Селективное покрытие солнечного коллектора – многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора и способ его изготовления — патент РФ 2407958

Селективные пленки | | Mensh.ru

В последнее время поверхности тепловоспринимающих панелей большинства солнечных коллекторов стали покрывать селективно-поглощающими пленками с целью улучшить поглощение солнечных лучей и снизить теплопотери в результате излучения. Благодаря этому достигается значительное повышение коэффициента полезного действия солнечного коллектора. Раньше обработка поверхности тепловоспринимающих пластин солнечных коллекторов состояла в окрашивании их в черный цвет, причем особенно удачным считалось покрытие предварительно полированных металлических плит слоем газовой сажи, вследствие чего коэффициент поглощения солнечного излучения возрастал до значений более 0,96.

Как известно, всякое физическое тело, имеющее собственную температуру, излучает тепло в окружающую среду, причем количество излучаемого тепла пропорционально коэффициенту излучения поверхности тела. Абсолютно черное тело имеет коэффициент излучения 1, а у черной краски коэффициент излучения близок к 1. По мере нагревания солнечной панели увеличивается количество тепла, теряемого панелью за счет теплового излучения с ее поверхности в окружающее пространство, и снижается коэффициент усвоения тепла.

Однако, если отполировать поверхность медной или алюминиевой пластины, то при той же температуре теряется лишь 1/10 часть энергии, испускаемой черным теплом, и коэффициент излучения становится равным весьма малой величине — около 0,1. Следовательно, если создать такую поверхность, которая обладала бы, подобно черному телу, коэффициентом поглощения 1 только в спектральной области солнечного излучения (0,3…3 мкм), а само излучало бы немного, подобно отполированной металлической пластине, имеющей малый коэффициент излучения в длинноволновой области спектра с максимумом излучения при длине волны 10 мкм, то мы получили бы идеальную тепловоспринимающую поверхность, которая обладала бы нужными селективно-поглощающими свойствами. Несколько десятков лет тому назад проф. Табор в Израиле впервые создал подобную селективно-поглощающую пленку.

Для получения таких свойств на металлическую полированную поверхность с низким коэффициентом излучения наносится тонкий слой оксида меди, черного хрома или оксидов других металлов, либо покрытие из полупроводников. Коротковолновое солнечное излучение активно поглощается черной пленкой и на поверхности металлической плиты преобразуется в тепловую энергию, с другой стороны, вследствие наличия под тонкой пленкой поверхности с малым коэффициентом излучения длинноволновое излучение практически не испускается тепловоспринимающей пластиной и лишь незначительная его часть отражается от полированной поверхности.

Следует отметить, что в структуре селективной пленки обязательно должна присутствовать металлическая полированная подложка, т.к. одной лишь пленкой желаемый тепловой эффект не может быть достигнут.

В настоящее время при изготовлении селективно-поглощающих пленок для медных пластин используют черный хром и оксид меди, для алюминиевых пластин — оксид алюминия. Многие из этих материалов имеют коэффициент излучения 0,1…0,15. Кроме того, в последнее время используются

красители с селективно-поглощающими свойствами, позволяющие получить коэффициент излучения около 0,3.

Солнечный коллектор — Википедия

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.^[1]

Плоские[править | править код]

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней закрываются силиконовым герметиком.

При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C

[источник не указан 943 дня].

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Вакуумные[править | править код]

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора[править | править код]

Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.^[1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов[править | править код]

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселективные
Преимущества	Преимущества
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до −30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Недостатки	Недостатки
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
	Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы[править | править код]

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы[править | править код]

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.

В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-30 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды^[2]

В России[править | править код]

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в несколько раз.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом больше. Однако такая конструкция выше по стоимости.^[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.^[3]

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы[править | править код]

Параболоцилиндрические концентраторы.

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту^[4].

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C^[5].

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга^[6].

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %^[7].

