor de placa plana

No componente central do coletor solar de painel plano, a placa de absorção de calor desempenha, sem dúvida, um papel crucial. É precisamente o Revestimento Seletivo de Absorção, aparentemente simples, mas de alta tecnologia, na superfície da placa de absorção de calor, que lhe confere a capacidade de converter energia de forma eficiente. Este revestimento especial pode ser considerado a "alma" do coletor de placa plana, determinando diretamente a eficiência da recolha de calor, a temperatura de funcionamento e a vida útil de todo o sistema. Este artigo irá aprofundar os princípios técnicos, a história da evolução, os indicadores de desempenho deste "fato preto" e o seu impacto fundamental na eficiência global do coletor.

I. Função principal: Porque é necessária a absorção "selectiva"?

A energia da radiação solar é composta principalmente por luz visível e luz infravermelha próxima, e a sua distribuição de energia é aproximadamente equivalente à da radiação de corpo negro a 5800 K. Quando a placa de absorção de calor do coletor está em funcionamento (geralmente abaixo dos 150 °C), também gera radiação infravermelha devido ao calor, resultando na perda de calor. 

1. Uma camada de filme absorvente ideal deve atingir dois objetivos aparentemente contraditórios: 

Maximizar a absorção de energia do espectro solar (comprimentos de onda de 0,3-2,5 μm). 

Minimize a energia da radiação infravermelha (comprimento de onda >2,5 μm) gerada pela própria placa de absorção de calor. 

2.º Esta característica de "apenas para dentro, sem saída" é a essência da Absorção Selectiva. O seu desempenho é definido por dois parâmetros principais: 

Taxa de absorção de energia solar (α): Capacidade de uma camada de película absorver a energia da radiação solar. Quanto mais próximo o valor ideal estiver de 1 (100%), melhor. 

Emissividade térmica (ε): Capacidade de uma camada de película irradiar calor para o exterior à temperatura de trabalho. Quanto mais próximo de 0 (zero) estiver o valor ideal, melhor. 

Assim sendo, o verdadeiro indicador central para avaliar a qualidade de uma camada de filme é a sua taxa de desempenho de conversão fototérmica (α/ε). Quanto maior for esta taxa, melhor será a sua seletividade e maior será o benefício líquido do coletor.

Ii. Evolução Tecnológica: Da Tinta Preta Comum aos Revestimentos de Alta Tecnologia

O desenvolvimento da camada de película de absorção passou por três gerações de inovações tecnológicas: 

1. A primeira geração: Revestimento não seletivo 

Material: Tinta preta comum (como tinta asfáltica, tinta para quadro negro). 

Características: Embora a taxa de absorção seja relativamente elevada (α ~0,90-0,95), a emissividade é igualmente extremamente elevada (ε ~0,85-0,90) e a relação α/ε é próxima de 1. É como uma pedra negra, capaz de absorver calor, mas também de o dissipar facilmente. É ineficiente e foi amplamente descontinuado. 

2. A segunda geração: Revestimento seletivo intrínseco 

Materiais: Alguns materiais são inerentemente seletivos, como o crómio negro, níquel negro, óxido de cobre (CuO), óxido de ferro (Fe3O4), etc. 

Características: Estes materiais apresentam diferentes propriedades óticas para luz de diferentes comprimentos de onda a nível microestrutural. Por exemplo, o revestimento tradicional de cromo negro galvanizado é conhecido pela sua excelente estabilidade (resistência a altas temperaturas e à humidade), com uma taxa de absorção α de 0,93-0,97, uma emissividade ε de 0,08-0,12 e um aumento significativo da relação α/ε para mais de 10. 

Terceira geração: Revestimento seletivo por gradiente (revestimento do tipo interferência ótica) 

Tecnologia: É adotada a tecnologia de revestimento a vácuo Magnetron Sputtering (pulverização catódica magnetron). 

Estrutura: Ao depositar sucessivamente múltiplas camadas de filmes à escala nano com diferentes índices de refração (como nitreto de alumínio, nitreto de zircónio e compostos de aço inoxidável e nitreto de alumínio) sobre um substrato metálico (como cobre ou alumínio), forma-se uma estrutura de "gradiente" com um índice de refração que muda gradualmente da superfície para o substrato. 

