1 Аналітичний огляд
1.1 Умови експлуатації селективних покриттів теплових сонячних колекторів
Селективні покриття теплових сонячних колекторів поділяються на:
внутрішні або «об’ємні» поглиначі;
тандеми напівпровідника та металу;
багатошарові поглиначі;
композитні шари;
текстуровані поверхні;
вибірково поглинаючі чорні покриття
Внутрішні або об’ємні поглиначі (рисунок 1.1) – це такі покриття, в яких селективність є внутрішньою властивістю матеріалів. Вони структурно більш стабільні, але оптично менш ефективні ніж багатошарові [1]. Внутрішні селективні властивості притаманні для перехідних металів та напівпровідників, але обидва види матеріалів повинні бути допрацьовані. Наприклад карбід гафнію (HfC) може бути корисний в якості поглинаючої селективної поверхні при підвищених температурах через його високою температурою плавлення.
Рисунок 1.1 – Структура внутрішнього або об’ємного поглинача
Тандем метал – напівпровідник (рисунок 1.2) [1]. Напівпровідники з шириною забороненої зони від приблизно ~ 0,5 еВ (2,5 мкм) до 1,26 еВ (1,0 мкм) поглинають короткохвильове випромінювання, а основний метал забезпечує низький коефіцієнт випромінювання з отриманням бажаної спектральної селективності. На поверхні таких покриттів необхідно створювати тонкі напівпровідникові плівки з високою пористістю або просвітлюючі покриття, тому що напівпровідники, які використовують, мають високі показники заломлення, що призводить до великих шкідливих втрат відбиття. Добре відомо, що для середніх і високих температур підходить Si як основа конструкції, утвореної методом парофазного хімічного осадження (CVD) [1].
Рисунок 1.2 Структура покриття метал - напівпровідник
Багатошарові поглиначі або багатошарові інтерференційні стеки [1] можуть бути сконструйовані таким чином , що вони стануть ефективними поглиначами. Селективний ефект оснований на множинному коефіцієнті відбиття: світло проходить через діелектричний шар і відбивається металевим, селективність не пов’язана з властивостями діелектрика. Тонкий напівпрозорий відбиваючий шар, як правило, метал, розділяє два чверть-хвильові діелектричні шари. Шар, що відбиває знизу, має високу відбивну здатність в інфрачервоній (ІЧ) області і менше відбиває у видимій області. Верхній діелектричний шар зменшує відбиття видимого світла. Товщина цього діелектрика визначає форму і положення кривої відбивної здатності. Додатковий напівпрозорий (тобто тонкий) шар металу ще більше знижує коефіцієнт відбиття у видимій області, а додатковий діелектричний шар збільшує поглинання у видимій області і розширює область високого поглинання. Багатошарові інтерференційні стеки мають високий коефіцієнт поглинання, низький коефіцієнт теплового випромінювання і стабільні при підвищених температурах ( ≥ 400 ºС ) залежно від матеріалів, які використовуються [1].
Рисунок 1.3 – Багатошарова плівка-поглинач
Метал – діелектричні композиційні покриття або тандеми поглинач - відбивач (рисунок 1.4) [1] мають вельми гарний поглинаючий ефект в сонячній області (тобто, вони чорні) і є прозорим в ІЧ, якщо вони нанесені на металеві підкладки, які добре відбивають інфрачервоне випромінювання.
Рисунок 1.4 – Структура композитного покриття метал – діелектрик
Поверхневе текстурування поверхні є часто вживаним методом для отримання спектральної селективності покриттів, що поглинають сонячну енергію [1]. Правильно текстуровані поверхні виглядають грубими і добре поглинають видиме світло. Випромінювання можна регулювати, змінюючи мікроструктуру покриттів за допомогою іонно-променевого бомбардирування. Поверхні покриттів з єдиного матеріалу можуть проявляти селективні властивості, якщо вони мають належну шорсткість, тому що селективні властивості залежать від співвідношення середніх відхилень висоти і довжини хвилі світла. Правильно орієнтований текстурований матеріал може поліпшити поглинання і коефіцієнт випромінювання спектрального селективного матеріалу. Наприклад, в плоских колекторах, прямі трапецієподібні канавки з пазами, орієнтовані на максимальну ефективність, поліпшили характеристики сірої поглинаючої пластини, порівняно з рівними пластинами селективного поглинача.