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт^[8]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.^[9]

• А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
• Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
• Солнечный душ // Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 № 1, стр 131
• Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990

Солнечные коллекторы — Энергоэффективный дом

Описанная ниже конструкция — термосифонный солнечный коллектор, основан на медной трубе и алюминиевом оребрении. Медное оребрение имеет немного более эффективную теплоотдачу, но стоимость медных листов увеличивает цену коллектора в 3-4 раза. Пайка…

Читать далее →

Подробно рассмотрим самодельный солнечный коллектор из PEX трубы для нагрева воды, из сшитого полиэтилена или металлополимера (PEX или PEX-AL-PEX). Конструкция коллектора на PEX трубе очень похожа на солнечный водонагреватель с медными трубами,…

Читать далее →

В предыдущей статье подробно рассматривалось создание бака для солнечного коллектора на PEX трубах. Следующим этапом идут сантехнические работы: подвод труб, теплообменник солнечного коллектора, запуск системы. Теплообменник солнечного водонагревателя Теплообменником в этом прототипе…

Читать далее →

От того, какой бак для солнечного коллектора вы предпочтете, будет зависеть тепловая инерция системы, объем запаса горячей воды в холодные периоды и производительность системы в целом. Речь идет о резервуаре, предусмотренном прототипом…

Читать далее →

Обещал опубликовать испытание производительности двух прототипов: самодельный солнечный коллектор на основе медных труб с алюминиевым абсорбером и коллектор на PEX трубах с алюминиевым оребрением. Тест солнечных коллекторов позволяет определить, на сколько медь эффективнее…

Читать далее →

Термосифонная система нагрева воды успешно используется в солнечных коллекторах. Более того, солнечный коллектор на принципе термосифона — самый простой и надежный для изготовления своими руками. При небольшом водоразборе это очень хорошее решение….

Читать далее →

Самодельный солнечный коллектор это едва-ли не самая интересная тема в контексте энергоэффективного дома. Для изготовления солнечного коллектора не требуется высокотехнологичного производства и если разобраться в теории и не бояться практики — можно…

Читать далее →

многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора и способ его изготовления — патент РФ 2407958

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для теплоснабжения и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок. Многослойное селективное поглощающее покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность теплоприемной панели солнечного коллектора, преобразующего излучение Солнца в тепло. Покрытие состоит из первого слоя титана толщиной d₁=₀/4n₁, второго слоя в виде окислов, карбидов или нитридов титана TiC_xO_y или TiN_x, толщиной d₂=₀/2n₂, третьего слоя в виде силицида титана TiSi толщиной d₃=₀/4n₃, причем показатель преломления третьего слоя n₃=(n₂×n₀ )^1/2, где ₀ — длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, n₀ — показатель преломления воздуха, n₁ — показатель преломления первого слоя титана, n₂ — показатель преломления второго слоя из TiC_xO_y или TiN_x. Покрытие изготавливается способом напыления в высоком вакууме слоя титана, после чего в атмосфере СО₂ или N₂ при давлении (2,5-8)×10 ^-2 Па производят реактивное распыление титана со скоростью, не превышающей 30Р₂, где Р₂ парциальное давление СО₂ или N₂, Па. В заключение, на обрабатываемую поверхность производят реактивное напыление силицида титана TiSi путем реактивного распыления титана в атмосфере паров моносилана при давлении (3-5)×10^-1 Па. Покрытие обладает повышенной по сравнению с известными покрытиями эффективностью. Способ нанесения покрытия экологически безопасен и обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2407958

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для теплоснабжения и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок.

Известны селективные поглощающие покрытия для солнечных коллекторов типа «черный никель», «черный хром», состоящие из тонких слоев NiO_x или CrO_x соответственно, получаемых в результате гальванических процессов в электролитических ваннах (Solar Energy Matirials, v.8, 1983, p.349).

