Черные светопоглощающие покрытия для снижения рассеянного светового фона и их применение в солнечных коллекторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Черные светопоглощающие покрытия для снижения рассеянного светового фона и их применение в солнечных коллекторах

зав. лаб. A.M. Скрынников

инженер В.A. Каширин

инженер К.А. Молдосанов

канд. техн. наук В.П. Анисимов

канд. физ.-мат. наук И.А. Анисимова

инженер Г.А. Кобцов

Annotation

This report deals with comparison of the total hemispherical reflectances (THR), emissivities, and solar radiation absorption factors of coatings designed to reduce a stray light background and provide the thermal control both in space-based instruments and in land-based equipment. The RHR measurements results are presented that have been carried out at 10 values of wavelengths within a visible, near-ultraviolet, and near-infrared ranges (400 to 927 nm).

Проблема снижения рассеянного светового фона в оптических приборах и разработки эффективных светопоглощающих покрытий для преобразователей солнечной радиации в теплоту имеют много общего. Цель настоящего исследования - изучение использования черных светопоглощающих покрытий, снижающих фон рассеянного света видимого диапазона длин волн и разработанных для оптических приборов, в тепловых преобразователях солнечной энергии. В измерительных оптических приборах рассеянный свет увеличивает шумы детекторов и снижает чувствительность аппаратуры. Для снижения вредного влияния фона применяются черные покрытия и отражательную способность стараются понизить, не предъявляя строгих требований к коэффициенту поглощения солнечного света a_s и излучательной способности e, ибо не ставится задача ее снижения именно за счет эффективного преобразования света в теплоту. При создании черных светопоглощающих покрытий для гелиоустановок величины a_s и e играют важнейшую роль - именно от их значений зависит эффективность преобразования солнечной радиации в теплоту. Однако некоторые подходы, используемые при разработке покрытий для оптических приборов, могут оказаться применимыми и при создании абсорберов для гелиоустановок.

Известны светопоглощающие покрытия для оптических и космических приборов [1], где величины a_s и e измерялись лишь в связи с необходимостью знания их значений для расчетов тепловых режимов приборов.

При использовании альтернативных источников энергии как в Кыргызстане, так и в большинстве стран СНГ было решено использовать светопоглощающие покрытия для тепловых преобразователей солнечной энергии. Возобновляемые источники энергии являются существенным дополнением к традиционным. Солнечная радиация, преобразованная в тепловую энергию, может стать одним из наиболее перспективных источников энергии. Особенно актуально это в Кыргызстане, где в течение года бывает до 300 солнечных дней, продолжительность солнечного сияния летом составляет 320-400 часов в месяц [2], годовой приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность оценивается примерно в 6500 МДж/м².

Для обеспечения высокой эффективности преобразования солнечной радиации в теплоту необходимо иметь светопоглощающее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного света a_s , близким к единице, и излучательной способностью e, близкой к нулю, поэтому при анализе различных покрытий соотношению этих параметров уделялось особое внимание.

При разработке светопоглощающих покрытий для космических приборов [1] было выделено покрытие CuO, сочетающее высокий коэффициент поглощения солнечного излучения и низкую отражательную способность. Его можно было бы применять для управления тепловыми режимами, например, в качестве абсорбера в солнечных коллекторах. Поэтому этот тип покрытия исследовался более тщательно, для увеличения коэффициента поглощения солнечной радиации он наносился на шероховатые поверхности (подложки). Это позволило снизить вероятность покидания вторичным фотоном поверхности покрытия из-за многократного переотражения его в светоловушках, образованных рельефом поверхности. Подложки, для придания им шероховатости, подвергали пескоструйной обработке частицами карбида кремния размером 0,2-0,5 мм. Для приготовления образцов покрытий использовали химическое окрашивание меди в черный цвет в щелочном растворе [3] по известному рецепту, состоящему из 45-50 г/л NaOH и 10-15 г/л K₂S₂O₈. Температура раствора 60-65°C, время оксидирования меди варьировали в пределах 0,5; 1; 3 и 5 мин.