Princípio de funcionamento: Utilizando o princípio da interferência óptica. A espessura e o material de cada camada do filme foram concebidos com precisão para provocar múltiplas reflexões e interferências da luz solar dentro da camada do filme, sendo, em última análise, quase completamente absorvida (o "efeito armadilha"). Além disso, esta estrutura multicamada possui uma elevada refletividade à radiação infravermelha de onda longa, suprimindo assim a emissão térmica. 

Característica: Esta é a tecnologia de ponta mais popular atualmente. Apresenta um desempenho extremamente excelente, com uma taxa de absorção α > 0,95 e uma emissividade ε tão baixa como 0,04-0,06 (a 80°C), e uma relação α/ε tão elevada como acima de 15. O aspeto é geralmente azul-escuro uniforme ou preto-escuro.

Iii. Indicadores de Desempenho Essenciais e Padrões de Teste

Para avaliar a qualidade de uma camada de filme absorvente, os seguintes desempenhos principais precisam de ser considerados: 

Desempenho óptico: α > 0,95, ε < 0,05 são as características dos produtos de ponta. 

Resistência às intempéries (durabilidade) 

Resistência à humidade e ao calor: Após centenas de horas de testes em ambientes com temperatura e humidade elevadas (como 85°C e 85% de humidade relativa), a degradação do desempenho deverá ser mínima. Esta é a chave para avaliar a vida útil do revestimento. 

Resistência ao calor: Pode operar de forma estável durante muito tempo sob condições de trabalho de 150-200 ℃ sem descascar, descamar ou oxidar. 

Resistência à névoa salina: Para as zonas costeiras, a capacidade de resistir à corrosão salina é de vital importância. 

Adesão: O revestimento deve estar firmemente aderido ao substrato metálico. Testes como ensaios transversais garantem que não cairá. 

Resistência à exposição solar: Em condições extremas de exposição solar, o desempenho do revestimento mantém-se estável, sem envelhecimento ou falhas.

Iv. Tecnologias de revestimento convencionais

Tipo de revestimento: revestimento de alumínio-azoto com gradiente de pulverização catódica (película azul/película preta

Desempenho ótico: Excelente (α>0,95, ε<0,05)

Resistência à intempérie: Excelente (resistente ao calor húmido e a altas temperaturas)

Respeito pelo ambiente: Ecologicamente correto, livre de metais pesados

Custo: Relativamente elevado (grande investimento em equipamento)

Aparência: Uniforme azul-escuro ou preto-escuro

Tendências de mercado: tendências atuais e futuras

V. Como escolher camadas de filme de alta qualidade para o seu colecionador?

Informe-se sobre o tipo de tecnologia: Dê prioridade ao revestimento gradiente de alumínio-azoto utilizando a tecnologia de pulverização catódica magnetron. 

Solicitar parâmetros de desempenho: peça ao fornecedor que forneça um relatório emitido por uma instituição de testes autorizada, com foco nos resultados dos testes de taxa de absorção (α), emissividade (ε) e resistência à humidade e ao calor. 

Observe o aspeto: um revestimento de alta qualidade tem uma cor uniforme, é denso, sem riscos e falhas. Pode ser tocado suavemente com as mãos. Não deve haver resíduos de pó. 

Escolha uma marca de confiança: os materiais de revestimento de marcas conhecidas têm uma qualidade mais estável e uma vida útil garantida.

Vi. Conclusão

Embora a película de absorção seletiva solar seja fina, é um dos componentes principais com maior conteúdo tecnológico e maior valor acrescentado na tecnologia de coletores solares de painel plano. Desde a tinta preta comum até ao revestimento de alta tecnologia por pulverização catódica a vácuo, cada uma das suas evoluções aumentou significativamente a eficiência e a economia da utilização da energia solar térmica. 

Hoje em dia, o revestimento gradiente de alto desempenho tornou-se o padrão para coletores planos de alta qualidade, o que determina não só a capacidade de saída do coletor em condições climáticas favoráveis, mas também o seu desempenho de recolha de calor em dias chuvosos, em ambientes de baixa temperatura no inverno e na fiabilidade de todo o sistema a longo prazo. Ao escolher um coletor plano, compreender profundamente esta camada de película preta "interna" é, sem dúvida, um passo crucial para tomar uma decisão acertada. Investir num coletor com um "coração" forte é investir nos benefícios da eficiência energética para as próximas décadas.