Yüksek sıcaklık güneş kollektörleri için seçici soğurucu malzeme tasarımı
Selective absorber material design for high temperature solar collectors
Yazar: FATMA HANDE SOYYİĞİT
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Isıl işlem = Heat treatment ; Zirkonyum = Zirconium ; Zirkonyum nitrit = Zirconium nitrite

Özet:
Günümüzde güneş enerjisinin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Hem yenilenebilir hem de çevre dostu olma özelliği taşıyan bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi alternatif enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahiptir.Ülkemiz güneş enerjisi kullanımına uygunluğu açısından incelendiğinde, coğrafi konumunun güneş kuşağında olduğu göz önüne alırsak büyük bir potansiyele sahip olduğunu söyleyebiliriz. Ülkemizde güneş enerjisi özellikle Akdeniz bölgesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat bu kullanım sıcak su ihtiyacını karşılamak üzere daha çok bireysel olarak tercih edilen düzlemsel güneş kollektörlerinden ibarettir. Oysaki Amerika, İspanya başta olmak üzere pek çok ülkede güneş enerji santralleri kurmak için önemli yatırımlar yapılmaktadır. Ancak her ne kadar güneş enerjisinin pek çok avantajı olsa da bir enerji santralinin ilk yatırım maliyeti oldukça yüksektir.Güneş enerjisinin diğer enerji kaynakları ile ekonomik açıdan yarışabilir hale gelmesi için verimliliği arttırmak büyük önem arz etmektedir. Öncelikle daha az alanda daha fazla güneş ışığını toplayabildiği için düzlemsel güneş kollektörlerinden ziyade parabolik güneş kollektörleri tercih edilmektedir. Bir parabolik güneş kollektörünün verimini arttırmak için geliştirilmesi gereken en önemli özelliklerinden biri ise seçici yüzey kaplama malzemesinin tasarımıdır.Güneş enerjisini verimli bir şekilde kullanabilmek için kullanılan kaplamanın yüksek absorbans, düşük emitans ve yüksek oksidasyon direncine sahip olması arzu edilmektedir.Bu çalışmanın amacı parabolik güneş kollektörlerinde kullanılmak üzere istenilen özelliklere sahip seçici yüzey kaplamaları geliştirmektir. Bu amaca yönelik olarak paslanmaz çelik tabanlar üzerine farklı kalınlıklarda Zr+ ZrN kaplamalar katodik ark fiziksel biriktirme yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Bu kaplamalara ilaveten soğurma ve yayım değerleri üzerindeki etkilerini görmek amacı ile Zr+ZrON, Zr+ZrAlSiN ve Zr+ZrAlSiON kaplamalar yine katodik ark yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Kaplamalar yapıları XRD yöntemi ile tanımladıktan sonra soğurma ve yayım özellikleri spektrofotometrik ölçümlerle belirlenmiştir.Aynı kaplamalar 400 ºC'de bir saat açık atmosferde ısıl işleme tabi tutularak soğurma özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. Oksitlenen ZrN ve ZrON esaslı kaplamaların x-ışınları foto elektron spektroskopisi kullanılarak yüzeylerinde oksitlenme sonucu oluşan bileşikler tanımlanmaya çalışılmıştır.Isıl işlem öncesinde ZrN esaslı kaplamaların soğurma (?), yayım (?) değerleri 16?21%, 0.06 mertebesindedir. Zr+ZrON kaplamanın soğurma ve yayım değerleri 24%, 0.097'dir. Zr+ZrAlSiN ve Zr+ZrAlSiON kaplamalarına ait soğurma ve yayım değerleri sırası ile 56%, 0.22 ve 68%, 0.34'dir. Kaplamalarda oksijen ilavesi seçici yüzey kaplamalarının soğurma ve yayım değerlerini arttırdığı tespit edilmiştir.Isıl işlem sonrasında ölçülen soğurma ve yayım değerlerinde artış gözlemlenmiştir. ZrN esaslı kaplamalar soğurma ve yayım değerleri 29?53%, 0.08?0.17 olarak ölçülmüştür. ZrON esaslı kaplamanın ısıl işlem sonrası artan soğurma ve yayım değerleri 71%, 0.16'dır. Zr+ZrAlSiN ile Zr+ZrAlSiON kaplamalarının ısıl işlem sonrası soğurma ve yayım değerleri değişmemiştir (Zr+ZrAlSiN için ?=58, ?=0.21, Zr+ZrAlSiON için ?=68, ?=0.34).Zr+ZrON seçici yüzey kaplaması yapılan kaplamalar içerisinde, ısıl işlem sonrasında en yüksek soğurma değerine (?=71%) sahip olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Nowadays using solar systems is spreading around the world. Solar energy systems are one of common alternative energy sources due to its unique properties such as being renewable and environmentally friendly.Our country has high potential in using solar energy systems due to its geographical location that is in solar band. Solar energy systems are widely used especially in the Akdeniz region. Unfortunately this usage is limited with using flat plate collectors to meet demand of hot water for personal consumption. However, most countries such as America and Spain invest in constructing solar power plant. Even tough a solar power plant has numerous advantageous, its first investment cost is rather high.Increasing the efficiency of solar energy systems is very important to make solar energy systems become cost efficiency so that it can compete with other energy sources. First of all, parabolic collectors are preferred because parabolic collectors can observed more solar radiation than flat collectors. Developing an advanced solar selective coating would results improvement in efficiency of parabolic collectors.To achieve high performance, a solar selective coating should have high absorbance, low emitans and also high oxidation resistance.The purpose of this thesis is to develop solar selective coating with desired properties for parabolic collectors. Zr and Zr alloys are used to produce different solar selective coating designs. The optical properties of these solar selective coatings are investigated.For this purpose, Zr+ZrN coatings with different film thickness are deposited on stainless steel substrates by using cathodic arc physical vapor deposition. In addition to this, Zr+ZrON, Zr+ZrAlSiN ve Zr+ZrAlSiON coatings are produced again by cathodic arc technique to investigate absorbance and emittance values of films. The microstructure of coatings is characterized by XRD then; spectrophotometric analysis is performed to determine absorbance and emittance properties of coatings.Same coatings are subjected to heat treatment at 400ºC for one hour in air and then alterations of absorbance properties are investigated. Compounds that had formed as a result of oxidation on the coating surface are characterized by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).Before annealing, the absorbance (?) and emittance (?) values of ZrN based coatings are measured as 16?20 %, and 0.06 respectively. For Zr+ZrON coating the absorbance was measured as 24% and their emittance was 0.097. For, Zr+ZrAlSiN and Zr+ZrAlSiON the measured absorbance and emittance were 56% and 0.22 and 68%, 0.34 respectively. It is confirmed that, the presence of oxygen in the coating increased both the absorbance and emittance of solar selective coatings.After annealing, an increase of absorbance and emittance values is observed. The absorbance and emittance values of ZrN based coatings are measured as 29?53%, with an emittance ranging between 0.08?0.17. The absorbance and emittance of ZrON based coating increased to 71% and 0.16 respectively after heat treatment. The absorbance and emittance of Zr+ZrAlSiN and Zr+ZrAlSiON coatings didn?t change with heat treatment (for Zr+ZrAlSiN ?=58%, ?=0.21, for Zr+ZrAlSiON ?=68%, ?=0.34).The Zr+ZrON solar selective coating exhibited the highest solar absorbance (?=71 %) among all the investigated coatings after heat treatment.