Исследовали покрытие, состоящее из частиц алюминия, осажденных в азотсодержащей плазме [4]. Этот метод основан на внесении в скин-слой матрицы алюминия атомов азота, способных создавать сильные ковалентные связи с окружающими атомами алюминия, что в конечном счете искажает решетку алюминия. В этих условиях электроны проводимости скин-слоя, осциллирующие в поле световой волны, рассеиваются на искажениях решетки и передают энергию волны решетке, т.е. происходит преобразование световой энергии в тепловую. Если сильно деформировать решетку алюминия внесением значительного количества атомов азота, то может появиться возможность увеличения эффективности преобразования света в теплоту. светопоглощающий покрытие преобразователь солнечный

Для сравнения полученных результатов было проведено исследование черных покрытий, применяемых при конструировании недорогих солнечных коллекторов в Деловом проекте "KYH" [5], таких, как черная битумная краска и черная эмаль, а также светопоглощающее покрытие неизвестного типа на тонкой медной фольге, применяемое в промышленном коллекторе. При этом измеряли отражательную способность, коэффициент поглощения солнечной радиации, излучательную способность и по результатам измерений проводили сравнение.

Ставилась также задача выяснения возможности применения нихрома и константана в качестве поглотителей света вследствие высокого удельного сопротивления. Идея состояла в том, что в этих сплавах, благодаря наличию у никеля пика плотности состояний электронов на уровне Ферми, происходит интенсивное рассеяние электронов, что и выражается в высоком удельном сопротивлении сплавов. Хотя величина удельного электрического сопротивления при постоянном токе, указываемая в справочниках, не совпадает с высокочастотным электрическим сопротивлением r_opt , более адекватно характеризующим рассеяние электронов в оптическом диапазоне (к сожалению, такие данные довольно редкие), все-таки упомянутая особенность электронного спектра нихрома и константана может привести к высокой эффективности преобразования световой энергии в теплоту. Для эксперимента применяли нихром марки Х20Н80 (80% Ni и 20% Cr) и константан (60% Cu и 40% Ni).

У образцов размером 25 ґ 40 мм измеряли полную отражательную способность (ПОС) в телесном угле 2p стерадиан для десяти значений длин волн в диапазоне от 400 дo 927 нм, коэффициент поглощения солнечной радиации и излучательную способность. Для определения ПОС в указанном диапазоне использовали фотометр ФО-1 с основной абсолютной погрешностью измерений коэффициента отражения 3%. Дополнительная погрешность измерений при изменении температуры окружающей среды в пределах от 10 до 35°С и напряжения питания на ± 22 В от номинала 220 В составляет не более 0,5% от основной абсолютной погрешности. Таким образом, общая погрешность измерения коэффициента отражения фотометром ФО-1 не превышает 5%. Измерения a_s и e проводили методом интегрирующей фотометрической сферы накладным фотометром ФМ-59-У4.1 и терморадиометром ТРМ-И соответственно.

Рис. 1. Элементы плоского коллектора солнечной радиации: 1 - остекление; 2 - светопоглощающая поверхность (абсорбер) с трубками для нагретой жидкости; 3 - кожух; 4 - теплоизоляция.

Наиболее распространенным типом приемников солнечного излучения в гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (рис. 1). Коэффициент полезного действия коллектора солнечной энергии значительно увеличивается при использовании абсорбера с селективным покрытием, характеризуемым большим отношением поглощательной способности a_s и излучательной способности e . При однослойном остеклении солнечного коллектора изменение величины a_s / e с 1 до 12 приводит к увеличению кпд коллектора с 45 до 60% [2]. Была предпринята попытка в условиях Кыргызстана найти дешевые и эффективные светопоглощающие покрытия для двух типов солнечных коллекторов - с "тепловым зеркалом" и без него.

Как показали результаты измерений, черная битумная краска и черная эмаль имеют близкие к единице величины коэффициента поглощения солнечной радиации и излучательной способности. И в этом случае для повышения коэффициента полезного действия коллектора необходимо использовать остекление с "тепловым зеркалом". Остекление является одним из основных каналов утечки тепла из нагретого солнечного коллектора. Снижение тепловых потерь возможно, если остекление покрыто тонкой пленкой In₂O₃ или SnO₂. Эти пленки прозрачны в видимом диапазоне солнечного излучения (длины волн от 0,4 до 0,8 мкм), но они довольно хорошо отражают инфракрасное (тепловое) излучение в диапазоне длин волн от 3 до 100 мкм. Именно в пределах этого диапазона длин волн находится спектр излучения нагретого солнечного коллектора, что обеспечивает отражение назад в коллектор его теплового излучения и повышает коэффициент полезного действия. На рис. 2 показаны кривые, характеризующие спектр солнечного излучения, пропускание и отражение "теплового зеркала" на остеклении, а также тепловое излучение нагретого солнечного коллектора [7].

