МНОГОСЛОЙНОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ ПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MULTILAYER SELECTIVE ABSORBING COATING FOR SOLAR COLLECTOR AND METHOD OF MAKING SAID COATING

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для теплоснабжения и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок.
x
x
Известны селективные поглощающие покрытия для солнечных коллекторов типа «черный никель», «черный хром», состоящие из тонких слоев NiO или CrO 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 - έ, 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.
1
0
1
x
y
x
2
0
2
2
2
3
0
3
3
2
0
0
1
2
0
1/2
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 d=λ/4n, второй слой выполнен из TiCO или TiN толщиной d=λ/2n, получаемых при реактивном распылении в вакууме титана в атмосфере СО или N соответственно, а третий слой выполнен из углеродсодержащего материала и имеет толщину d=λ/4n и показатель преломления n=(n×n), где n - показатель преломления воздуха, n - показатель преломления первого слоя покрытия, n - показатель преломления второго слоя покрытия, а λ - 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.
2
2
-2
Известен способ изготовления многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора путем напыления в вакууме слоя Ti и последующего реактивного напыления в вакууме в атмосфере СО или N слоя металлоида этого металла при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10 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).
2
2
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 v в зависимости от парциального давления реакционного газа Р.
3
3
0
2
3
1/2
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 n=(n×n), вследствие чего невозможно достичь максимального значения коэффициента поглощения покрытия в солнечном спектре. Действительно показатель преломления второго слоя по данным измерений составляет n=2,03, откуда n=1,43. Для известных материалов, которые могут быть нанесены в виде тонких слоев, такой показатель преломления имеет силицид титана TiSi.
2
2
0
с
1/2
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 n=(n×n) для третьего слоя покрытия, обеспечение получения при изготовлении покрытия максимального значения коэффициента поглощения в солнечном спектре А, а также обеспечение изготовления покрытия с оптимальными оптическими свойствами путем выбора оптимальной скорости реактивного напыления второго слоя покрытия.
1
0
1
x
y
x
2
0
2
3
0
3
3
2
0
0
1
3
x
y
x
0
1/2
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 d=λ/4n, второй слой выполнен из TiCO или TiN толщиной d=λ/2n, а третий слой имеет толщину d=λ/4n и показатель преломления n=(n×n), где n - показатель преломления воздуха, n - показатель преломления Ti, n - показатель преломления слоя TiCO или TiN соответственно, а λ - 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.
2
2
2
2
2
2
2
2
4
-2
-1
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 СО или N при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8)×10 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 v≤30P, где v - скорость реактивного напыления, мкм/час, а Р - парциальное давление газа СO или N, Па, после чего производят реактивное напыление третьего слоя в виде слоя силицида титана TiSi путем распыления Ti в атмосфере моносилана (SiH), при давлении паров моносилана в интервале (3-5)×10 Па.
На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемого покрытия, а также ход лучей в покрытии, определяющий отражение покрытием некоторой части падающего на него излучения Солнца.
1
1
x
y
x
2
2
3
3
Предлагаемое покрытие состоит из металлического подслоя 1, являющегося частью поверхности коллектора, обращенной к Солнцу, слоя 2 Ti толщиной d и с показателем преломления n, слоя 3 TiCO или TiN толщиной d и с показателем преломления n и слоя 4 TiSi толщиной d=0,10-0,20 мкм и с показателем преломления n.
Пример 1
с
2
2
2
2
2
2
2
с
-2
-2
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 поверхности листа до напыления составлял 0,21, коэффициент излучения листа έ=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 Па, после чего на поверхность алюминиевого цилиндра напылялся слой Ti. Затем в вакуумную камеру подавался реакционный газ СО или N и устанавливалось динамическое равновесие между натеканием реакционного газа и его откачкой на уровне 4×10 Па. Производилось напыление при двух различных скоростях v. При скорости v≥30Р наблюдалось увеличение коэффициента излучения покрытия έ, что уменьшает эффективность работы солнечного коллектора. При скорости v≤30Р оптические характеристики покрытия имели следующие значения: коэффициент поглощения в солнечном спектре А=0,88-0,89, коэффициент излучения έ=0,03-0,035, что обеспечивает максимально высокую эффективность работы солнечного коллектора.
4
c
-1
-1
-1
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 - SiH при давлении паров моносилана в пределах (3-5)×10 Па. При давлении паров моносилана в вакуумной камере меньше чем 3×10 Па образуется покрытие с коэффициентом поглощения А≤0,93, что недостаточно для эффективной работы солнечного коллектора. При давлении паров моносилана больше чем 5×10 Па происходит отравление катода и процесс реактивного распыления титана прекращается.
Пример 2
-1
-1
-1
-1
с
3
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 Па до 5×10 Па коэффициент поглощения в солнечном спектре А увеличился от значения 0,88 до значения 0,95, при этом коэффициент излучения не изменился. При давлении паров моносилана больше чем 5×10 Па начинается окисление поверхности катода и уменьшение скорости напыления TiSi. При давлении паров моносилана меньше чем 3×10 Па не удается достичь требуемого значения коэффициента преломления осажденного слоя n=1,4-1,43, что не позволяет обеспечить требуемых коэффициентов поглощения селективного поглощающего покрытия.
с
Многослойное селективное покрытие для солнечных коллекторов, изготовляемое по предлагаемому способу, обладает коэффициентом поглощения в солнечном спектре А≥0,95 и коэффициентом собственного излучения έ≤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.