Недостатком известных покрытий является относительно высокое значение коэффициента излучения — , что приводит к увеличению потерь тепла за счет собственного излучения коллектора. Другим недостатком покрытий типа «черный хром», «черный никель» является необходимость использовать для их получения специальные электролиты, что обуславливает экологическую опасность процесса получения.

Известно многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора, состоящее из трех слоев последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC _xO_y или TiN_x толщиной d₂ =₀/2n₂, получаемых при реактивном распылении в вакууме титана в атмосфере СО₂ или N ₂ соответственно, а третий слой выполнен из углеродсодержащего материала и имеет толщину d₃=₀/4n₃ и показатель преломления n ₃=(n₂×n₀)^1/2, где n₀ — показатель преломления воздуха, n₁ — показатель преломления первого слоя покрытия, n₂ — показатель преломления второго слоя покрытия, а ₀ — длина волны максимума спектра излучения Солнца (патент РФ № 2133928). При этом х, у — стехиометрические коэффициенты вещества второго слоя. Значения коэффициентов 1 х,у 4.

Недостатком известного покрытия является неопределенность состава третьего слоя покрытия, что не позволяет в процессе нанесения покрытия получать воспроизводимые оптимальные характеристики солнечного селективного поглощающего покрытия, что в свою очередь снижает эффективность работы солнечного коллектора.

Известен способ изготовления многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СО₂ или N₂ слоя металлоида этого металла при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10 ^-2 Па, после чего в газовом разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па осаждают твердый аморфный углеродсодержащий материал (патент РФ № 2133928).

Недостатком известного способа является то, что оптические свойства второго слоя покрытия при определенном парциальном давлении газа зависят от скорости реактивного напыления этого слоя и для обеспечения получения покрытия с оптимальными оптическими свойствами должны быть установлены ограничения на величину скорости напыления второго слоя v₂ в зависимости от парциального давления реакционного газа Р₂.

Другим недостатком известного способа изготовления многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора является то, что по известному способу не обеспечивается для третьего внешнего слоя покрытия выполнение условия n₃ =(n₃×n₀)^1/2, вследствие чего невозможно достичь максимального значения коэффициента поглощения покрытия в солнечном спектре. Действительно показатель преломления второго слоя по данным измерений составляет n₂=2,03, откуда n₃=1,43. Для известных материалов, которые могут быть нанесены в виде тонких слоев, такой показатель преломления имеет силицид титана TiSi.

Целью изобретения является повышение эффективности работы солнечного коллектора путем обеспечения воспроизводимости оптимальных характеристик селективного поглощающего покрытия за счет уточнения состава материала третьего слоя покрытия, обеспечение выполнения условия n₂=(n₂×n ₀)^1/2 для третьего слоя покрытия, обеспечение получения при изготовлении покрытия максимального значения коэффициента поглощения в солнечном спектре А_с, а также обеспечение изготовления покрытия с оптимальными оптическими свойствами путем выбора оптимальной скорости реактивного напыления второго слоя покрытия.

Указанная цель достигается тем, что многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора состоит из трех слоев, последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC _xO_y или TiN_x толщиной d₂ =₀/2n₂, а третий слой имеет толщину d₃=₀/4n₃ и показатель преломления n ₃=(n₂×n₀)^1/2, где n₀ — показатель преломления воздуха, n₁ — показатель преломления Ti, n₃ — показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно, а ₀ — длина волны максимума спектра излучения Солнца. При этом в качестве материала третьего слоя покрытия выбран силицид титана TiSi толщиной от 0,10 до 0,20 мкм. При толщине пленки меньше 0,10 мкм область минимального отражения сдвигается в ультрафиолетовую область, а при толщине пленки больше 0,20 мкм область минимального отражения сдвигается в инфракрасную область, при этом в обоих случаях уменьшается эффективность покрытия.