По результатам измерений отражательной способности, а особенно коэффициента поглощения солнечной радиации и излучательной способности CuO можно сделать вывод, что тонкая пленка CuO обладает свойствами фильтра: она поглощает видимый свет, но имеет высокую отражательную способность для длинноволнового инфракрасного излучения. Такая пленка "не выпускает" теплоту, в которую превратилось солнечное излучение более коротковолновой части спектра в тонком слое окиси меди. Иначе трудно объяснить малое значение излучательной способности окиси меди на гладкой поверхности подложки. Возможно, окись меди имеет зависимость коэффициента отражения от длины волны,

Рис. 2. Отражательная способность (R) и пропускание (D) остекления солнечного коллектора в зависимости от длины волны в сравнении со спектром солнечного излучения (S) и тепловым излучением (Р) нагретого коллектора [7].

аналогичную для покрытия из черного хрома (рис. 3) [2]. Однако на шероховатой подложке не удается достичь малого значения излучательной способности, вероятно, из-за того, что в этом случае не удается получить достаточно тонкую пленку-фильтр, и из-за того, что утолщение пленки одновременно с увеличением коэффициента поглощения приводит к увеличению и излучательной способности покрытия. Для получения низкого значения излучательной способности CuO подложку нужно полировать. В этом случае тонкая пленка CuO одновременно служит и абсорбентом и "тепловым зеркалом".

Рис. 3. Полная отражательная способность (ПОС) покрытия "черный хром" в зависимости от длины волны [2].

Проведенные измерения ПОС представлены на рис. 4, из него видно, что наилучшие результаты дает оксидирование меди в течение 5 мин, при этом величина a_s достаточно близка к единице, но значение e оказывается большим (см. табл., образец № 108).

У пленки окисла меди на гладкой полированной подложке отношение a_s / e довольно велико, поэтому это покрытие можно использовать в солнечных коллекторах без "теплового зеркала" на остеклении. При этом параметры покрытия из CuO лучше, чем у покрытия неизвестного состава для промышленного коллектора (рис. 5).

Покрытия, нанесенные методом соосаждения алюминия и азота, имеют приемлемые значения ПОС и a_s (рис. 6,7), но величина излучательной способности слишком велика, чтобы применять его без "теплового зеркала" (см. табл., образец № 38).

Большие надежды возлагались на покрытия из нихрома и константана. Однако величины a_s и e для них оказались неожиданно невысокими для применения их в виде покрытий обычной толщины. Результаты для покрытий из нихрома и константана можно рассматривать как предварительные. Возможно, при нанесении их на полированную поверхность подложки и при достаточно тонком слое пленки они могли бы стать приемлемыми селективными фильтрами. Вероятно, магнетронное распыление катодов из этих сплавов сможет обеспечить параметры, требуемые для селективных фильтров. Конечно, эта технология слишком дорога для солнечных коллекторов, но она может быть вполне приемлема при создании уникальных приборов, например, в космическом приборостроении для управления тепловыми режимами.

Рис. 4. ПОС пленок в зависимости от длины волны: на гладкой (№ 234) и шероховатых (№ 100, 102, 104 и 108) подложках. Время оксидирования: № 100 - 0,5 мин, № 102 - 1 мин, № 104 - 3 мин, № 108 - 5 мин.

Рис. 5. Сравнение некоторых черных покрытий для солнечных коллекторов: № 1 - покрытие, используемое в промышленном коллекторе, № 1618 - черная битумная краска БТ-577, № 1649 - черная эмаль, применяемая при производстве солнечных коллекторов (Деловой Проект "К-Н", Бишкек), № 108 - химически оксидированная медь на шероховатой подложке.

Рис. 6. ПОС пленок в зависимости от длины волны для покрытий из никелевых сплавов, нанесенных методом плазматронного напыления: № 1273 - константин (сплав Ni-Cu); № 1518 - нихром (сплав Ni-Cr).