Рисунок 1.5 – Структура поверхнево текстурованих покриттів
Голчасті, дендритні або пористі мікроструктури на тому ж масштабі, що і довжини хвилі падаючого випромінювання, виявляють селективність [1]. Ця геометрична селективність не надто чутлива до механічних пошкоджень, проте вплив зовнішнього середовища (тобто окислення, теплові удари) дуже суттєво впливає на термін служби покриттів. Поверхня мікроструктури повинна бути захищеною від пошкоджень, викликаних контактом або стиранням. Вибір матеріалу, що має високий характеристичний коефіцієнт поглинання, може додатково оптимізувати коефіцієнт поглинання.
Останній вид селективного покриття – це селективне покриття на чорній підкладці. Прозоре покриття, котре знаходиться перед поглинаючим покриттям, складається з легованих напівпровідників (наприклад, SnO2:F, SnO2:Sb, In2O3:Sn і ZnO:Al).
Рисунок 1.6 – Структура селективного покриття на чорній підкладці
У випадку плоских сонячних колекторів, котрі підігрівають воду до 200 ˚С, доцільніше використовувати середньо температурні селективні покриття.
Плоский сонячний колектор [2,3] (рис.1.7) - найпоширеніший вид сонячних колекторів, що використовуються в побутових водонагрівальних і опалювальних системах. Цей сонячний колектор є теплоізольованою заскленою панеллю, в яку поміщена пластина поглинача.
Рисунок 1.7 – Плоский сонячний колектор
Пластина поглинача виготовлена з металу, що добре проводить тепло (наприклад, з міді або алюмінію). Найчастіше використовують мідь, оскільки вона краще проводить тепло і менше схильна до корозії, ніж алюміній. Пластина поглинача оброблена спеціальним високоселективним покриттям, яке краще утримує поглинене сонячне світло. Це покриття складається з дуже міцного тонкого шару аморфного напівпровідника, нанесеного на металеву підставку, і відрізняється високою поглинаючою здатністю у видимій області спектру і низьким коефіцієнтом випромінювання в довгохвильовій інфрачервоній області. Завдяки склінню (в плоских сонячних колекторах зазвичай використовується матове скло з низьким вмістом заліза) знижуються втрати тепла.
Чорні селективні покриття котрі використовуються в плоских сонячних колекторах повинні задовольняти деяким умовам. Одна з перших умов – це стійкість до температур. Так як в плоских сонячних колекторах використовують середньо температурні селективні покриття, то згідно із ГОСТ Р 51595-2000 [4] чорне покриття плоского сонячного колектора повинно витримувати температуру до +150 ̊ С, чорне селективне покриття до +190 ̊ С. Також поглинаюча панель повинна витримувати тиск повітря, котрий в 1.25 перевищує робочій тиск [4]. Поглинаюча панель повинна бути стійка до впливу зовнішніх корозійних факторів, стійка до сонячного випромінювання, підвищеній вологості, змінних температурних навантажень [4].
Вакуумні сонячні колектори відрізняються від плоских наявністю теплоізолюючого шару – вакууму [2,3]. У вакуумному сонячному колекторі з прямою теплопередачею воді вакуумні трубки розташовані під певним кутом і з'єднані з накопичувальним баком (рис. 1.8). З нього вода контуру теплообмінника тече прямо в трубки, нагрівається і повертається назад.
Рисунок 1.8 – Вакуумний сонячний колектор з прямою теплопередачею воді
Вакуумний сонячний колектор з термотрубками - це більш складний і дорожчий тип сонячного колектора (рис. 1.3).
Рисунок 1.9 – Вакуумний сонячний колектор з термотрубками
Термотрубка - це закрита мідна труба з невеликим вмістом рідини, що швидко закипає. Під впливом тепла рідина випаровується і забирає тепло вакуумної трубки. Пари піднімаються у верхню частину - голівку, де конденсуються і передають тепло теплоносію основного контуру водоспоживання або незамерзаючій рідини опалювального контура. Конденсат стікає вниз, і все повторюється знову.
Важливою характеристикою вакуумного сонячного колектору являється діапазон робочих температур. Так він варіюється в межах від -35°С (повністю скляні сонячні колектори з тепловими трубками) або навіть до -50°С (сонячні колектори з металевими тепловими трубками) до 300°С.
Так як вакуумний сонячний колектор здатний нагрівати воду до 300°С, то селективне покриття, котре в ньому використовується, повинне витримувати температури 300°С та вище.