Указанная цель достигается также тем, что в способе изготовления многослойного селективного поглощающего покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме первого слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СО₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10^-2 Па второго слоя в виде металлоида Ti и последующего осаждения третьего слоя, согласно изобретению, производят реактивное напыление второго слоя в виде металлоидов Ti со скоростью v₂ 30P₂, где v₂ — скорость реактивного напыления, мкм/час, а Р₂ — парциальное давление газа СO₂ или N₂, Па, после чего производят реактивное напыление третьего слоя в виде слоя силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере моносилана (SiH₄), при давлении паров моносилана в интервале (3-5)×10^-1 Па.

На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемого покрытия, а также ход лучей в покрытии, определяющий отражение покрытием некоторой части падающего на него излучения Солнца.

Предлагаемое покрытие состоит из металлического подслоя 1, являющегося частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, слоя 2 Ti толщиной d₁ и с показателем преломления n₁, слоя 3 TiC_xO_y или TiN _x толщиной d₂ и с показателем преломления n ₂ и слоя 4 TiSi толщиной d₃=0,10-0,20 мкм и с показателем преломления n₃.

Пример 1

Многослойное селективное поглощающее покрытие наносилось на внутреннюю поверхность цилиндра из алюминиевого листа диаметром 1,4 м и длиной 2,0 м. Коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с поверхности листа до напыления составлял 0,21, коэффициент излучения листа =0,03. Цилиндр устанавливался в цилиндрической вакуумной камере диаметром 1,6 м и длиной 2,5 м. Распыляемый катод из Ti устанавливался в вакуумной камере вдоль ее оси. Вакуумная камера откачивалась до давления 1,3×10^-2 Па, после чего на поверхность алюминиевого цилиндра напылялся слой Ti. Затем в вакуумную камеру подавался реакционный газ СО₂ или N₂ и устанавливалось динамическое равновесие между натеканием реакционного газа и его откачкой на уровне 4×10 ^-2 Па. Производилось напыление при двух различных скоростях v₂. При скорости v₂ 30Р₂ наблюдалось увеличение коэффициента излучения покрытия , что уменьшает эффективность работы солнечного коллектора. При скорости v₂ 30Р₂ оптические характеристики покрытия имели следующие значения: коэффициент поглощения в солнечном спектре А_с=0,88-0,89, коэффициент излучения =0,03-0,035, что обеспечивает максимально высокую эффективность работы солнечного коллектора.

После нанесения в вакууме второго слоя покрытия наносится третий внешний слой покрытия в виде пленки силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере паров моносилана — SiH₄ при давлении паров моносилана в пределах (3-5)×10^-1 Па. При давлении паров моносилана в вакуумной камере меньше чем 3×10 ^-1 Па образуется покрытие с коэффициентом поглощения А _c 0,93, что недостаточно для эффективной работы солнечного коллектора. При давлении паров моносилана больше чем 5×10 ^-1 Па происходит отравление катода и процесс реактивного распыления титана прекращается.

Пример 2

На цилиндре с нанесенными двумя первыми слоями покрытия после нанесения третьего слоя покрытия в виде TiSi при давлении паров моносилана в пределах от 3×10^-1 Па до 5×10 ^-1 Па коэффициент поглощения в солнечном спектре А _с увеличился от значения 0,88 до значения 0,95, при этом коэффициент излучения не изменился. При давлении паров моносилана больше чем 5×10^-1 Па начинается окисление поверхности катода и уменьшение скорости напыления TiSi. При давлении паров моносилана меньше чем 3×10^-1 Па не удается достичь требуемого значения коэффициента преломления осажденного слоя n₃=1,4-1,43, что не позволяет обеспечить требуемых коэффициентов поглощения селективного поглощающего покрытия.

Многослойное селективное покрытие для солнечных коллекторов, изготовляемое по предлагаемому способу, обладает коэффициентом поглощения в солнечном спектре А_с 0,95 и коэффициентом собственного излучения 0,04.