Рис. 7. ПОС черных покрытий, применяемых в оптических приборах для снижения фона рассеянного света: № 38 - покрытие на основе системы Аl-N, № 910 - "черный хром" с частицами размером около 1 мкм, имеющими диффузную поверхность, № 1575 - "черный хром" с частицами размером около 10 мкм, имеющими гладкую поверхность, № 1579 - аквадат ВПЭЛТ-82К, № 1-Mg - черное покрытие на магнии, обработанном бомбардировкой стеклянными шариками (Институт им. Поля Шеррера, Швейцария).

Для облегчения сравнения параметров покрытий в сводной таблице собраны характеристики описанных здесь и традиционных покрытий - величины a_s и e , а также ПОС при различных длинах волн.

На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.

1. Дешевые светопоглощающие покрытия в виде черной битумной краски и черной эмали, разработанные в Деловом проекте "КYН" для солнечных преобразователей, могут использоваться в коллекторах, снабженных остеклением с "тепловым зеркалом".

2. Светопоглощающие покрытия в виде тонких пленок CuO на гладких или полированных подложках могут использоваться в солнечных коллекторах без "теплового зеркала" на остеклении.

3. Светопоглощающее покрытие в виде пленок CuO на шероховатой подложке обладает высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения и умеренной излучательной способностью.

4. Покрытие из CuO может использоваться в оптических приборах как материал, имеющий низкую отражательную способность в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн.

5. Покрытия из пленок нихрома и константана обладают слишком высокими значениями полной отражательной способности, но потенциально на основе этих сплавов можно разработать селективные фильтры, поэтому они должны быть исследованы дополнительно в виде тонких пленок на полированных подложках.

На Токмокском стекольном заводе имеются установки для магнетронного напыления на стекло прозрачных фильтров (производства Института ядерной физики Томского политехнического университета, Россия), используя которые можно наладить производство "тепловых зеркал" для солнечных коллекторов, а эффективное использование солнечной энергии в любом случае экологически и экономически выгодно.

Разработка технологии и производство солнечных энергетических установок может ослабить зависимость Кыргызстана от импортируемых источников энергии, тем более, что для этого необходимы небольшие инвестиции, а природные условия Кыргызстана дают возможность для широкого их применения как индивидуальными потребителями, так и промышленностью.

Авторы выражают признательность Л.А. Сусловой и Л.Б. Филипченко за помощь при изготовлении образцов покрытий, А.Дж.Обо-зову за предоставленные для сравнительных измерений образцы эмалевых покрытий, используемые в Деловом проекте "КYН" (Бишкек), а также Я.Я. Соловьеву за помощь при подготовке графических материалов для данной публикации.

Литература

1. Moldosanov K.A., Henneck R., Skrynnikov A.M., Kashirin V.A., Makarov V.P., Kobtsov G.A., Samsonov M.A., and Kim L.S. Reflectivities of Light-Absorptive Coatings Within Visible Wavelengths Range //Current Developments in Lens Design and Optical Systems Engineering. Robert E. Fischer, R. Barry Johnson, Warren J. Smith, and William H. Swantner; Eds., Proceedings of SPIE. - 2000. - V. 4093. - Р. 181-192.

2. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 37-39.

3. Беленький М.А., Иванов A.Ф. Соосаждение металлических покрытий: Справочник. - М.: Металлургия, 1985. - С. 210.

4. Moldosanov K.A., Anisimov V.P., Anisimova I.A., Skrynnikov A.M., and Kashirin V.A. Reflectivity of Al coating sputtered by using the nitrogen-containing plasma // Surface Scattering and Diffraction for Advanced Metrology. Zu-Han Gu and Alexei A. Maradudin; Eds., Proceedings of SPIE. -2001. - V. 4447. - Р. 98-108.

5. Деловой Проект "KYH": Центр проблем использования возобновляемых источников энергии. - Кыргызстан, Бишкек 720031, ул. Элебаева, 7; e-mail: kun@elcat.kg; тел.: +996 312 55-92-01, 55-92-00; факс: +996 312 55-92-04; Директор Делового Проекта - Алайбек Джумабекович Oбoзoв.

6. Moldosanov K.A. Reflectivity of Black-Chromium Coating at a Wavelength of 121.6 nm // Rough Surface Scattering and Contamination. Philip T.C.Chen, Zu-Han Gu, and Alexei A. Maradudin, Eds., Proceedings of SPIE. - 1999. - V. 3784. - Р. 117-125.

7. Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах. - М.: Мир, 1982.

Размещено на Allbest.ru