Применение предлагаемого покрытия и способа его изготовления позволяет создавать коллекторы солнечного излучения с повышенной эффективностью, что в свою очередь позволяет увеличить максимальную выходную температуру теплоносителя, т.е повысить КПД дальнейшего преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. Нанесение покрытия осуществляется за один прием в вакуумной камере сразу на всю поверхность элементов коллектора, при этом не используются и не выделяются токсические или загрязняющие вещества.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора, состоящее из трех слоев, последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность, причем первый слой выполнен из Ti толщиной d₁=₀/4n₁, второй слой выполнен из TiC _xO_y или TiN_x толщиной d₂ =₀/2n₂, а третий слой имеет толщину d₃=₀/4n₃ и показатель преломления n ₃=(n₂·n₀)^1/2, где n₀ — показатель преломления воздуха, n₁ — показатель преломления Ti, n₃ — показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно, а ₀ — длина волны максимума спектра излучения Солнца, отличающееся тем, что третий слой выполнен из силицида титана TiSi толщиной от 0,10 до 0,20 мкм.

2. Способ изготовления многослойного селективного поглощающего покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме первого слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)·10^-2 Па второго слоя в виде металлоида Ti и последующего осаждения третьего слоя, отличающийся тем, что производят реактивное напыление второго слоя в виде металлоидов Ti со скоростью v₂ 30Р₂, где v₂ — скорость реактивного напыления, мкм/ч, а Р₂ — парциальное давление газа СО₂ или N₂, Па, после чего производят реактивное напыление третьего слоя в виде слоя силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере моносилана (SiH₄), при давлении паров моносилана в интервале (3-5)·10^-1 Па.

Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора и способ его получения

 

Многослойное селективное покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность солнечного коллектора, преобразующего электромагнитное излучение Солнца в тепло. Покрытие состоит из слоя титана толщиной слоя нестехиометрических окислов карбидов или нитридов титана TiC_xO_y или TiN_x толщиной и слоя углеродсодержащего материала толщиной осаждаемого из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений, причем показатель преломления последнего слоя где _o — длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, n₁ показатель преломления предпоследнего слоя, n’₁— показатель преломления титана. Покрытие изготавливается способом напыления в высоком вакууме слоя титана, после чего в парах СО₂ или N₂ при давлении 2,5 — 8 10^-2 Па производят реактивное распыление титана, и в заключение на обрабатываемую поверхность осаждают из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений при давлении паров от 10 до 20 Па твердый аморфный углеродсодержащий материал. Покрытие обладает повышенной по сравнению с известными покрытиями эффективностью. Способ нанесения покрытия экологически безопасен и обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для тепло- и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок.

Известны селективные поглощающие покрытия для солнечных коллекторов типа «черный никель», «черный хром», состоящие из тонких нестехиометрических слоев NiO_x или CrO_x соответственно и получаемых путем осаждения тонких пленок NiO_x или CrO_x в электролитических ваннах (Solar Energy Matereals B, 1983, с. 349) Недостатком известных покрытий является относительно высокое значение коэффициента излучательной способности E, для покрытий этого типа E 0,08 при толщине, обеспечивающей значение коэффициента поглощения в солнечном спектре A_c 0,94. Другим недостатком покрытий типа «черный никель», «черный хром» является необходимость использования для их получения специального электролитического оборудования, экологическая опасность самого процесса нанесения. Известно многослойное селективное покрытие, состоящее из твердого углеродсодержащего материала, осажденного из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений на металлическую или металлизированную поверхность, при это покрытие состоит из двух слоев, отличающихся толщиной и показателем преломления. Первый слой имеет толщину и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не более 0,2, а второй слой имеет толщину и обладает показателем преломления где: n₀ — показатель преломления внешней среды, n₁ — показатель преломления первого слоя, _o — длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения (патент РФ 2044964, МКИ: F 24 J 2/48). Недостатком известного покрытия является относительно высокий коэффициент излучения покрытия E=0,07 — 0,08, что увеличивает тепловые потери коллектора за счет излучения, что обусловлено недостаточно высоким пропусканием первого слоя в инфракрасной области спектра при толщине Цель изобретения — увеличение эффективности преобразования коллектором солнечной электромагнитной энергии в тепловую путем уменьшения коэффициента излучения покрытия — E. Указанная цель достигается тем, что в состав покрытия введен дополнительный слой титана толщиной , расположенный между поверхностью коллектора и первым слоем, причем первый слой выполнен из нестехиометрической смеси карбидов и окислов титана TiC_xO_y или нестехиометрической смеси нитридов титана TiNx толщиной где: n’₁ — показатель преломления титана, n₁ — показатель преломления TiC_xO_y или TiN_x соответственно. Известен способ напыления в вакууме селективных поглощающих покрытий путем реактивного распыления в вакууме металлов и осаждения на медную подложку слоя металла толщиной около 0,05 мкм и последующего осаждения слоя нестехиометрического карбида этого же металла толщиной 0,06 мкм, получаемого при реактивном распылении материала катода в атмосфере метана при парциальном давлении паров метана в вакуумной камере 0,35 — 0,7 Па (Jaurnal of Vacuum Science and Technology, 13, N 5, c. 1071). Селективное покрытие, получаемое известным способом имеет достаточно низкий коэффициент излучения в инфракрасной области E 0,035, однако имеет недостаточно высокий коэффициент поглощения в солнечном спектре A_c 0,8 — 0,9, кроме того при реактивном распылении металлов в атмосфере метана при парциальном давлении метана 0,35 — 0,7 Па в объеме вакуумной камеры образуется большое количество порошкообразных частиц углерода, что затрудняет возможность использования известного способа при массовом производстве селективного покрытия на больших площадях (более 4,0 м² за одну установку в вакуумной камере). Цель изобретения — способ получения селективного поглощающего покрытия с коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c 0,94, коэффициентом излучения E 0,035, обеспечивающий отсутствие возникновения порошкообразных частиц углерода в вакуумной камере в процессе нанесения покрытия. Цель достигается тем, что материалом распыляемого катода выбирается титан, реактивное распыление производится в атмосфере CO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах 2,5 — 8 10^-2 Па, после чего в тлеющем разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па наносится слой аморфного углеродосодержащего материала. На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемого покрытия, а также ход лучей в покрытии, определяющий отражение покрытием некоторой части падающего на него электромагнитного излучения Солнца. Предлагаемое покрытие состоит из металлического подслоя — 1, являющего частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, слой-2 толщиной из титана, слоя — 3, состоящего из TiC_xO_y или TiN_x толщиной и слоя — 4, состоящего из аморфного углеродсодержащего вещества, осажденного из тлеющего разряда в парах органических или элементоорганических соединений толщиной где показатель преломления n_o — показатель преломления внешней среды, n₁ — показатель преломления слоя 3, n₁^‘ — показатель преломления Ti, _o — длина волны максимума спектра излучения Солнца. Пример. Селективное поглощающее покрытие наносилось на внутреннюю поверхность цилиндра из алюминиевой фольги диаметром 1,3 м и длиной 1,6 м, коэффициент поглощения поверхности фольги A_c = 0,18, коэффициент излучения фольги E = 0,03. Фольга устанавливалась в вакуумной камере диаметром 1,6 м длиной 2,0 м. Распыляемый катод из титана устанавливался в вакуумной камере вдоль ее оси. Вакуумная камера откачивалась до давления 1,3 10^-2 Па, после чего напылялся слой титана до появления первого минимума отражения в солнечном спектре, что соответствует толщине напыляемого слоя 0,04 — 0,05 мкм. При меньшей толщине слоя титана недостаточна его оптическая плотность в солнечном спектре, а при большей толщине начинается увеличение коэффициента излучения E относительно его исходного значения. Затем в вакуумную камеру подается реакционный газ CO₂ или N₂ и устанавливается динамическое равновесие между натеканием рабочего газа и его откачкой на уровне 2,5 — 8 10^-2 Па. При давлении больше 8 10^-2 Па происходит отравление катода и прекращается процесс реактивного распыления, при давлении менее 2,5 10^-2 Па в осаждаемом веществе содержится избыток титана, что в свою очередь, приводит к увеличению излучательной способности покрытия. Реактивное напыление TiC_xO_y или TiN_x производится до достижения второго минимума отражения в солнечном спектре, что соответствует толщине слоя 0,06 — 0,08 мкм. При меньшей толщине TiC_xO_y или TiN_x недостаточна его оптическая плотность для обеспечения максимально высокого значения A_c, при большей толщине слоя TiC_xO_y или TiN_x увеличивается коэффициент отражения за счет интерференции и соответственно снижается значение коэффициента поглощения в солнечном спектре A_c, а также увеличивается значение коэффициента E относительно исходного значения. После проведения реактивного напыления на поверхность алюминиевой фольги образуется селективное поглощающее покрытие с коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c = 0,84 — 0,87 и коэффициентом излучения E = 0,03 — 0,04. Для увеличения коэффициента A_c после реактивного напыления на поверхность осаждается твердый углеродсодержащий слой толщиной 0,04 — 0,05 мкм с показателем преломления n₂ = 1,4 — 1,5, осаждение слоев проводится в тлеющем разряде в парах бензола при давлении 10 — 20 Па, плотности тока разряда 0,2 — 0,3 А/м², напряжении горения разряда 400 — 450 B, переменного тока частотой 50 Гц. При меньшей толщине слоя не достигается эффект просветления, при большей толщине слоя увеличивается коэффициент излучения относительно исходного. Селективное поглощающее покрытие, получаемое описанным способом обладает коэффициентом поглощения в солнечном спектре A_c 0,94, коэффициентом излучения E 0,035, а отношение A_c/E = 26,8, что в 2 раза превышает отношение A_c/E = 13,5 для известного покрытия. Применение предлагаемого покрытия и способа его получения позволяет создавать коллекторы солнечного излучения с повышенной эффективностью, что в свою очередь позволяет увеличить выходную температуру теплоносителя, т.е. повысить КПД дальнейшего преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. Нанесение покрытия осуществляется за один прием в вакуумной камере сразу на всю поверхность коллекторов, при этом не используются и не выделяются токсические или загрязняющие вещества.

Формула изобретения

1. Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора, состоящее из двух последовательно осажденных в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность диэлектрических слоев углеродсодержащего материала, причем первый слой имеет толщину и обладает интегральным коэффициентом пропускания в солнечном спектре не более 0,2, а второй слой имеет толщину и показатель преломления где n₀ — показатель преломления внешней среды, n₁ — показатель преломления материала первого слоя, _o — длина волны максимума спектра излучения Солнца, отличающееся тем, что между поверхностью коллектора и первым слоем введен слой Ti толщиной а первый слой выполнен из TiC_xO_y или TiN_x, получаемых при реактивном распылении в вакууме титана в атмосфере CO₂ или N₂ соответственно, где n₁‘ — показатель преломления Ti, n₁ — показатель преломления слоя TiC_xO_y или TiN_x соответственно. 2. Способ получения многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме слоя металла и последующего реактивного напыления в вакууме слоя нестехиометрического металлоида этого металла, получаемого путем реактивного распыления, отличающийся тем, что в качестве распыляемого металла применяется Ti, реактивное напыление ведут в атмосфере CO₂ или N₂ при парциальном давлении каждого газа в пределах 2,5 — 8 10^-2 Па, после чего в тлеющем разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па осаждают твердый аморфный углеродсодержащий материал.

РИСУНКИ

Рисунок 1